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DISEÑO DE TRANSFORMADORES MONOFASICOS Diego Samaniego Marcelo Merchan Jose Siguencia
Resumen—El diseño de cualquier equipo es un proceso de cálculo mediante el cual se trata de determinar sus dimensiones geométricas, de modo de obtener un comportamiento preespecificado Así, en el proceso de diseño se pueden distinguir: 1. Especificaciones, o características de funcionamiento deseadas. 2. Algoritmo de diseño, o secuencia lógica de relaciones que permiten determinar las dimensiones a partir de las especificaciones y de ciertos valores supuestos en base a experiencia en diseños similares. 3. Análisis del comportamiento del diseño definitivo, comparación con el comportamiento requerido (especificaciones) y repetición del proceso si es necesario corregir el diseño. Index Terms—hhh
I.
DISEÑO DE TRANSFORMADORES MONOFASICOS
El sistema magnético estará formado por dos bobinas (una de primario y otra de secundario) arrolladas sobre un carrete que cada grupo elegirá entre los que se encuentren a disposición de los grupos en el laboratorio de Electrotecnia y un núcleo ferromagnético formado por chapas magnéticas que permitirá que el flujo común a ambas bobinas enlace magnéticamente los circuitos de primario y secundario. El circuito magnético del transformador monofásico dispone de dos caminos en paralelo por los que volverá el flujo que circula por la columna central. En la I se esquematiza esa circulación de flujos. En la I puede verse las distintas partes de un transformador monofásico
Figura 1.
Esquema del transformador monofasico
Figura 2.
Esquema del transformador monofasico (Planta)
El circuito magnético de un transformador monofásico está caracterizado por dos áreas o superficies características: el Área de Núcleo, Ac, que es la superficie de la columna central del transformador, y el Área de Ventana, Av, que es la superficie del hueco o ventana que queda entre la columna central y las laterales; en realidad es la superficie que estará ocupado por los bobinados de primario y secundario, así como por los aislamientos.
II.
Figura 3.
POR LA FORMA DEL NÚCLEO
tipos de nucleos
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III.
FORMA DE SUS DEVANADOS
Hay dos formas típicas de bobinados para transformadores los cilíndricos y planos. Los núcleo, con su forma, son los que determinan la elección de uno u otro tipo, salvo que se requieran propiedades especiales, como ser baja capacidad distribuida.
Figura 4.
II-A.
Tipos de Nucleos
Transformador monofásico de columnas
El transformador a columnas posee sus dos bobinados repartidos entre dos columnas del circuito magnético. En la II-A se trata de un transformador monofásico dónde el circuito magnético se cierra por las culatas superior e inferior.
1. Bobinado cilíndrico: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo núcleo. 2. Bobinado plano: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo acorazado. La clasificación más grande que hay de los transformadores es la de su posición de los devanados y estos se clasifican en: 1. Transformadores de devanados separados 2. Transformadores de devanados concéntricos 3. Transformadores de bobinas alternadas.
III-A.
Figura 5.
II-B.
Transformador monofásico a columnas.
Transformador monofásico acorazado
Transformadores de Devanados Separados
El transformador es una maquina estatica que transforma la tension de un circuito ode entrada, llamado primario, a otro de salida, llamado secundario, y que su funcionamiento se basa es las leyes de inducción electromagneticas. La particularidad de esta maquina es que transforma la tension elevandola o reduciendola, alterando los parametros V e I, pero sin alterar la potencia. El principio de funcionamiento es muy simple. A uno de los devanados se le aplica una tensión que produce una corriente, que a su vez origina un flujo magnético en el núcleo. Ese flujo magnético inducirá tensiones en los devanados primario y secundario. La relación de espiras de cada devanado(N1, N2) fijara la relación entre la tensión de entrada y salida.
El transformador acorazado se caracteriza por tener dos columnas exteriores, por las que se cierra el circuito magnético, estas dos columnas no poseen ningún devanado. En los Transformadores monofásicos el devanado primario y secundario se agrupan en la columna central y el transformador tiene tres columnas en total.
N1 N 1 × I1 = −N 2 × I2; N 2 = de transformacion
Figura 6.
Figura 7.
Transformador monofásico acorazado.
V1 V2
=
I2 I1
= m o en relacion
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III-B.
Transformadores de Devanados Concéntricos
Figura 8. Esquema físico de un Transformador con devanados concéntricos.
III-C.
Transformadores de Bobinas Alternadas
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. IV-B.
Figura 9.
. Esquema físico de un Transformador con bobinas alternadas.
IV.
TIPOS DE CHAPAS
El acero eléctrico, también llamado acero magnético, acero al silicio, o acero para transformadores, es un acero especial fabricado para poseer determinadas propiedades magnéticas, tales como una zona de histéresis pequeña (poca disipación de energía por ciclo), que equivale a bajas pérdidas en el núcleo y una alta permeabilidad magnética. El material se fabrica habitualmente en forma de chapas laminadas en frío de 2 mm de espesor o menos. Estas chapas se apilan y una vez reunidas, forman los núcleos de transformadores o deestatores y rotores de motores eléctricos. Las láminas se pueden cortar a su forma final mediante troquelado; para cantidades pequeñas, el material se puede cortar con láser o por electroerosión
Figura 10.
IV-A.
Caracteristicas 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
La Chapa Magnética Normal
Se lamina en caliente. Aunque ahora la llamada chapa magnética de grano orientado o laminada en frío (ésta normalmente tiene una menor proporción de silicio, y su acero es más puro). Los cristales de las chapas laminadas en frío tienden a orientarse, mejorando las características magnéticas del material, consiguiéndose unos altos valores de permeabilidad magnética. Además en campos alternativos, las pérdidas son mínimas. V.
FORMAS Y TAMAÑOS NORMALIZADOS R EFERENCIAS
[1] www.nichese.com/trans-trif.htm [2] BOYLESTAD Robert. L, Análisis Introductorio de Circuitos, Editorial Prentice Hall, México 1998. Pág. 1032-1037, 1041-1056. [3] CHAPMAN Stephen, Máquinas Eléctricas, 3ra Edición, Editorial Nomos S.A. Pág. 61- 70l [4] http://zeus.dci.ubiobio.cl/electricidad/transformadores/transformador_monofasico.htm [5] http://zeus.dci.ubiobio.cl/electricidad/transformadores/constitu.htm [6] http://www.unicrom.com/Tut_transformador.asp [7] Ref: Francisco L. Singer, Transformadores Industriales, Neotécnica, Buenos Aires 1976.
