Parece que los transformadores son capaces de hacer lo que debería ser imposible, ya que ajustan el voltaje sin tener componentes móviles y sin un factor de interferencia. El proceso para lograr esto implica evitar que los dos circuitos estén conectados, insistiendo en que ambos circuitos operen dentro del mismo campo magnético.
Esta configuración simple es la clave para que los sistemas de suministro de energía sean posibles y para el hecho de que los hogares ubicados a una distancia de 300 km de una estación eléctrica sean capaces de tener 230 V. Esto es, de hecho, lo que permite que el sistema de distribución de energía eléctrica funcione.
Un transformador consiste en dos bobinas que están enrolladas alrededor de un núcleo magnético compartido. En la bobina primaria, una corriente eléctrica genera un campo magnético fluctuante, que posteriormente induce una corriente en la bobina secundaria. La relación de vueltas permite definir los voltajes que pasan por ambas bobinas, ya que, por ejemplo, 100 vueltas pasarán por 1,000 vueltas y eso lleva al aumento del voltaje de 230 V a 2300 V.
El Principio: Inducción Mutua
Consistiendo en dos bobinas y un núcleo, los dos componentes no entran en ninguna interacción de flujo eléctrico entre sí. Si la parte primaria de las bobinas se proporciona con energía eléctrica, entonces una corriente eléctrica pasa a través de ella y genera un campo electromagnético. La corriente utilizada en el circuito es alterna, por lo tanto, el campo producido está cambiando continuamente, lo que lleva a un acoplamiento con la segunda bobina; esto resulta en que aparezca un voltaje eléctrico a través de esta última.
Hay tres reglas principales que subyacen al principio de funcionamiento del transformador:
- La relación de los devanados del transformador determinará el voltaje. Vp/Vs=Np/Ns.
- El doble de devanados llevará al doble de voltaje.
- La potencia se conserva. Existe un principio de conservación de la potencia. La potencia de entrada es igual a la potencia de salida menos pérdidas específicas.
- La impedancia se determina por el cuadrado de la relación de devanados. El transformador con la relación 10:1 aparecerá como una carga de 100 Ohmios para la bobina primaria.
El núcleo es una parte importante. Está hecho de acero eléctrico en capas, su orientación es de tal manera que el campo producido viajará con la ayuda de este material, y la estratificación del material hará imposible crear circuitos cerrados en el material.
Por qué solo funciona con corriente alterna
Para iniciar la inducción, se necesita un flujo que varíe y cambie con el tiempo. Cuando se utiliza corriente continua para crear campos magnéticos, ese campo magnético no cambia con el tiempo ni produce ningún voltaje en una bobina secundaria. Este resultado es posible debido a las propiedades de la electricidad y no por el diseño del transformador en sí. Este fenómeno se puede utilizar prácticamente de dos maneras.
Primero, el transformador funciona con corriente alterna y no funciona con corriente continua. Por lo tanto, tiene la capacidad de separar una fuente de corriente continua de un sistema de corriente alterna. En segundo lugar, explica por qué el transformador no se puede utilizar para la conversión de CC a CC, ya que este tipo de convertidor utiliza electrónica de conmutación para convertir corriente continua en corriente alterna y viceversa.
Curiosamente, la frecuencia en sí juega un papel muy importante. Por ejemplo, un transformador diseñado para 50 Hz se saturará a 60 Hz solo si el voltaje se reduce proporcionalmente. Un transformador de 60 Hz utilizado a un voltaje de 50 Hz funcionará en modo de saturación y, por lo tanto, producirá calor y ruido.
Lo que hace en un sistema de energía
Comprender el propósito de un transformador se logra más fácilmente rastreando la energía eléctrica desde el lugar de generación hasta el enchufe.
El generador en sí produce electricidad de 11-25 kV, que es una capacidad de aislamiento económicamente viable del generador. Por lo tanto, se necesita una transmisión de alta tensión de la energía. La pérdida a la que está sujeta la transmisión es proporcional a I²R, por lo tanto, aumentar el voltaje por un factor de 10 disminuirá la corriente por el mismo factor y disminuirá la pérdida de energía en 100. Así, la transmisión tiene sentido debido a esa relación.
Al llegar al destino, la alta tensión disminuye en pasos: de 400 kV a 110 kV a 33 kV a 11 kV y finalmente a 400/230 V en el transformador de distribución (el transformador que sirve a la calle o al edificio). Cada paso es un transformador y cada transformador se utiliza para que la etapa pueda construirse económicamente.
