En esencia, un transformador elevador es un dispositivo utilizado para aumentar la tensión de una línea de entrada a un nivel requerido para la transmisión de energía eléctrica adicional. Sin embargo, la misma definición también incluye sobre-tensión, es decir, una situación anormal cuando la tensión de salida excede la nominal debido a un cambio de toma inadecuado o aflojamiento del neutro del sistema de energía. Aunque hay dos situaciones descritas en el párrafo, su naturaleza es bastante diferente, y puede llevar a un técnico a la solución incorrecta del problema, como ajustar un cambiador de tomas cuando un neutro abierto es la causa raíz. El objetivo de este manual es proporcionar una comprensión completa de cómo funciona un transformador como dispositivo elevador de tensión, qué sucede con la corriente eléctrica y la carga eléctrica al aumentar la tensión de la línea y qué efectos se producen como resultado.
En resumen: Cuando un transformador aumenta la tensión, la tensión en el lado secundario se vuelve más alta que la tensión en el lado primario de acuerdo con la relación del número de vueltas — Vs/Vp = Ns/Np — mientras que la corriente se vuelve más baja por la misma relación. Esto se debe a que el transformador transfiere potencia pero no genera potencia. Este aspecto es la primera y más importante consecuencia de los transformadores. Después de esta primera consecuencia, hay cuatro más. El aislamiento debe soportar tensiones dieléctricas aumentadas, lo que significa que el devanado que opera a mayor tensión debe tener mejor aislamiento. El equipo resistivo recibe más energía debido al cuadrado de la tensión creciente, lo que significa que si la tensión aumenta en 5%, el calentamiento en el equipo resistivo aumenta en casi 10%. Una lámpara incandescente dejará de brillar si la tensión excede el nivel de tensión permisible. El núcleo inductor se satura cuando la tensión se vuelve muy superior al rango de diseño.
Cómo un Transformador Aumenta la Tensión
Los transformadores son dispositivos que están hechos completamente de componentes estacionarios y no tienen conexión eléctrica entre sus devanados. Funciona a través de la inducción electromagnética; en otras palabras, en el devanado primario, hay una corriente alterna, y por lo tanto un campo magnético cambiante; luego, ese campo magnético cambiante crea una tensión en el devanado secundario. La tensión que se ha generado es igual a la tensión primaria multiplicada por la relación de los devanados secundarios y primarios.
La tensión generada en el devanado secundario de un transformador dependerá de la relación de las vueltas de sus hilos con las vueltas del devanado primario. Por ejemplo, si las vueltas de hilo en el devanado secundario son el doble que las del primario, será cierto decir que la tensión en la bobina secundaria también es el doble de la tensión en la bobina primaria. Es esta relación entre la relación de vueltas la que le da al transformador la capacidad de elevar o reducir la tensión y que explica los beneficios que aportan tales transformadores, incluyendo su uso de manera inversa.
La única limitación del tamaño y la capacidad del transformador está determinada por el diseño del núcleo. La densidad de flujo magnético dentro del núcleo crece proporcionalmente con el voltaje aplicado a la bobina. Por lo tanto, cuanto mayor es el voltaje, más saturado se vuelve el núcleo. Así, cuando el núcleo alcanza el punto de saturación, la línea de flujo no puede fluir a través de él. Comprender la construcción básica que produce estos límites es el punto de partida, y se establece en nuestra guía de fundamentos de transformadores de distribución.
Donde la relación está fijada en la fabricación, el parámetro que gobierna el voltaje de salida real es el número de vueltas en el circuito en la bobina con tomas — la razón por la que existen los cambiadores de tomas. Esos ajustes y el resto de los datos de la placa de características son el tema de nuestra explicación de especificaciones del transformador, que es donde un comprador debería mirar antes de asumir que un problema de voltaje es una falla.
La Regla de Conservación: Voltaje Arriba, Corriente Abajo
El resultado más significativo de aumentar el voltaje a menudo se pasa por alto: la corriente disminuye.
