UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA DE CUENCA MAQUINAS ELCTRICAS
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DISEO DE TRANSFORMADORES MONOFSICOSBryan Salvatierra Cneppa
AbstractThis document explain the design of singlephase
transformers by way of core, a winding and forms of laminations.
Index Terms core, winding, laminations.
I. INTRODUCTION
L
os transformadores monofsicos, tanto de columnas como
acorazados, se usan en distribucin de energa elctrica, por ejemplo
para reducir, en lneas de MT de 13,2 kV a BT, 220V. Se los suele
encontrar, de pequea potencia en soportes de lneas elctricas
rurales. Tambin se los encuentra, en potencias altas, para
constituir bancos trifsicos, con tres de ellos, en sistemas de
distribucin Ejemplos: 10 kVA; 13200/220 V.
Una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario
circulara una corriente por el primario, producindose de ese modo
el campo magntico dentro del ncleo de hierro. Este campo magntico
variable originar por las leyes de induccin magntica un voltaje en
este devanado las espiras del secundario. El sistema magntico estar
formado por dos bobinas (una de primario y otra de secundario)
arrolladas sobre un carrete y un ncleo ferromagntico formado por
chapas magnticas que permitir que el flujo comn a ambas bobinas
enlace magnticamente los circuitos de primario y secundario.
Propiedades de materiales conductors
II. MARCO TERICO Un transformador es un dispositivo que
transforma la energa elctrica de un nivel de tensin y corriente a
otro nivel de tensin y corriente mediante la accin de un campo
magntico. Un transformador elemental consiste de un ncleo de hierro
laminado sobre el cual se envuelve una bobina de alambre aislado.
El ncleo se compone de placas o lminas de acero de silicio, pues la
inversin constante del flujo de la corriente alterna produce
contra-corrientes en un ncleo de hierro macizo. Por lo tanto, si se
empleara un ncleo de hierro macizo, se producira un recalentamiento
en el transformador. El laminado tiende a quebrar dichas
contracorrientes. En cuanto al funcionamiento del transformador, si
se le aplica
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A. POR FORMA DEL NCLEO TRANSFORMADORES MONOFSICOS DE COLUMNAS El
transformador a columnas posee sus dos bobinados repartidos entre
dos columnas del circuito magntico. En la figura se trata de un
transformador monofsico dnde el circuito magntico se cierra por las
culatas superior e inferior. En los ncleos magnticos de los
transformadores tipo columna se distinguen dos partes principales:
"las columnas" o piernas y los yugos". En las columnas se alojan
los devanados y los yugos unen entre si a las columnas para cerrar
el circuito magntico. Debido a que las bobinas se deben montar bajo
un cierto procedimiento y desmontar cuando sea necesario por
trabajos de mantenimiento, los ncleos que cierran el circuito
magntico, terminar al mismo nivel en la parte que est en contacto
con los yugos, o bien con salientes, en ambos casos los ncleos se
arman con "juegos" de laminaciones para columnas y yugos que se
arman por capas de arreglos "pares" e "impares". Cuando se han
armado los niveles a base de juegos de laminaciones colocadas en
"pares" e "impares" el ncleo se sujeta usando tornillos opresores y
separa por medio de los tornillos tensores. En cuanto a los Yugos,
se refiere, no estando vinculados estos con los devanados, pueden
ser, entonces, rectangulares, aun cuando pueden tener tambin
escalones para mejorar el enfriamiento. Este tipo de ncleo se
representa en la siguiente figura, indicando el corte A-1 la seccin
transversal que se designa con S (cm2). Este ncleo no es macizo,
sino que est formado por un paquete de chapas superpuestas, y
aisladas elctricamente entre s. Para colocarlas y poder ubicar el
bobinado terminado alrededor del ncleo, se construyen cortadas,
colocando alternadamente una seccin U con una seccin I. La capa
siguiente superior cambia la posicin I con respecto a la U.