Por lo tanto, el propósito del transformador se puede dividir en cuatro funciones que a menudo se confunden:
- Transformación de voltaje para transmisión y para uso seguro
- Transformación de corriente que sigue automáticamente y permite que se transmita alta corriente a bajo voltaje
- Aislamiento galvánico para que ninguno de los lados del elemento transformador pueda energizar el lado opuesto y el diseño del sistema pueda ser alimentado con tierra de manera independiente
- Adaptación de impedancia y limitación de fallas, ya que los datos disponibles indican que la impedancia del transformador se crea intencionalmente para fines de protección.
La diferencia entre las dos principales familias en el trabajo de distribución, y cuál debe especificar un proyecto, se establece en esta comparación de transformadores de potencia y de distribución.
A dónde va la energía
Los transformadores prácticamente nunca están libres de pérdidas, pero conocer los puntos donde ocurren estas pérdidas proporciona una considerable comprensión de su comportamiento.
La pérdida en el núcleo toma dos formas. Primero, hay histéresis (los dominios magnéticos se invierten) y segundo, hay pérdida por corrientes de Foucault (las corrientes que circulan en el acero). Estas pérdidas ocurren ya sea que un transformador esté energizado o bajo carga, ya que son inherentes a su construcción.
La pérdida de cobre con la resistencia de los devanados se calcula como I²R. Esto significa que a media carga, esta pérdida es un cuarto de la pérdida a plena carga.
Debido a que una de estas pérdidas es constante y la otra aumenta con el cuadrado de la carga, la eficiencia óptima de un transformador se observa en la carga donde las pérdidas son iguales. Así, si una pérdida aumenta con la carga, la otra no.
Las pérdidas de transformación son constantes durante toda la operación; por lo tanto, la eficiencia de un transformador es mejor cuando son iguales, lo cual es por diseño. Los métodos se describen en esta guía para probar un transformador.
Los Tipos Principales, y Para Qué Sirve Cada Uno
La mayoría de las ofertas que acompañan al comprador provienen de cuatro familias de transformadores.
Los transformadores de distribución llenos de aceite son aquellos que están en postes o en montajes de base. El aceite actúa tanto como aislamiento como refrigerante, haciendo que estos transformadores sean compactos y económicos para sus rangos de capacidad de 25 kVA a 2,500 kVA.
Los transformadores de tipo seco utilizan aire y aislamiento sólido en lugar de aceite, que generalmente está hecho de resina epóxica fundida. Se aplican en condiciones interiores, en diversas construcciones, túneles, hospitales y centros de datos, donde el riesgo de incendio del aceite no puede ser tolerado. Aunque los transformadores de tipo seco pueden costar más que los llenos de aceite con la misma clasificación de capacidad, eliminan un tipo de riesgo.
Los transformadores de potencia son los grandes que se utilizan en las subestaciones de transmisión, diseñados para alta tensión y capacidad de paso y una larga vida, equipados con cambiadores de tomas de carga y sistemas de refrigeración.
Las unidades especializadas restantes incluyen transformadores de instrumentación que transforman corriente y voltaje para fines de medición o protección, transformadores de aislamiento con el propósito de separación galvánica, autotransformadores para el ligero cambio de voltaje, y transformadores de tipo K o armónicos para operaciones de carga no lineales.
El caso interior es donde la elección es más a menudo disputada, y las clases, códigos de refrigeración y límites que la deciden se cubren en esta visión general de transformadores de distribución de tipo seco.
Lo Que No Puede Hacer
Hay tres conceptos erróneos que conducen a errores reales de especificación.
- No produce ninguna potencia. Un transformador aumenta el voltaje de 230 V a 2300 V al disminuir la corriente en las mismas proporciones. Cualquier afirmación sobre la capacidad del transformador para aumentar la potencia de salida es una indicación de un error de medición o fraude.
- No cambia la frecuencia. La entrada de 50 Hz produce una salida de 50 Hz. Para cambiar la frecuencia se necesita una máquina rotativa o un convertidor de electrónica de potencia.
- No proporciona corrección del factor de potencia. Lo que hace el transformador es ejercer su propia demanda reactiva sin corregir la de nadie más; la corrección del factor de potencia es tarea de un capacitor o un filtro activo.
Tampoco protege contra todo. El transformador limita la corriente de falla a través de su impedancia, y es capaz de separar las tierras, pero no desconecta la falla, limita la sobretensión y regula el voltaje a menos que tenga un cambiador de tomas o un regulador electrónico.
Dónde Se Ubican los Transformadores en una Subestación
Se podría llamar una subestación porque todo el equipo tiene el único propósito de establecer conexión, protección y medición del transformador, y el diagrama unifilar es la mejor y más rápida manera de obtener información sobre la instalación.