Un transformador ideal transmite energía sin pérdidas y, por lo tanto, el valor del voltaje multiplicado por la corriente en ambos lados debe ser idéntico. Cuando el voltaje en el secundario aumenta, la corriente secundaria que fluye a la misma corriente en el primario disminuye correspondientemente. En otras palabras, si un transformador proporciona una corriente de 100 A a 240 V en el lado secundario mientras consume 200 A a 120 V en su lado primario, la potencia en ambos lados es igual ya que no se produce nueva corriente.
| Cantidad | Relación | Consecuencia de elevar el voltaje secundario |
|---|---|---|
| Voltaje | Vs/Vp = Ns/Np | Aumenta en proporción a la relación de vueltas |
| Corriente | Is/Ip = Np/Ns | Disminuye en proporción inversa |
| Potencia | VpIp ≈ VsIs | Sin cambios, aparte de las pérdidas |
| Impedancia vista por la fuente | Zp = (Np/Ns)² × Zs | Transformada por el cuadrado de la relación de vueltas |
La fila de impedancia es importante considerar porque es la más contraintuitiva. Una carga en el secundario será vista por la fuente no como tal, sino multiplicada por el cuadrado de la relación de vueltas. Con un aumento de diez veces en el voltaje, una carga de 1Ω se ve como 0.01Ω desde el primario. Así es como ocurre el emparejamiento de impedancia en circuitos de audio y RF y es exactamente la razón del fenómeno de un transformador elevador con una carga fija que extrae una corriente primaria mucho más alta de lo que se podría esperar de cálculos simples.
En la vida real, un transformador real no logra la conservación 100%. Tanto las pérdidas de cobre en las bobinas como las pérdidas en el material del núcleo se disipan en forma de calor, razón por la cual la eficiencia se expresa en porcentaje en lugar de asumirse como uno y la razón por la que los transformadores se calientan bajo carga mientras permanecen fríos en un circuito abierto. Las pérdidas en sí mismas son uno de los mecanismos que eventualmente limitan la vida de un transformador, un tema cubierto en nuestro artículo sobre qué causa que los transformadores fallen.
Qué Sucede con la Impedancia y la Carga
La naturaleza de la carga conectada gobierna completamente cómo reacciona la carga conectada, y así el resultado del aumento de voltaje se convierte de una especificación de diseño a un asunto de preocupación operativa.
| Tipo de carga | Comportamiento cuando el voltaje aumenta | Resultado |
|---|---|---|
| Resistivo (calentadores, lámparas incandescentes, hervidores) | La corriente aumenta proporcionalmente; la potencia aumenta con el cuadrado de la tensión | Aumento del calentamiento; la vida útil de la lámpara disminuye drásticamente |
| Motores (inducción) | El par motor aumenta, pero también la corriente de magnetización y la pérdida en el núcleo; el motor puede funcionar más frío en corriente pero más caliente en el núcleo | Reducción del consumo de corriente pero aumento de las pérdidas magnéticas; sobrecalentamiento si la tensión está muy por encima de la nominal |
| Fuentes de alimentación electrónicas | Muchas están reguladas y toleran un rango; aquellas que no lo están pueden fallar | Depende completamente del rango de entrada; las fuentes no reguladas son vulnerables |
| Bancos de capacitores | La salida reactiva aumenta con el cuadrado de la tensión | Sobrecompensación y aumento adicional de la tensión; posible resonancia |
| Transformadores | La densidad de flujo del núcleo aumenta; saturación y generación de armónicos por encima del punto de diseño | Sobrecalentamiento, distorsión armónica, ruido audible |
| Electrónica con fuentes de alimentación conmutadas | Generalmente amplio rango de entrada (100-240 V), por lo que son tolerantes | Poco efecto dentro del rango nominal |
La fila resistiva contiene una observación interesante. En carga resistiva, la potencia está relacionada con el cuadrado de la tensión. Por lo tanto, cualquier sobrevoltaje como 5% corresponderá a aproximadamente 10% más calor producido. En el caso de un elemento calefactor, esto significa una vida útil mucho más corta del elemento así como mayores costos de energía. Sin embargo, en lo que respecta a la lámpara incandescente, significa una vida útil aún más corta debido a la fuerte dependencia de la vida del sobrevoltaje. Esta es también la razón de la importancia de la regulación de tensión para las utilidades, ya que hay un costo real, medible y creciente para los usuarios debido al sobrevoltaje.
La fila de motores es más sutil de lo que parece a primera vista. Cuando el motor recibe más tensión, consume menos corriente con la misma salida mecánica, lo que parece algo bueno, pero con respecto al circuito magnético la situación es bastante diferente. La razón es que la tensión aumentada hace que la pérdida en el núcleo aumente, el motor se sobrecalienta internamente a pesar de la disminución de la corriente y a tensiones muy altas comienza la saturación del hierro.
Los efectos físicos de un voltaje más alto
Además del/los efecto(s) en la carga, los aumentos en el voltaje también ejercen estrés en el transformador de cuatro maneras.