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TRANSFORMADORES MONOFSICOS ACORAZADO El transformador acorazado
se caracteriza por tener dos columnas exteriores, por las que se
cierra el circuito magntico, estas dos columnas no poseen ningn
devanado. En los Transformadores monofsicos el devanado primario y
secundario se agrupan en la columna central y el transformador
tiene tres columnas en total. Este tipo de ncleo acorazado, tiene
la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la
dispersin magntica, su uso es ms comn en los transformadores
monofsicos. En el ncleo acorazado, los devanados se localizan sobre
la columna central, y cuando se trata de transformadores pequeos,
las laminaciones se hacen en troqueles. Las formas de construccin
pueden ser distintas y varan de acuerdo con la potencia. Obsrvese
que las lneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual
se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2
costados, de manera que todo el contorno exterior del ncleo puede
tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas
laterales como tambin para las 2 cabezas. Para armar el ncleo
acorazado tambin se lo construye en trozos, unos en forma de E y
otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las
juntas coincidan.
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El hecho que los ncleos sean hechos en dos trozos, hace que
aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden
perfectamente, quedando una pequea luz que llamaremos entrehierro.
Obsrvese que en el tipo ncleo hay dos entrehierros en el recorrido
de las fuerzas, y que el acorazado tambin, porque los dos laterales
son atravesados por la mitad de lneas cada uno.
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Devanados en baja tensin.- Son aquellos que trabajan en baja
tensin estn constituidos de dos o tres capas sobrepuestas de
espiras, estas espiras estn encerradas entre s por papel o ms
habitualmente se usan cables esmaltados. Disposicin de los
devanados. En el transformador los devanados deben estar colocados
de manera que se encuentren bien aislados y que eviten en todo lo
posible la difusin del flujo. Esto se logra de mejor manera cuando
existe un buen alejamiento entre las espiras de la bobina y
ubicando al primario lo ms cerca posible del secundario. Para
alcanzar estos requerimientos tenemos estos tres tipos de
disposicin de devanados: El devanado concntrico simple, donde cada
uno de los devanados est distribuido a lo largo de toda la columna
del ncleo, el devanado de tensin ms baja se encuentra en la parte
interna, ms cerca del ncleo y aislado de este, mientras que el de
tensin ms elevada, sobrepuesto a este pero debidamente aislados. En
el devanado tipo alternado, cada uno de los dos devanados est
subdividido en cierto nmero de bobinas que estn dispuestas en las
columnas en forma alternada. El devanado concntrico doble, es aquel
que se consigue cuando el devanado de menor tensin se divide en dos
mitades dispuestas correspondientemente al interior y al exterior
uno de otro. Esta configuracin de devanado tiene la ventaja de que
el valor de la reactancia de dispersin es la mitad del valor de la
reactancia de dispersin que produce el concntrico simple, mientras
que el tipo alternado, en cambio, permite variar tales reactancias,
repartiendo en forma distinta las posiciones de las bobinas de los
dos devanados.
B. POR FORMA DE DEVANADO La forma de los devanados en los
transformadores dependen en parte del nivel de voltaje que manejan
consiguindolos clasificar en devanados de baja y alta tensin, la
razn principal por la que los hemos clasificado los devanados de
esta manera es porque los razones que se toman en clculo al momento
del diseo de los devanados en baja tensin son diferentes a los
usados en el diseo de los devanados de alta tensin. Devanados en
alta tensin.- Los transformadores de alta tensin son usados
especialmente en lneas de distribucin en el cual ingresa 22000V al
primario y se obtiene 220V al secundario, donde se puede prestar
atencin una gran contradiccin de tensiones razn por la cual los
criterios de diseo son diferentes a los usados en los
transformadores de baja tensin. Estos tienen muchas ms espiras que
los devanados de baja tensin. Son compuesto de dos maneras: la
primera se conoce como tipo bobina y est formado de varias capas de
cable, estas bobinas tienen forma discoidal y se conectan en serie
para obtener el total de espiras de una fase; la segunda forma de
construccin es la de capas, que es una sola bobina con varias
capas, la longitud de esta bobina es similar a las varias bobinas
discoidales precisas para transigir el devanado equivalente, por lo
normal, el nmero de espiras por capa en este tipo de devanado; es
principal al constituido de varias bobinas discoidales.
