Transformadores Eléctricos

Transformadores Monofásicos (MF)

Máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía eléctrica, modificando valores de tensión y corriente para la misma frecuencia.

Tipos Comunes de Transformadores:

• Transformador de distribución
• Transformador de medición
• Transformador de potencia

Funcionamiento

Consta de dos devanados aislados eléctricamente entre sí. Estos están en contacto por medio de un núcleo. Se le aplica tensión al bobinado primario, lo cual hace circular una corriente (Io). Esta produce un flujo magnético que se cierra casi en su totalidad. Dentro de cada bobinado, el flujo magnético varía de forma senoidal e induce una fuerza electromotriz (FEM), lo mismo ocurre para el bobinado secundario.

La FEM inducida es proporcional a:

• Frecuencia
• Área (de la sección transversal del núcleo)
• Flujo máximo

Conceptos Clave en Transformadores

• Reactancia de dispersión: Es el flujo magnético que no es concatenado por el secundario y se dispersa al medio. Limita las corrientes de cortocircuito (ICC).
• Polaridad: Define el sentido relativo de la fuerza electromotriz (FEM) inducida en cada devanado.
• Inductancia: Relación entre el cambio de flujo magnético en la bobina y el cambio de corriente (I).
• Regulación del transformador: Relación entre la tensión generada para un estado de carga y la tensión secundaria (U2) en carga.
• Pcc (Potencia de Cortocircuito): Potencia de entrada del secundario cuando este está en cortocircuito.
• Ucc (Tensión de Cortocircuito): Tensión primaria que hace circular una corriente nominal (In) cuando el secundario está en cortocircuito.

Ensayos de Transformadores

• Ensayo en Vacío: Permite hallar los parámetros de la rama de excitación. El secundario está en vacío y el transformador se alimenta a frecuencia nominal (fn) y tensión nominal (Un).
• Ensayo en Cortocircuito: Determina el valor de las reactancias. El transformador trabaja a corriente nominal (In).

Transformadores Trifásicos (3F)

Desfasaje angular: Indica el retraso del fasor de tensión primaria con respecto al fasor de tensión secundaria (U2).

Conexión en Paralelo de Transformadores

Permite entregar más potencia a igual tensión.

Se conectan en paralelo los devanados primarios entre sí y en paralelo los secundarios.

Condiciones para Conexión en Paralelo

Conexión Monofásica:

1. Igual frecuencia nominal (Fn)
2. Igual relación de transformación (A)
3. Igual polaridad

Condiciones Deseadas (para una distribución de carga óptima):

1. Igual tensión de cortocircuito (Ucc)

Conexión Trifásica:

Condiciones Deseadas:

1. Igual grupo de conexión

Además, se debe verificar:

1. Frecuencia nominal (Fn) de sus placas
2. Relación de transformación (A)
3. Polaridad

Transformadores de Medición

Transformadores en los cuales la magnitud eléctrica a medir se refleja con exactitud en el secundario. Sirven para reducir tensiones, consumos y pérdidas.

Prestación: Potencia aparente máxima (Smax) que entregan sin que los errores adquieran valores significativos.

Tipos de Transformadores de Medición:

• Transformador de Intensidad (TI):
  • Se conecta el secundario en cortocircuito (CC).
  • Tipo de primer bobinado.
  • De barra pasante.
• Transformador de Tensión (TT):
  • El secundario trabaja en vacío.

Motores Eléctricos

Motor Asíncrono Trifásico: Funcionamiento

• Campo rotante: La circulación de corrientes desfasadas en el tiempo por bobinas desfasadas en el espacio genera un campo rotante.
• Velocidad sincrónica: Velocidad de giro del campo rotante.

Existe una espira inmersa en el seno de un campo magnético rotante. El giro del campo induce una corriente eléctrica (I) en la espira. Esta, al estar dentro de un campo, experimenta una fuerza que la hace mover en el mismo sentido que el campo rotante, por lo que el rotor gira.