- Estrés en el aislamiento. El estrés en el aislamiento aumenta con el voltaje incrementado, y a medida que el estrés en el aislamiento aumenta, la vida útil del aislamiento disminuye. Como consecuencia, un transformador con un voltaje de devanado más alto también debe tener un nivel básico de aislamiento más alto; además, por la misma razón, el voltaje de resistencia a impulsos de rayo se convierte en uno de los elementos en la especificación y no en un detalle.
- Descarga parcial. Cuando el estrés es lo suficientemente alto, un vacío o defecto dentro del aislamiento puede comenzar a descargar, lo que lleva a una deterioración gradual de ese material. La descarga parcial sirve como un precursor de una falla, pero no es una falla en sí misma, y es uno de los efectos secundarios de la sobrevoltaje.
- Saturación del núcleo y armónicos. Cuando un núcleo es llevado por encima de su densidad de flujo magnético de diseño (el material y la configuración del núcleo determinan el nivel del flujo magnético que el núcleo puede soportar), la corriente magnetizadora se distorsiona y comienza a contener algunos armónicos impares que resultan en pérdidas incrementadas, aumento de temperatura, y pueden resultar en resonancias en algún otro lugar del sistema.
- Aumento del ruido audible. La magnetoestriccion–el cambio dimensional del núcleo debido a la magnetización–también aumenta con la densidad de flujo incrementada; así, un transformador de sobrevoltaje produce significativamente más sonido audible que el mismo transformador en niveles de voltaje normales.
Estos cuatro fenómenos tienen la característica común que hace que la sobrevoltaje sea peligrosa: son acumulativos y prácticamente invisibles. Sucede que un transformador de sobrevoltaje no da ninguna señal de problemas, simplemente envejece más rápido, y la falla ocurre antes de lo esperado.
Aumento de voltaje no intencionado: Las causas
Hay cuatro razones principales por las cuales los niveles de voltaje serán excesivos además de ser deliberadamente elevados.
| Causa | Mecanismo | Cómo reconocerlo | Respuesta |
|---|---|---|---|
| Configuración incorrecta del cambiador de tomas | La toma está configurada para un voltaje de suministro diferente al presente | Desplazamiento consistente y predecible en todas las cargas; presente en todo momento | Restablecer la toma para que coincida con el suministro real; verificar con una medición |
| Neutro perdido | La referencia neutra flota, por lo que el voltaje se divide entre las fases por la impedancia de carga | Los voltajes en dos fases suman el voltaje de línea completo; algunas cargas ven alto voltaje mientras que otras ven bajo | Emergencia: aislar y tratar como un fallo de suministro |
| Efecto Ferranti | En una línea larga y ligeramente cargada, la corriente de carga capacitiva eleva el voltaje en el extremo receptor por encima del voltaje en el extremo de envío | El voltaje aumenta a medida que la carga disminuye; peor por la noche o en períodos de baja demanda | Compensación reactiva, o aceptarlo si está dentro de los límites |
| Resonancia del banco de capacitores | Los capacitores de corrección del factor de potencia resuenan con la inductancia del sistema, amplificando el voltaje a una frecuencia armónica | Distorsión y aumento de voltaje correlacionados con el conmutación de capacitores | Desintonizar o reintonizar el banco; investigar armónicos |
| Retroalimentación de PV o generación | La generación embebida eleva el voltaje en el punto de conexión al exportar | El voltaje aumenta cuando la generación es alta y la carga local es baja | Ajuste de tomas del transformador, regulación de voltaje o limitación de exportación |
La causa más simple es un cambiador de tomas defectuoso. Si el cambiador de tomas está configurado incorrectamente, el transformador suministrará el voltaje esperado todo el tiempo, y la solución implicaría restablecerlo correctamente después de averiguar el verdadero voltaje de entrada en lugar de usar el valor nominal de voltaje. En el contexto de los cambiadores de tomas, existen cambiadores de tomas fuera de circuito (que solo se pueden configurar cuando el transformador no está energizado) y cambiadores de tomas en carga que permiten realizar su operación bajo carga y funcionan típicamente de acuerdo con un relé regulador de voltaje.
El efecto Ferranti es otra causa que presenta una sorpresa. Se basa en el hecho de que una línea de transmisión o suministro de energía de larga distancia tiene capacitancia distribuida a lo largo de su longitud, y cuando la línea no está muy cargada, la corriente capacitiva que viaja a través de la inductancia de la línea hará que el voltaje aumente en lugar de disminuir. La naturaleza del efecto es proporcional a la longitud de la línea e inversamente proporcional a la capacidad de carga, lo que significa que el efecto es más severo en el caso de líneas largas y cargas bajas, por eso un problema de caída de voltaje puede ocurrir por la noche en lugar de cuando el consumo es mayor.
