Diseño de transformadores monofásicos

Diseño de
núcleos magnéticos monofásicos (tipo
columnas y acorazado)

El transformador, es un dispositivo que no tiene partes
móviles, el cual transfiere energía de un circuito
a otro bajo el principio de inducción
electromagnética. La transferencia de energía la
hace por lo general con cambios en los de voltajes de
corrientes.

Un transformador elevador recibe la potencia a un valor
más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe
la potencia a un valor bajo.

Sustancialmente se puede decir que un transformador
está constituido por un núcleo de material
magnético que forma un circuito cerrado, y sobre de cuyas
columnas o piernas se localizan los devanados, uno denominado
"primario" que recibe la energía y el otro secundario, que
se cierra sobre un circuito de utilización al cual entrega
la energía.

Los devanados se encuentran eléctricamente
aislados entre sí, un transformador consta de dos partes
esenciales:

• El núcleo magnético.

• Los devanados.

La construcción del
núcleo.

El núcleo magnético está formado
por laminaciones de acero que tienen pequeños porcentajes
de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan "laminaciones
magnéticos", estas laminaciones tienen la propiedad de
tener pérdidas relativamente bajas por efecto de
histéresis y de corrientes circulantes.

Están formados por un conjunto de laminaciones
acomodadas en la forma y dimensiones requeridas.

La razón de usar laminaciones de acero al silicio
en los núcleos de las máquinas eléctricas,
es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces
hace disminuir la magnitud de las corrientes parásitas o
circulantes y en consecuencia las pérdidas por este
concepto.

Existen 2 tipos de núcleos fundamentales de
estructura del transformador ellos son el tipo columnas y el tipo
acorazado, los cuales se detallan a
continuación.

Tipo columnas: este tipo de
núcleo se representa en el siguiente grafico, Este
núcleo no es macizo, sino que está formado por un
paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente
entre sí.

La aislación entre chapas se consigue con
barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando
las chapas con un chorro de vapor.

Núcleo tipo acorazado: este
tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la
dispersión. Obsérvese que las líneas de
fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las
bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, de
manera que todo el contorno exterior del núcleo puede
tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas
laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el
núcleo acorazado también se lo construye en trozos,
unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan
alternados, para evitar que las juntas coincidan.

 El hecho que los núcleos sean
hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos
del hierro no coinciden perfectamente, quedando una
pequeña luz que llamaremos entrehierro. Obsérvese
que en el tipo núcleo hay dos entrehierros en el recorrido
de las fuerzas, y que el acorazado también, porque los dos
laterales son atravesados por la mitad de líneas cada
uno.

Diseño de
devanados

En estos transformador, las diferencias entre las
tensiones primaria y secundaria es notable, por ejemplo los
transformadores para redes de distribución de 13200 volts
a las tensiones de utilización de 220/127 volts debido a
estas diferencias, se emplean criterios constructivos distintos a
los considerados en los transformadores pequeños de baja
tensión y se dividen en devanados de baja tensión y
alta tensión.

Devanados de baja tensión Están
constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces
en 2 o 3 capas sobrepuestas), con alambres rectangulares
aislados. El conductor se usa generalmente para potencias
pequeñas y tiene diámetros no superiores a 3 o
3.5mm. El aislamiento de los conductores, cuando son
cilíndricos, pueden ser de algodón y de papel, y
más raramente conductor esmaltado en caso de que los
transformadores no sean enfriados con aceite.

Para transformadores de mediana y gran potencia,
se recurre al uso de placa o solera de cobre asilada, el
aislamiento es por lo general de papel. En el caso de que las
corrientes que transporte del devanado sean elevadas ya sea por
facilidad de manipulación en la construcción o bien
para reducir las corrientes parásitas, se puede construir
el devanado con más de una solera o placa en
paralelo.

Devanados de alta tensión.

Los devanados de alta tensión, tiene en
comparación con los de baja tensión, muchos
espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente
baja, por lo que son de conductor de cobre de sección
circular con diámetro de 2.5 a 3.0 mm.

Con respecto a las características constructivas,
se tienen variantes de fabricante a fabricante, hay
básicamente dos tipos, el llamado "tipo bobina" formados
de varias capas de conductores, estas bobinas tienen forma
discoidal, estas bobinas se conectan, por lo general, en serie
para dar el número total de espiras de una fase. El otro
tipo es el llamado "de capas" constituido por una sola bobina con
varias capas, esta bobina es de longitud equivalente a las varias
bobinas discoidales que constituirían el devanado
equivalente, por lo general, el número de espiras por capa
en este tipo de devanado; es superior al constituido de varias
bobinas discoidales.

Posición de los devanados

La disposición de los devanados en los
transformadores, debe ser hecha de tal forma, que se concilien en
la mejor forma las dos exigencias que son contrastantes entre
sí, del aislamiento y de la menor dispersión del
flujo. La primera requiere de la mayor separación entre
devanados, en tanto que la segunda, requiere que el primario se
encuentre los más cercano posible del secundario. En la
práctica, se alcanza una solución conveniente del
problema con la disposición de los devanados dentro e los
siguientes tipos:

>Concéntrico. >Concéntrico doble.
>Alternado.

En el tipo concéntrico, cada uno de los devanados
está distribuido a lo largo de toda la columna, el
devanado de tensión más baja se encuentra en al
parte interna (más cercana al núcleo) y aislado del
núcleo, y del de tensión mas elevada, por medio de
tubos aislantes (cartón baquelizado, baquelita,
etc).

