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Técnico en Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

A I C N A T S I D A L A N O I S E F O R P N ‡ I C A M R O F

9

d a d i n U

Transformadores

MÓDULO Electrotecnia

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Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: ELECTROTECNIA Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Romualdo Pérez Fernández

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Sofía Ardura Gancedo Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: ISBN: 84-690-1473-0 Depósito Legal: Legal: AS-0593-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”.















9 Transformadores

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Sumario general

Objetivos ............................................................... ............................... ............................................................... ...............................

4

Conocimientos ............................................................. .............................. ......................................................... ..........................

5

Introducción...........................................................................................

6

Contenidos generales ................................................................ .............................. ............................................... .............

6

Transformadores monofásicos de potencia................................. potencia ........................................... ..........

7

Transformadores trifásicos de potencia.............................................. potencia............. .................................... ... 22 Aspectos constructivos. Refrigeración y protecciones........................... protecciones ........................... 30 Transformadores especiales...................................................... especiales................... ............................................... ............ 36 Resumen de contenidos ............................................................. ............................. ............................................ ............ 43 Autoevalución........................................................................................

45

Respuestas de actividades ................................................................ ................................ ...................................... ...... 48 Respuestas de autoevaluación ................................................................ ................................ ................................ 51 Anexos ........................................................... ............................ .............................................................. ........................................ ......... 56

















Módulo: Electrotecnia



Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M



Entender el principio de funcionamiento de un transformador.



Diferenciar un transformador real del ideal.



Describir las características funcionales de los transformadores.



Obtener a partir de los ensayos normalizados, las características de los transformadores.



Adaptar las características de los transformadores monofásicos, a los trifásicos.



Diferenciar los transformadores en función de su sistema de refrigeración.



Diferenciar entre transformadores de potencia, de medida y de protección.















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Conocimientos que deberías adquirir CONCEPTOS S • Relación de transformación. • Relación de transformación nominal. • Pérdidas en el hierro y en el cobre. • Rendimiento del transformador. • Caída de tensión interna. • ‹ndice de carga, horario y grupo de conexión. • Medida indirecta. • Intensidad de defecto. • Contacto indirecto.

ITUACIONESS PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS

• Realización del conexionado en estrella y en triángulo de los devanados de un transformador trifásico. • Realización, con precisión y seguridad, del conexionado para la realización de enensayos, con especial atención al ensayo de cortocircuito. • Explicación, a partir de las lecturas de los aparatos de medida, de las características de los transformadores.

ACTITUDES S • Cumplir la normativa de seguridad de los laboratorios donde se realizan los ensayos.




















Introducción

Cuando nos referimos a un transformador, implícitamente lo hacemos a un transformador de potencia, que es el que se emplea en el transporte y distribución de energía eléctrica, desde las centrales hasta los puntos de utilización.

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o i c a l a t s n I e d o t n e i m i n e t n a M

Gracias a esta ≈máquina eléctrica estática∆, es viable transportar la energía eléctrica con pérdidas económicas y energéticas mínimas. En las instalaciones eléctricas de BT, muchos relés y controladores para automatismos de refrigeración, climatización, etc., funcionan a 12 ó 24 V/ 50 Hz, con lo que queda claro la necesidad de transformadores. Además de para transporte y adaptación de tensiones, los transformadores también se pueden utilizar para realizar medidas de intensidad y tensión y para proteger a las personas en las instalaciones eléctricas. Los fenómenos físicos que explican el funcionamiento de los transformadores ya los estudiaste en la unidad didáctica 4 Fenómenos Electromagnéticos , conviene que la repases antes de abordar ésta que te presentamos a continuación. ≈

∆ ∆

Contenidos generales

En esta unidad estudiaremos los transformadores de potencia tanto monofásicos como trifásicos, los transformadores de medida y los de protección.

















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Transformadores monofásicos de potencia Como ya hemos comentado anteriormente, los transformadores de potencia se utilizan para el transporte y distribución de energía eléctrica. Normalmente estos transformadores son trifásicos, restringiéndose el uso de los monofásicos a las instalaciones de BT. No obstante el estudio debe de comenzarse por los monofásicos, puesto que los trifásicos son casi idénticos desde el punto de vista funcional, con las adaptaciones propias a conceptos trifásicos. En argot electrotécnico, es habitual emplear el diminutivo ≈trafo∆ para referirse a un transformador, por lo que en esta unidad encontrarás indistintamente los términos ≈trafo∆ o ≈transformador∆.

Un transformador es una máquina eléctrica estática capaz de transformar la energía eléctrica absorbida de la red, en energía eléctrica con otras características de tensión y de intensidad, que el propio trafo suministrará a la carga a la que esté alimentando. Esta carga puede ser desde un receptor eléctrico simple hasta una instalación eléctrica eléctrica industrial. 

Desde el punto de vista •

es el lado del trafo que se conecta a la red de alimentación.