El circuito llega a un desconectador, luego a través de un interruptor automático y transformadores de corriente, antes de entrar en el transformador. Lo mismo es cierto para el camino de salida, adaptando transformadores de voltaje para medición, seccionadores para proteger contra impulsos y conmutadores de puesta a tierra para facilitar el mantenimiento. Cada componente existe porque el transformador no puede hacer eso.
Esa disposición, y las clasificaciones que la acompañan, es lo que un componentes de subestación eléctrica la especificación describe realmente, y vale la pena leer antes de comprar un transformador por su cuenta, porque el transformador rara vez es el elemento que retrasa un proyecto.
Lo que Construimos
La empresa produce transformadores sumergidos en aceite y de tipo seco a partir de 25 kVA, incluidos transformadores con clasificaciones de voltaje de 11, 20 y 33 kV para los mercados de Asia, África y Oriente Medio.
Las especificaciones son aburridas. De hecho, incluyen datos como el tipo de núcleo, el tipo de cable y conexión, el rango de voltaje y la magnitud de las pérdidas, pero no garantías al respecto. Todo eso está escrito en la cotización en lugar de asumirse, que es lo que nuestro rango de distribución sumergido en aceite se basa en.
En los casos en que se requieren niveles de pérdida específicos para que un proyecto cumpla con ciertas regulaciones de eficiencia, el diseño del devanado y la calidad del núcleo deben seleccionarse para superar esos niveles por un margen cómodo, porque un transformador que logra su objetivo de alcanzar una pérdida de 0.5% en el piso de prueba no garantiza una vida útil manteniéndose dentro de ese margen durante treinta años.
Preguntas Frecuentes
¿Puedes explicar cómo funciona un transformador de manera simple?
Hay dos bobinas de alambre que tienen un núcleo de acero pero están separadas entre sí. La primera bobina tiene corriente alterna que fluye a través de ella, creando un campo magnético variable, mientras que la segunda bobina convierte ese campo variable de nuevo en corriente. Un mayor número de vueltas en la segunda bobina aumenta la cantidad de corriente generada, mientras que un menor número de vueltas tendrá el efecto opuesto.
¿Cada casa necesita un transformador?
No hay un transformador único para cada casa, tal. El transformador que sirve a un hogar generalmente está sirviendo a una calle o a un edificio entero. Es un transformador montado en un poste o montado en una base que convierte 11 kV o 33 kV a 400/230 V. La casa necesita un transformador dedicado solo para casos donde la línea de energía entrante proporciona un voltaje diferente, cuando hay una carga sustancial que requiere un transformador separado, o donde problemas de seguridad y ruido requieren aislamiento.
¿Qué podría quemar un transformador?
Carga frecuente, un cortocircuito que ocurre en el lado secundario, pérdida de refrigeración, bajo nivel de aceite presente en el aparato, humedad presente en el aislamiento y un aumento de tensión por rayos que alcanza el devanado. En la práctica, la secuencia es generalmente la misma: la sobrecarga o el problema de refrigeración que ocurre primero es seguido por la ruptura del aislamiento. Esto involucra las acciones tomadas por los dispositivos de protección que previenen que la ruptura ocurra.
¿Cuál es la regla 80% para transformadores?
Es la práctica del diseño, no el requisito del código: operar un transformador al 80% de su potencia nominal permite espacio para acomodar la temperatura ambiente, armónicos, sobrecargas temporales y desarrollos futuros de manera oculta, aterrizando exactamente en el mejor rango de eficiencia. Las reglas del código relacionadas son completamente diferentes: el dispositivo de protección contra sobrecorriente en el circuito primario generalmente se establece en 125% de la corriente nominal del circuito primario; se trata de la protección del transformador en lugar de su carga.
Referencias
- Ormazabal — Cómo funciona un transformador eléctrico
- ABB — Tecnología y aplicaciones de transformadores
- Siemens Energy — Transformadores de potencia y distribución
- Hitachi Energy — Fundamentos de transformadores y aplicaciones en la red
- Nynas — Aceite de transformador y rendimiento del aislamiento
Conclusión
Dos bobinas junto con un núcleo forman un circuito magnético, y ahí es donde comienza el transformador. Todos los demás dispositivos y desafíos de ingeniería ayudan a mantener esta tecnología en funcionamiento.
Infórmenos sobre la relación de voltaje que está buscando, la potencia nominal junto con la aplicación y el nivel de pérdidas para que nuestros especialistas puedan seleccionar el diseño de transformador necesario con la refrigeración e impedancia requeridas para satisfacer sus necesidades.