Manual de Prácticas de Laboratorio de Transformadores

Manual de Prácticas de Laboratorio de Transformadores.
INTRODUCCIÓN A TRANSFORMADORES
En 1831 Michael Faraday observó que si se aplicaba un voltaje a una bobina aparecía otro voltaje en una segunda
bobina devanada sobre el mismo núcleo de hierro que la anterior. Cincuenta y tres años después, en una exposición de
Turín, Italia, los ingenieros ingleses Gaulard y Gibbs mostraron un “sistema eléctrico alimentado por inductores”, usando
“generadores secundarios” con núcleos de hierro abiertos. Tres jóvenes ingenieros húngaros, Dery, Blathy y Zipernowzky,
quienes visitaban la exposición, reconocieron las desventajas del núcleo abierto y comenzaron a trabajar en una versión
mejorada. Cinco semanas después enviaron su “transformador No. 1”, un modelo con 1,400 W con núcleo cerrado de
alambre de hierro. Setenta y cinco de estos transformadores se usaron en suministrar energía a las 1,067 lámparas de
Edison que iluminaron la exposición de Budapest en 1885. Un reportero que cubría la nota escribió: “Se ha inaugurado un
nuevo sistema de distribución el que… puede marcar una nueva época… Ahora es posible conducir la corriente eléctrica
desde una estación central a muchos consumidores, aun a grandes distancias”. Esta predicción se ha realizado y el
transformador es el dispositivo clave de la conversión de energía en los sistemas eléctricos de distribución.
Los transformadores eléctricos, son dispositivos estáticos que, mediante el principio de inducción electromagnética:
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Transfieren energía eléctrica de un circuito a otro.
Lo hacen sin cambio alguno de frecuencia.
Tienen circuitos eléctricos que, aunque aislados eléctricamente, están arrollados en un circuito magnético común.
La transferencia de energía tiene lugar, usualmente, con un cambio de voltaje, aunque esto no es siempre necesario.
En todos los sistemas eléctricos de potencia existen transformadores de: potencia, distribución, control y de medida
(corriente y potencial). Sin su concurso, la generación, transmisión, distribución y consumo de energía eléctrica, no fuera
posible, tal y como ahora la conocemos.
Los transformadores, en principio, construcción y operación son similares hasta hoy en día, desde que se
introdujeron por primera vez, lo que se ha perfeccionado en la actualidad, son la calidad, volumen y laminaciones de los
materiales ferromagnéticos, tipos de embobinados, herrajes, aislamientos y el refrigerante, de lo cual están constituidos.
Básicamente, un transformador consiste de:
Elaboró: Ing. Ezequiel Campos Velarde
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Un núcleo de acero laminado.
Devanados, primario y secundario, arrollados en el núcleo.
Terminales o boquillas de entrada y salida.
Tanque recipiente con aceite.
Aditamentos de control, enfriamiento, seguridad y transporte.
Los transformadores se hacen más complejos conforme más grandes y potentes son.
Cuando el transformador eléctrico no se había instaurado en los sistemas eléctricos, el consumo de energía eléctrica
se hacía en los lugares próximos a su generación, ya que su alejamiento de estos producía grandes caídas de tensión, así
como pérdidas de potencia. Esto limitaba mucho el uso de la energía eléctrica, la cual es hoy por hoy la forma más
generalizada de utilización y transformación de energía por todas las ventajas que ello conlleva.
Con el advenimiento del transformador eléctrico, la utilización de la energía eléctrica se ha generalizado casi en su
totalidad en el mundo entero, ya que puede generarse en lugares muy apartados de las zonas urbanas y ser utilizada en
estas sin problema alguno, por su fácil generación, conducción, conversión y confortable consumo. Además de que es
altamente ecológica, es decir, no produce contaminación alguna, excepto, en algunos casos, en su fase de generación.
La técnica es muy sencilla; por ejemplo: la generación de energía eléctrica puede ser realizada en una hidroeléctrica
en la montaña, aprovechando la energía potencial del agua almacenada en las presas, la cual se convierte en energía
cinética al mover el rodete de una turbina de agua que, a su vez, hace girar el rotor de un alternador vertical cuyas
bobinas están arrolladas estratégicamente en las ranuras aisladas del estator de dicho alternador. Los polos magnéticos
del rotor, al girar, cortan el campo magnético en las bobinas fijas del estator generándose así, por la ley de inducción de
Faraday, una fuerza electromotriz (fem o voltaje) en las terminales de tales bobinas.
El voltaje trifásico generado en los juegos de bobinas de armadura del estator del alternador pudiera ser; por
ejemplo: 18,000 volts. Este voltaje, por alto que parezca, no es el mismo a muchos kilómetros de distancia donde se
encuentra el consumidor, sino que se reduce sustancialmente debido a las caídas de tensión en las líneas de transmisión,
así como también existen pérdidas de potencia por efecto Joule (calentamiento en las líneas).
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El voltaje generado puede ser elevado a un voltaje llamado de transmisión, el cual puede ser unos 220,000 V
mediante una subestación elevadora a base de transformadores de potencia. Este voltaje de transmisión recorre muchos
kilómetros antes de llegar a su destino final donde está el consumidor, tanto industrial, como comercial o residencial.
Obviamente sufre caídas y pérdidas, pero estas son subsanables fácilmente en virtud de lo alto del voltaje, así como la
facilidad de volverlo a transformar usando otro banco de transformadores.
Antes de llegar a su destino, tenemos una subestación intermedia llamada de subtransmisión, donde el voltaje de
transmisión, de 220,000 V, mediante transformadores de potencia, sufre su primera reducción, digamos a 86,000 V. Este
voltaje de subtransmisión es aprovechado por zonas industriales que están por su camino donde cuentan con
subestaciones de distribución para su reducción y posterior consumo.
El voltaje de subtransmisión viaja otros tantos kilómetros antes de llegar a la zona urbana a cuya entrada se
localizan las subestaciones reductoras llamadas de distribución, cuyos transformadores de potencia reducen el voltaje de
subtransmisión de 86,000 V a uno de distribución; por ejemplo: 13,200 V.
El voltaje de distribución de 13,200 V es reducido a voltajes de consumo de 220/127 V mediante transformadores
de distribución trifásicos o monofásicos para su consumo comercial o residencial. Los medianos y grandes industriales,
cuya demanda de energía es mayor y requieren servicio trifásico, cuentan con sus propias subestaciones, las cuales
instalan para surtir y controlar su demanda de energía eléctrica.
Durante la conducción de la energía eléctrica, desde la central generadora hasta el consumidor, se hace uso de
transformadores control y de medida (TP’s y TC’s) para efectos de señalización, coordinación, protección y medición de
voltaje, corriente y potencia eléctrica.
El esquema de abajo muestra el trayecto de la energía eléctrica tal y como se describió arriba.
Es por ello que los ingenieros eléctricos deben dominar la tecnología de los transformadores, que es lo que se
pretende con esta serie de prácticas de laboratorio que se proponen en el presente manual que, indudablemente, será de
gran ayuda, tanto para el maestro como para el alumno de la carrera de ingeniería Eléctrica.
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Esquema mostrando la trayectoria de la Energía Eléctrica, desde su generación, transmisión y distribución
hasta su consumo, tanto industrial y comercial como residencial.
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