Aislamiento externo de los devanados. Los devanados primario y
secundario, deben estar aislados entre si, generalmente este
aislamientos de por medio de separadores de madera, baquelita o
materiales aislantes similares que adems cumplan con funciones
refrigerantes. Sistema de amarre axial de los devanados mediante
tornillos opuestos de presin. El aislamiento entre lascase de los
transformadores trifsicos se efecta separando convenientemente las
columnas, entre las cuales se interponen algunas veces separadores
o diafragmas de cartn tratado o bien de baquelita.
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El aislamiento externo entre las fases, se logra por medio de las
boquillas a las que se conectan las terminales de los devanados.
CHAPAS MAGNTICAS Los ncleos de los transformadores estn construidos
de chapas ferromagnticas elctricamente aisladas entre s, lo que nos
sirve para contrarrestar el efecto de las corrientes parsitas,
disminuyendo en consecuencia las prdidas. La chapa suele estar
constituida por una aleacin de acero y silicio (ste entre
cantidades del 3% - 5%). La misin del silicio es la disminuir las
prdidas por histresis y la de evitar el envejecimiento en el ncleo.
La chapa magntica normal se lamina en caliente. Aunque ahora la
llamada chapa magntica de grano orientado o laminada en fro (sta
normalmente tiene una menor proporcin de silicio, y su acero es ms
puro). Los cristales de las chapas laminadas en fro tienden a
orientarse, mejorando las caractersticas magnticas del material,
consiguindose unos altos valores de permeabilidad magntica. Adems
en campos alternativos, las prdidas son mnimas. Actualmente, en la
fabricacin de transformadores, se emplea, casi de forma exclusiva,
la chapa magntica de grano orientado. El espesor de las chapas es
de unos 35 mm. Las prdidas en el ncleo suelen darse en vatios por
kilo de material, refirindose en la mayor parte de los casos a 1
Tesla, o a 1,5 Teslas. Los transformadores de chapa magntica
ordinaria, suelen tener unas prdidas de entre 0,8 y 1,3 W/Kg (1 T).
La chapa de grano orientado tiene unos valores referidos a 1 T de
entre 0,4 y 05 W/Kg, mientras que a 1,5 T son del orden de 1 a 1,2
W/Kg. La chapa de grano orientado nos da por tanto la oportunidad
de reducir las prdidas en el ncleo, o de reducir peso (dado que las
prdidas sern menores, no necesitaremos tanto material en el ncleo),
o bien conseguir relativamente los dos objetivos a la vez.[1]
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Tabla de propiedades de tipos de chapas magnticas
A continuacin se presenta una tabla en donde se indica las
propiedades de algunos materiales aislantes.
REFERENCESAdministrador, TRANSFORMADORES [2] Administrador,
Transformadores elctricos [3] Administrador, Construya su propio
transformador <
http://www.mimecanicapopular.com/verhaga.php?n=18> [4] Escuela
superior de ingenieros de San Sebastin, Diseo y fabricacin de un
transformador monofsico <
tecnun.es/asignaturas/SistElec/Practicas/Trabajo_09_10.pdf> [5]
Administrador, Transformadores [6] Administrador, Transformadores
< html.rincondelvago.com/transformadores_5.html> [7]
Administrador, Transformadores elctricos <
html.rincondelvago.com/transformadores.html> [8] Administrador,
Transformadores Trifsicos
El aislamiento de las chapas magnticas puede ser de varios
tipos. En general, antes se usaba el papel, que se pegaba en las
caras de la chapa. Ms tarde se uso barniz (silicato sdico).
Actualmente, las chapas de grano orientado llevan un tratamiento
termoqumico especial (carlite), que proporciona el aislamiento
necesario. Es de una especial mencin el llamado factor de relleno,
que es el cociente entre la seccin de hierro y la del ncleo en
total. Factores de relleno en ncleos para transformadores (chapas
de 035 mm): Papel (una cara) . . . . . . . . . . . .0,88 Silicato
de sodio (una cara). . . .0,90 Carlite (dos caras) . . . . . . . .
.0,95 097