TRANSFORMADOR MONOFASICO. OBJETIVOS. Conocer el principio de funcionamiento y aplicaciones. Diseñar un transformador de pequeña potencia. Construir el transformador diseñado. Realizarle ensayos. TRANSFORMADORES. Definición: definimos el transformador como un aparato estático de inducción electromagnética, destinado a transformar un sistema de corrientes variables, (C.A.) en otro o varios sistemas de corrientes variables (C.A.), de corrientes y tensiones generalmente distintas y de la misma frecuencia, por lo tanto, este aparato no funciona en corriente continua. Aplicaciones: Surge como una necesidad en el transporte de la energía eléctrica, ya que la sección aumenta en razón inversa con el cuadrado de la tensión, entonces hay que transportar la energía eléctrica a unas tensiones que no pueden ser producidas por los alternadores por motivos de aislamientos. En la central se generan tensiones inferiores a los 25 KV y esta se eleva con transformadores hasta los 220-380 y 500 KV. Pero también solucionan el problema que se presenta en la distribución de esa energía eléctrica, ahora hay que reducir esas tensiones hasta los valores de utilización de 220/380 v. También se utilizan como medida de protección y aislamiento, en medidas en conductores que pertenecen a líneas de alta tensión ó alta intensidad. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. Esta basado en el fenómeno de inducción electromagnética, generación de fuerza electromotriz por variación de flujo en un circuito estático, ó por corte de flujo en un circuito en movimiento. En el caso de esta máquina pertenece al primer grupo. CONSTITUCIÓN. Está constituido por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. El circuito magnético lo forma un núcleo, constituido por un apilado de chapas magnéticas de hierro-silicio o hierro-níquel generalmente aisladas unas de otras, las cuales son recorridas por el flujo variable. Las formas del núcleo pueden ser: Anulares Sin acorazar Acorazada El más utilizado es el acorazado, que consta de tres ramas, siendo la rama central de doble sección que las laterales de este modo se consigue aumentar la superficie total de refrigeración, reduciendo así el calentamiento además de esto se consigue reducir el numero de espiras y la resistencia óhmica en un treinta por ciento aproximadamente. Los núcleos acorazados están formados por chapas con forma de “E”,” I “: Los dos circuitos eléctricos lo forman dos bobinados realizados con hilo de cobre electrolítico esmaltado, uno primario que actúa como receptor, ya que está conectado a la red de alimentación y uno secundario que actúa como generador ya que a el se conectan los receptores. Es una máquina reversible, es decir, que el circuito primario puede actuar como secundario y este, como primario. DISEÑO DEL TRANSFORMADOR. Calcularemos un transformador mediante dos sistemas diferentes, uno denominado por fórmulas, en el que todos los datos los obtenemos mediante la resolución de unas ecuaciones, y otro mediante tablas en el que los datos del transformador los obtenemos mediante ábacos, a partir de conocer el valor de la potencia y las tensiones del primario y del secundario. CÁLCULO MEDIANTE FÓRMULAS. CÁLCULO MEDIANTE FÓRMULAS. Datos del transformador a diseñar: DATOS DEL TRANSFORMADOR S = V1 = V2 = K= f = = 100 220 12,5 1,5 50 10000 VA V V 15 cm2 S = 3,15 A/mm2 0,45 0,454545 A 8A Kc = I1 = I2 = Hz gauss SECCION DEL NUCLEO S n =K = K=1,5 si B= 8000y S=150 w K=1,2 si B= 10000 y S=hasta 990 w K=1 si B= 12000 y S=hata 4000 w NUMERO DE ESPIRAS DEL PRIMARIO n1 = V 1 10 8 = 4.44 f S n 660,6607 esp. NUMERO DE ESPIRAS DEL SECUNDARIO V 2 10 n2 = 8 4.44 f S n = 37,53754 esp. SECCION