En la disposición de concéntrico doble, el
devanado de tensión más baja se divide en dos
mitades dispuestas respectivamente al interior y al exterior uno
de otro.

En el llamado tipo alternado, los dos devanados
están subdivididos cada uno en una cinta número de
bobinas que están dispuestas en las columnas en forma
alternada.

La consideraciones que orientan desde el punto de vista
de diseño, la disposición de los devanados, son
aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la
reactancia de dispersión y a los esfuerzos
mecánicos.

El llamado concéntrico doble tiene la
prerrogativa de dar lugar a la reactancia de dispersión
con valor de alrededor de la mitad de aquel relativo al
concéntrico simple. El tipo alternado, en cambio, permite
variar tales reactancias, repartiendo en forma distinta las
posiciones de las bobinas de los dos devanados. Para el esfuerzo
mecánico son mejor las disposiciones de tipo alternado,
pues permite que el transformador soporte mejor los esfuerzos
mecánicos.

Aislamiento externo de los devanados.

Los devanados primario y secundario, deben estar
aislados entre si, generalmente este aislamientos de por medio de
separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares
que además cumplan con funciones refrigerantes.

Sistema de amarre axial de los devanados mediante
tornillos opuestos de presión.

El aislamiento entre lascase de los transformadores
trifásicos se efectúa separando convenientemente
las columnas, entre las cuales se interponen algunas veces
separadores o diafragmas de cartón tratado o bien de
baquelita.

El aislamiento externo entre las fases, se logra por
medio de las boquillas a las que se conectan las terminales de
los devanados.

Conexiones de los devanados.

Cuando se construye un devanado, se puede bobinar en el
sentido a la derecha o a la izquierda (con respecto al sentido de
las manecillas del reloj), se ha observado que una corriente que
tiene un determinado sentido, produce un flujo magnético
en sentido opuesto, se tiene un devanado construido hacia la
izquierda o un devanado hacia la derecha, esto se debe tomar en
consideración, para evitar que con las conexiones que se
realicen, se tengan flujos opuestos o voltajes inducidos
opuestos. En general, cada fabricante adopta un sentido
único de devanado para todas las bobinas, tanto
secundarias como primarias.

Tipos de chapas
normalizadas (formas y tamaños)

La aleación ferro magnética más
utilizada para el diseño de núcleos de
transformadores es la aleación hierro-silicio, esta
aleación es la producida en mayor cantidad y esta
compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio,
dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material.
Dando a esta aleación un tratamiento térmico
adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro,
tiene mejores propiedades magnéticas para campos
magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren
pérdidas totales menores en el núcleo. Esta
aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de
espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el
lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio
o Chapa magnética.

La modificación del núcleo en chapas se ha
dado como una solución al problema de las corrientes
parasitas.

Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en
silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del
material, por lo que su porcentaje se determina según el
empleo al que se designa la chapa. También se prefieren
chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de
funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada
conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo
y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el
contenido de silicio.

La fabricación de la chapa magnética ha
llegado a estar normalizada en considerable extensión por
lo que los datos magnéticos publicados por diversos
fabricantes no se diferencian, calidad por calidad,
excesivamente.

Características de las chapas.

Las chapas utilizadas para la construcción de los
núcleos tipo anillo y tipo acorazado son generalmente de
acero al silicio en proporciones de 2 a 4% de este último.
Los espesores de estas láminas varían entre 0,3 y
0,5 mm para frecuencias de 50 ciclos.

Entre chapas debe haber aislación
eléctrica lo que se consigue de diferentes formas: con una
capa de barniz aplicado a una de sus caras, con una hoja de papel
muy delgada encalado sobre una cara de la chapa, o para un
material más económico, produciendo una
oxidación superficial con vapor de agua.

Según el tipo de aislación se tienen
diferentes efectos sobre el costo de la chapa y sobre la
reducción de la sección neta del hierro. Para
chapas de 0,35 a 0,5 mm de espesor, puede estimarse que la
reducción de sección neta con aislación de
barniz o papel es de un 10%.

En los transformadores pequeños se colocan las
chapas una a una, alternando las juntas, para dar más
solidez al conjunto y evitar piezas de unión entre partes
del núcleo. En los grandes, las dos cabezas quedan
separadas, y deben sujetarse con pernos roscados.

En los transformadores de gran potencia suele ser
necesario formar conductos de refrigeración en la masa del
núcleo, para aumentar la superficie de disipación
del calor se colocan entonces separadores aislantes, de espesor
conveniente para la circulación del aceite.

PROPIEDADES MATERIALES AISLANTES

PROPIEDADES DE MATERIALES CONDUCTORES

PROPIEDADES CHAPAS MAGNETICAS

VALORES DE REFERENCIA DE TRANSFORMADORES A BAJA
TENSION

FORMA Y TAMAÑO DE CHAPAS MAGNETICAS
NORMALIZADAS

Observe que podemos realizar el moldeamiento
matemático para nuestro trasformador, aprovechando al
máximo las características de los materiales y las
diferentes estructuras en conjunto con las leyes
electromagnéticas, para satisfacer nuestras necesidades y
tener una gran eficiencia de nuestro
transformador.

Bibliografía

CHAPMAN Stephen J., Máquinas
Eléctricas Editorial MaGraw Hill, Tercera edición,
Colombia, 2000

KOSOW, Irving L., Máquinas
eléctricas y transformadores. Editorial Prentice Hall
Hispanoamericana S.A.. México 1991

www.monografias.com

Autor:

William Pauzhi

Boris Barzallo

Alexis Pucha

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MAQUINAS ELECTRICAS