El caso de neutro perdido
Esta profundidad perdida es la razón por la cual puede no haber distinciones generales entre esta causa y otras razones similares, ya que la respuesta es diferente en naturaleza, a saber, una crisis en lugar de un ajuste.
En el caso de un suministro de fase dividida, el punto central del transformador proporciona el neutro, que mantiene ambos voltajes de línea a neutro en sus niveles normales. Si la conexión a tierra está suelta, corroída o abierta en cualquier punto, como en el transformador, en la caída de servicio, en el cabezal de clima, en la base del medidor o en el panel, se pierde la referencia. Los dos conductores de línea más las cargas conectadas entre ellos y el neutro están en serie para todo el voltaje de línea, y el voltaje se distribuye dependiendo de las impedancias de las cargas a cada lado.
El efecto resultante es que un voltaje aumenta en un lado y disminuye en el otro lado. Así, las cargas en la rama ligeramente cargada tomarán voltajes casi iguales al voltaje total de línea, mientras que los dispositivos en la rama fuertemente cargada notarán casi ningún cambio de voltaje. Las diferencias de voltaje se deben a la naturaleza de los aparatos eléctricos, ya que cada vez que se enciende un dispositivo eléctrico, el equilibrio se altera. El síntoma clave son los dispositivos quemados en un lado y los dispositivos con bajo rendimiento en su lado opuesto en paralelo.
Por eso, un neutro perdido debe ser visto como una emergencia del suministro y no como un problema de regulación. Los arreglos de protección que limitan el daño en tales eventos, y el papel del neutro en el esquema de puesta a tierra, se cubren en nuestra guía sobre fundamentos de puesta a tierra de transformadores.
Cómo se controla el voltaje
El control de voltaje está integrado en el sistema en múltiples etapas, ya que tanto las variaciones de voltaje esperadas como las inesperadas son importantes.
- Cambiadores de tomas. Los cambiadores de tomas fuera de circuito establecen la relación de voltaje y los cambiadores de tomas bajo carga cambian la relación sin interrumpir el circuito eléctrico bajo la supervisión del regulador automático de voltaje.
- Reguladores automáticos de voltaje y compensadores. Miden el voltaje en el sistema y cambian la toma para mantener el voltaje dentro del rango con zona muerta para evitar oscilaciones.
- Compensación reactiva. Capacitores y reactores regulan la energía reactiva que causa variaciones de voltaje debido a la carga, la batería desintonizada elimina el problema de resonancia.
- Voltage measurements and protection. The overvoltage relay breaks the circuit or indicates the occurrence of the voltage level outside the acceptable range—last opportunity for voltage protection.
- Surge arrestors. They eliminate overvoltage coming from lightning and switching action and do not allow the insulation to operate beyond its impulse level.
- Proper calculation in the beginning. Choosing the transformer of the needed insulation class and impedance as well as the tap changing range for real supply conditions prevents most of the issues described in this article because this is the reason why the specification is the most important step.
For a site installing or replacing a distribution transformer, the practical step is to specify against the measured supply voltage and the expected load profile rather than against nominal figures. Our rango de transformadores de distribución illustrates the parameters that should be pinned down — rated voltages, tap range, impedance, insulation level and cooling class — because each of them determines how the unit behaves when the supply is not exactly nominal.
Voltage Limits and Standards
Utilities don’t attempt to keep voltage consistent; instead, they keep it within a band and the extent of that band defines what kind of variations equipment can withstand.
In North America, the main specification used is ANSI C84.1, which specifies for example the so-called Range A utilities (roughly ±5% of nominal) as a range within which equipment is expected to work and which is referred to as Range B or (approximately ±5.5%) range that is expected to be tolerated but not sustained. If we take 120 V service we get roughly 114-126 V for Range A and if we take 240 V services we get roughly 228-252 V.
In Europe, EN 50160 specifies the voltage characteristics of voltage in use and which states nominal voltage of 230 V and allowed variations in the surrounding space about ±10% during most of the time and also with the restrictions on harmonics, flicker and unbalance. Able equipment in the circuits designed for the European market will be able to work with these band characteristics of the voltage.
Practically this means that nominal voltage is probably a more exactly defined mean of the voltage which is required from the transformer. The transformer should be chosen in such a way that it provides correct voltage (nominal voltage) at some point in the band of available supply voltage and for the insulation to work normally at the top level of this band and for the load to be compatible with calculating this variation. In case something is happening in the supply and if some company’s supply has always been near a band edge, it would be better to adjust tap.