DE LOS CONDUCTORES S S S = 1 2 V = 1 = 0,1443 mm2 d 1 = 2 = 2,539683 mm2 d 2 = 2 S V 2 S 1 S 2 = = 0,428636 mm 1,798228 mm DIMENSIONES DEL NUCLEO C = n I 150 K c = B = 3C = A = S 1,412347 cm 4,237041 cm = 3,872983 cm G = S = A E = = 2 3,872983 cm 1,936492 cm CÁLCULO DEL TRANSFORMADOR POR TABLAS 1º Rendimiento_ = 87% (El es función de la potencia del secundario, y se determina mediante el gráfico1) 2º Sección del núcleo. (Es función de la potencia del primario, gráfico 2) Sn = 14,5 cm2 3º Espiras por voltio. (Es función de la sección del núcleo, gráfico 3) EV = 3,2 4º Tanto por % de caída de tensión. (Es función de la potencia del primario, gráfico 4) % Av = 9 5º Número de espiras 1ª bobina. 6º Número de espiras 2ª bobina DATOS e/v= v1= %Av= v2= n1= n2 7º Densidad del transformador. (Es función de la potencia del primario, gráfico 5) = 3,15 A/mm2 8º Intensidad de la 1ª bobina. 9º Intensidad de la 2ª bobina 10º Diámetro del hilo 1ª bobina. (Es función de la intensidad y de la densidad, gráfico 6) d1=0,46mm2 11º Diámetro del hilo 2ª bobina d2= 2mm2 12º numero de espiras/ cm2 de la 1ª bobina. (grafico 7) 1ª E/ cm2 = 400 espiras 13º numero de espiras/ cm2 de la 2ª bobina 2ª E/ cm2 = 20 espiras 3,2 220 9 12,5 672,32 38,2 14º sección de la ventana en el primario SV = 672 /400= 1,68 cm2 15º sección de la ventana en el secundario SV = 42/20 = 2,1 cm2 16º Sección de ventana total SVT = 1,68 + 2,1 = 3,78 cm2 17º Sección de ventana definitiva SVD = 3,78*2= 7,56 cm2 18º Tipo de chapa Grosor = 0,5 C = 32 mm B = 96 mm A = 80 mm 19º Nº de chapas Nch = 14,5 / 3,2 = 4,53 dado en cm = 45,3 mm Nch = 45,3 / 0,6 = 75,5 chapas S :100VA n2 :37 .5 V2 1 : 2 .5V n1 :661 n3 :27 V1 2 : 20V V3 9 :V n4 :18 V4 6 :V ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR. Tienen como finalidad obtener el rendimiento del transformador, siendo este rendimiento el cociente entre la potencia consumida por el primario y la suministrada por el secundario, por lo tanto, la potencia del secundario será: P2 = P1 – (Pfe + Pcu) u = P2/P1 Ensayo en vacío. Mediante este ensayo calculamos las perdidas en el circuito magnético. Este ensayo consiste en conectar el primario del transformador a la tensión nominal de funcionamiento y medir mediante un vatímetro la potencia activa que consume, si además conectamos un amperímetro en el primario conoceremos la intensidad que consume, que llamaremos corriente de vacio, que multiplicada por la tensión nos dará la potencia aparente. Con estos datos podremos conocer el factor de potencia. La corriente de vacio tendrá un valor muy pequeño ya que solo a de establecer el flujo de vacio y compensar las pérdidas en el hierro. La Io se suele expresar en tanto por ciento de la I1n y estará comprendida entre el 0,6 y el 8 % de I1n para los núcleos con chapa de grano orientado, y entre el 4 y el 14 % de I1n para otros tipos de núcleos. Pfe = V1 * Io = 220 v x 0.09 A = 19.8 W I1 0.09A A1 V1 220V V2 13 P 10 W COS ¿ S Q %Io ¿ ¿ W V1 V2 Relación de transformación. La obtendremos como el cociente entre la tensión del primario y la del secundario, por lo tanto, hemos de conectar en vacio el transformador y colocar un voltímetro en el primario y otro en el secundario. m = V1n / V2n = 220 v /13 v = 16.92 Ensayo en cortocircuito. Mediante este calcularemos las perdidas en el cobre del trafo y las obtendremos mediante el producto de la tensión de cortocircuito por la intensidad nominal del primario. Entenderemos como aquella que obtenemos cuando cortocircuitando el secundario de un trafo mediante un amperímetro y vamos alimentando el primario con una tensión ascendente desde 0 voltios hasta un valor de esta para el cual por el devanado