•

es el lado del tra-

el trafo se divide en dos partes:






















El transformador ideal. Principio de funcionamiento Si has repasado la

de la unidad didáctica 4 Fenóme- nos Electromagnéticos habrás reconocido en la imagen anterior un transformador elemental formado por dos bobinas y un núcleo ferromagnético. El flujo será alterno e igual para ambas bobinas, por tanto la fuerza electromotriz inducida (f.e.m.) en ellas dependerá solamente de su número de espiras (siempre tendrá más f.e.m. la bobina de mayor número de espiras). ≈

∆ ∆

Resulta entonces:

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o

F.e.m. (bobina 1 ª ) E1 N1 = = F.e.m. (bobina 2 ª ) E2 N2

Si consideramos un trafo ideal podemos obtener conclusiones muy útiles, pero ∂qué es un trafo ideal? Aquel que se comporta de forma perfecta y que obviamente, no existe en realidad. Las características de un trafo ideal son las siguientes: 

Los devanados (bobinas) al paso de la corriente, por tanto no hay calentamientos por efecto Joule (pérdidas en el cobre).



El Fe (pérdidas en el Fe).



El núcleo de Fe es mucho mejor conductor magnético que el aire, por tanto casi todo el flujo creado por los devanados circula por el Fe. Sin embargo una pequeña parte llamada , circula por el aire (menos del 1% del Φ en el Fe). En un trafo ideal no hay flujo de dispersión porque se considera al Fe, infinita-

por histéresis ni por corrientes parásitas de Foucault

Fig.2: Flujo de dispersión de un

















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Tenemos entonces:

V1 E1 N1 = = V2 E2 N2 

Puesto que no hay pérdidas, ni en el cobre de los devanados ni en el Fe, toda la potencia absorbida de la red por el primario es la que suministra el secundario a la carga (V1 x I1=V2 x I2). Por tanto tenemos:

S1 = S 2 →

V1 × I1 = V2 × I2 →

V1 I2 = V2 I1

Estas conclusiones son la clave para entender el funcionamiento de los transformadores. La relación entre las tensiones es la misma que entre las espiras de los devanados y se llama la relación entre las corrientes es la inversa de la rt. Por tanto:

V1 N1 I = = rt = 2 V2 N2 I1 En función de la rt los transformadores se pueden clasificar en reductores o elevadores de la tensión: 

Si N1 > N2



entonces rt > 1



V1 > V2

 trafo

reductor.



Si N1 < N2



entonces rt < 1



V1 < V2

 trafo

elevador.



Si N1 = N2  entonces rt = 1



V1 = V2

 no

hay transformación de tensión.






















∂Tiene

sentido un trafo con N1 = N2? Aparentemente no, pero veremos más adelante que existe una aplicación para un trafo tan peculiar.

Ejemplo

Conectamos el primario de 100 espiras de un transformador, a una toma de tensión doméstica (230 V). 

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y n ó i c a z i t a m i l C , o í r F e d s e n o

∂Qué

tensión se induce en el secundario de 25 espiras? N1 = 100 = 4 N2 25

Puesto que la bobina 2≤ tiene la cuarta parte de espiras, tendrá la cuarta parte tensión.

→ V2 = 

230 V = 57,5 V 4

∂Qué

corrientes circulan si la carga conectada al secundario es una resistencia de 10 Ω? Aplicando la Ley de Ohm a la resistencia: Como:

→ rt =

→ I2 =

V2 57,5 V = = 5,75 A R 10 Ω

I2 I 5,75 A → I1 = 2 = = 1,43 A I1 rt 4

Observa que por el primario circula menos corriente.

















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1

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a

Determina a partir de los siguientes casos la intensidad y/o la tensión que faltan en el transformador, teniendo en cuenta que en los casos 2 y 4 las expresiones 50:1 y 1:10, indican la relación entre el número de espiras de los devanados. Caso 1

Caso 2

20 A 1

2

230 V

1'

?

24 V

trafo

2

?

1000 V

2'

carga

Caso 3

?

trafo 50:1

1'

2'

carga

Caso 4

25 A 1

2

?

5A

500 V

1'

6A 1

trafo

2'

carga

El transformador monofásico real

1

?

2

?

6A

400 V

1'

trafo 1:10

2'

carga





















Estas




son la causa de las siguientes consecuencias:



Como hay pérdidas (calentamientos) en el Fe y en el cobre, el rendimiento del trafo no será del 100 % (en los grandes trafos de potencia el rendimiento oscila entre el 95 y 98 %).



La resistencia de los devanados y el flujo de dispersión originan interna en el trafo. Por este motivo la tensión que el secundario suministra a la carga (V2) es variable y depende de la intensidad y del fdp de la carga.

Vamos a estudiar a continuación las características de los trafos reales.

o Valores nominales r o l a C e d n ó i c c u d o r P y

Como todos los elementos de los circuitos eléctricos, los trafos presentan características nominales fijadas por el fabricante y que son la referencia fundamental a la hora de elegir un transformador. 

es la máxima que el trafo puede absorber de la red por el primario y la máxima que puede ceder a la carga por el secundario. Habitualmente se mide en kVA.



















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o Caída de tensión Observa en la siguiente imagen cómo el secundario se comporta como una fuente de tensión con impedancia interna.

I1

1

Resistencia

V1N

1'

Reactancia que simula el flujo de dispersión

E2

trafo

I2

2

V2
V2

2'

carga

Fig. 4: Justificación de la caída c aída de tensión interna.