Preguntas Frecuentes
How does a transformer increase the voltage?
Utilizing electromagnetic induction and turns ratio for an electric transformer. It generates a magnetic field in the magnetic core through the process of inducing current. In case the secondary winding of the transformer has more turns than the primary winding, the voltage induced is proportionately high, meaning that the ratio Vs/Vp = Ns/Np applies. There is no logical connection between the branches and energy is not produced and thus the transformer performs the transfer of electrical power in a different circuit with an alteration of voltage – current ratio at the same time.
What would cause a transformer to have high voltage?
There are four main reasons. A tap changer that is incorrectly adjusted will give rise to a constant voltage shift regardless of the situation and can be corrected by resetting the tap based on the supply voltage measured. An interrupted neutral will cause the floating of the reference neutral thus resulting in a rise of voltage in one phase but a fall in another, meaning it is a supply emergency instead of adjustment. Ferranti effect will result in an increase of the receiving end voltage due to capacitive charging in long unloaded lines, reaching the peak in minimal loading. The resonance of the capacitor bank and the inductiveness of the system will boost the voltage. The embedded generator project will export power in unloaded systems as well making it a more frequent cause of voltage rise nowadays.
What happens if the voltage increases?
The scenario can be described as follows: In the case of a transformer operating under a constant load under which the current rises, the current will be inversely proportional for this load as a transformer can provide power without generating it. Constant loads will consume power as resistive load obtaining approximately 10 percent more heat under 5 percent overvoltage. Power varies in direct proportion to voltage in the power square; therefore, resistive load will make heating element life less. Core losses in motors and magnetising current increase while running current smay decrease, therefore motor will be hotter centrally. Insulation will be under greater electric voltage and will undergo wear faster, therefore with prolonged overloading there are chances of getting through the discharges. Saturation takes place in transformers and motors, so they generate harmonics as well as heat. And in any case, the transformer behind the affected one will have louder humming at high flux density.
How does a transformer affect voltage?
The electrical transformer manages the proportion of voltages in the primary and secondary circuits through the turns ratio, and in this mechanism, it performs three major functions. First, the transformer steps up or steps down the voltage, depending on which circuit has a bigger number of turns. Next, it performs voltage regulation not too well, because when the load increases, the output voltage decreases due to the drop in impendant voltage in relation to current value, which is expressed in the percentage of impedance on the nameplate. Finally, the transformer has taps to regulate voltage either off the circuit during installation or when the relay comes to operate. The voltage at the output of the transformer will depend not only on its operation but also on the load profile and state of supply network.
Does raising the voltage reduce losses?
The answer depends on where the losses are taken into account, either in the transmission line or at the receiving end. For any fixed amount of power, increasing the voltage lowers the current, and the resistive losses in a conductor depend on the square of the current, thus leading to significant decrease in the transmission losses. However, this effect takes place only in the transmission part of the line. Once the voltage is increased when the power is being consumed, the resistive load will be consuming more power and increasing the losses in the load. It is important to distinguish between these two conditions; therefore, high voltage can be regarded as efficient in transmitting the power and at the same time overvoltage leads to energy losses and even shorter service lifetime of the equipment used.
Referencias
- IEEE — Transformer Loading and Insulation Coordination Standards
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 Power Transformers and IEC 60038 Standard Voltages
- ANSI — ANSI C84.1 Electric Power Systems and Equipment Voltage Ratings
- CENELEC — EN 50160 Voltage Characteristics of Electricity Supplied by Public Networks
- U.S. Department of Energy — Power Quality and Distribution System Guidance
Conclusión
When it comes to increasing the voltage in a transformer, it is evident that the output voltage will be dependent on the winding ratio. The output current will also decrease at the same ratio as the voltage increase due to the fact that transformers transfer power instead of generating it. After encountering the higher output voltage, the next step is to consider what effect it will make in the equipment operated with it. Resistive installations will require more power with voltage squared and produce more heat. Motors will operate with less current and increased core losses. Higher voltage will result in more quick ageing of insulation, more noise, and excessive harmonics if the voltage exceeds its threshold value. When it comes to the increase generation of this high voltage, the whole system is designed according to these pack of parameters like insulation, winding ratio, and tap. When the generation of high voltage is unintentional, its root cause determines what solution to apply. For instance, switching the faulty tap back to default or compensating for Ferranti effect.