secundario esta circulando la intensidad nominal para la que está diseñado el transformador; en este momento también ha de circular por el bobinado primario aproximadamente la intensidad nominal. En el circuito de este ensayo colocaremos también un amperímetro y un voltímetro en el primario que nos medirán la intensidad del primario y la tensión de cortocircuito. Pcu = Vcc * I1n = 33.5 v x 0.5 A = 16.75 VA La tensión de cortocircuito se expresa en tanto por ciento y suele estar comprendida entre el 2 y el 12 % de la tensión nominal del primario, este es un dato necesario en el acoplamiento de transformadores en paralelo. A1 I1 0.5A V1 33.5 V I2 9.1A P 12 W COS 0.97 W V1 I2 Ensayo en carga. Este ensayo consiste en aplicar al trafo la tensión nominal de funcionamiento y hacerlo trabajar en carga, le iremos aplicando distintas cargas y mediremos las intensidades del primario y del secundario y ambas tensiones. La relación de transformación trabajando en carga se cumplirá tanto mejor cuanto más a plena carga trabaje en transformador, teniendo en cuenta la siguiente observación: La relación entre espiras e intensidades se cumple a plena carga, mientras trabajando en vacio se cumple la relación entre espiras y tensiones. I1 A1 A2 V1 V1 V2 P1 I2 V2 P2 CONEXIÓN EN PARALELO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS. Este tipo de conexión la utilizaremos cuando la potencia suministrada por nuestro transformador, no es suficiente para lo que nos solicita la carga, con lo cual podemos acoplar con nuestro trafo uno o varios en paralelo. Para poder realizar este tipo de conexión se han de cumplir las siguientes condiciones: A.-Idéntica relación de transformación. B.-Conexión de la misma polaridad. C.-mismos índices de carga. a.- Idéntica relación de transformación. En caso de no tener la misma relación de transformación la tensión de salida de ambos transformadores será diferente, por lo que circulará una corriente a través de los secundarios, con la consiguiente perdida de potencia. b.- Conexión de la misma polaridad. En dos arrollamientos afectados por un flujo común dos extremos tienen idéntica polaridad cuando simultáneamente poseen potenciales de igual signo en relación con los extremos opuestos. Para determinar la polaridad se utilizará el siguiente método: Se unen al azar un borne del arrollamiento primario, con un borne del arrollamiento secundario y se aplica una tensión al primario, según la siguiente fig. Si V1 = V2 – V3, Si V1 = V2 + V3 X e Y son de la misma polaridad. X e Y son de polaridad contraria. DETERMINACIÓN DE TERMINALES HOMÓLOGOS. C.-mismos índices de carga. Si se suman las tensiones de los secundarios. Si se restan las tensiones de los secundarios. Se entiende por índice de carga de un transformador en un funcionamiento dado, como el cociente entre la corriente absorbida y la corriente nominal, multiplicado por la tensión de cortocircuito expresada en tanto por ciento. Ic = ( I / In ) x Vcc% La relación entre los índices de carga de los dos trafos que se quieren conectar en paralelo vendrá dada por la siguiente expresión: ( Ia / Ian ) x Vcca% = ( Ib / Ibn ) x Vccb% Donde: Ian es la corriente nominal del transformador a. Ia corriente de régimen del transformador a Vcc es la tensión de cortocircuito expresada en tanto por ciento. Para cumplirse la relación anterior se ha de verificar: Vcca = Vccb En el caso de no darse esta condición, si uno de los transformadores esta trabajado a plena carga, el otro estará trabajando por debajo de sus posibilidades. El conjunto no se podrá cargar más, dado que el transformador que estaba trabajando en condiciones nominales, se verá ahora sobrecargado.