Las tensiones en la resistencia y en la reactancia de dispersión originan que V2 < E2, dando lugar a caída de tensión. Esta depende la corriente del secundario y del fdp de la carga. Si el trafo funciona en vacío (sin conectar ninguna carga), no hay intensidad I2 y por tanto tampoco hay caída de tensión interna. La tensión del secundario, coincide con la f.e.m. originada en dicho devanado, y se llama tensión del secundario en vacío (V20).
























En los grandes trafos de potencia la caída de tensión nominal suele ser muy próxima al 5%.

La tensión en el secundario de un trafo es variable y depende del estado de carga del mismo. En vacío esta tensión es la máxima que se puede inducir.

o Estados de carga del trafo

r o l a C e d n ó i c c u d o r P y

Cuando se conecta carga a un trafo en su secundario, esta demanda una determinada potencia que el trafo debe de absorber de la red por el primario y ceder a la carga a través del secundario. Si esta potencia es menor o igual que la nominal del trafo, este funcionará correctamente y si no, se sobrecargará, lo que origina calentamientos excesivos y deterioro del transformador. En función de estas dos magnitudes se define el ≈índice de carga∆ del trafo: 

índice de carga en %.



















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Ejemplo

Un transformador monofásico presenta las siguientes características:   

24 kVA 1.200/400 V 50 Hz

∂Cómo

determinar las corrientes nominales y las corrientes si alimenta a una carga que consume 12 kVA? En cuanto a las corrientes nominales: I1N =

SN 24 kVA = = 20 A ; V1N 1,2 kV

I2N =

SN 24.000 VA = = 60 A V2N 400 V

Estas intensidades circularán por los devanados del trafo cuando la carga absorba 24 kVA. Si la carga necesita del trafo 12 kVA, este funcionará a media carga, con lo que las corrientes serán la mitad de las nominales.
























Si el índice de carga del trafo es inferior al 50 %, la relación anterior no se cumple y el cálculo de las corrientes en el trafo se sale de los objetivos de este curso.

2

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a

Un transformador monofásico presenta las siguientes características nominales:  

10 kVA 5.000/230 V

Tras una medición en vacío se obtienen en el secundario 240 V, cuando se alimenta el primario a la tensión nominal. r o l a C e d n ó i c c u d o r P y

Determinar: La caída de tensión a plena carga carga (en %) del trafo. Las intensidades nominales. Las intensidades, si alimenta a una carga que consume 10 kW





















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Puesto que un transformador presenta pérdidas en el Fe (magnéticas) y en el Cu (efecto Joule), y si P2 es la potencia cedida a la carga, la absorbida por el primario (P1) será: P1 = P2 + PFe + PCu En la siguiente figura podemos ver la gráfica que nos muestra el rendimiento (eje vertical) de un transformador, en función de su estado de carga (eje horizontal) y del factor de potencia de la carga.


























o Ensayo de vacío Este ensayo se realiza con el a y el alimentado a la La I 2 es evidentemente nula y la I1, cuya misión es crear el campo magnético, muy pequeña. En estas condiciones las pérdidas en el cobre son despreciables y la lectura del watímetro serán las pérdidas en el Fe.

1 A V1

I10

I2=0 2

W V1N

V20

V2





















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Para realizar este ensayo necesitamos una fuente de tensión regulable desde de 0 voltios hasta un valor máximo. Esta fuente podría ser: 

Un

(electrónica de potencia).



Un

(transformador de número de espiras variable).

Los pasos para realizar este ensayo son los siguientes: Conectar un voltímetro, amperímetro y watímetro en el primario. Cortocircuitar el secundario sin

.

Conectar la fuente de alimentación al primario con la regulación
























Puesto que por los devanados circulan las corrientes nominales, las en el las (o de plena carga). Las obtenemos de la lectura del watímetro.



son

En resumen: 

=I1N (condición de ensayo).



=VCC (tensión de cortocircuito).



=PCuN (pérdidas en el cobre nominales).

Como puedes ver el ensayo se realiza alimentando con una tensión muy pequeña respecto a la nominal (VCC), lo que consigue que el cortocircuito sea controlado, controlado, ya que las corrientes por los devanados del trafo son las nominales. No hay por tanto ningún riesgo





















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a

Un transformador monofásico presenta las siguientes características nominales:  

8 kVA 400/127 V

Teniendo en cuenta que:


























Transformadores trifásicos de potencia

























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Los devanados, puesto que son trifásicos pueden conectarse en (Y ó y) o en (D ó d). Las conexiones de un trafo pueden adoptar cuatro configuraciones (letra minúscula para el secundario):




























En este caso como el devanado primario está en triángulo y el secundario en estrella, se cumplen las siguientes relaciones entre las corrientes de fase y de línea para cualquier estado de carga del trafo:























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Observa que las fórmulas son idénticas excepto la de la potencia. La única precaución es utilizar en las trifásicas, valores de tensión y corriente


























Índice horario y grupo de conexión El índice horario es una característica exclusiva de los trafos trifásicos para determinar el desfase entre



























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