• Deslizamiento (s): Diferencia de velocidad entre el campo rotante y el rotor.

Durante el arranque, el deslizamiento (s) es igual a uno (s=1) y la corriente absorbida (Iabs) es la máxima, por lo que consume de 4 a 10 veces la corriente nominal.

Si el rotor permite variar la resistencia R2, puede variar la cupla (par).

Las corrientes rotóricas y estatóricas dependen del estado de carga mecánica.

Inversión de marcha: Al combinar la secuencia de alimentación, se invierte el sentido de giro del campo rotante y, por ende, el sentido de la cupla (par).

Métodos de Arranque de Motores Asíncronos Trifásicos

Se necesita considerar:

• Corriente absorbida (Iabs) de la red
• Cupla (par) que se aplicará

• Arranque Directo: El motor se conecta directamente a la red a través de un contactor y un elemento de protección contra sobrecargas y cortocircuitos. La corriente de arranque (Ii) suele ser de 5 a 10 veces la nominal.
• Arranque Estrella-Triángulo (Y-Δ): Conecta el bobinado estatórico primero en estrella (Y). Una vez que el motor alcanza una velocidad de equilibrio dinámico, se lo conmuta, por medio de una llave conmutadora, a triángulo (Δ). Este método es aplicable a motores diseñados para conexión en triángulo a tensión nominal. Con este método, la corriente de arranque disminuye un 57.7% (1/√3) y la cupla (par) de arranque disminuye un 33.3% (1/3). No es apto para motores con alta cupla resistente en el arranque. La conmutación puede ser manual o automática.
• Arranque con Autotransformador
• Arranque con Resistencia en el Rotor

Motor Asíncrono Monofásico

• Teoría del Doble Campo Giratorio: El motor genera un campo magnético alternativo de dirección fija pero de magnitud variable. Si a una bobina se le aplica una corriente senoidal, en el circuito magnético se producirá un campo alterno.
• Teorema de Leblanc: Un campo alterno se descompone en dos campos rotantes iguales de sentido opuesto de giro, cada uno de la mitad del valor máximo del original.

Características:

• La cupla (par) de arranque es nula, por lo que necesitan un mecanismo auxiliar para arrancar.
• El motor se comporta igual en ambos sentidos de giro.
• La cupla (par) se anula antes del sincronismo, resultando en una velocidad de régimen menor que la de los motores trifásicos.
• Cuando se lo trata de llevar a la velocidad de sincronismo, una fuerza se opone.

Inversión de Marcha:

Se necesita cambiar el sentido de rotación del campo magnético, para lo cual se debe invertir la conexión de uno de los dos bobinados. Esto implica que se deben modificar las conexiones internas del devanado del estator.

Métodos de Arranque de Motores Asíncronos Monofásicos

• Motor con Arranque por Bobina Auxiliar en Cortocircuito (Espira de Sombra):

  Es el más elemental y económico. Tiene el inconveniente de que el par desarrollado durante el arranque es bajo, pero suficiente para hacer arrancar al motor en vacío. Se lo emplea cuando deben ponerse en marcha cargas que no requieren de una cupla (par) apreciable durante el arranque, como el caso de pequeños ventiladores de uso doméstico.

  La bobina auxiliar en cortocircuito, junto con el polo, genera un campo rotante adicional a los dos campos naturales del motor, con el cual se logra una cupla (par) capaz de vencer la inercia del rotor y hacerlo mover.

  El sentido de giro depende de la posición de la bobina en cortocircuito con relación al eje del polo.
  La variación de velocidad de giro de estos motores se logra por medio de reactores en serie con el devanado estatórico, lo que hace que la tensión aplicada sea menor.

• Motor de Fase Partida:

  Este tipo de motores poseen un bobinado principal y uno auxiliar.

  Cuando el motor está detenido, el bobinado principal y el auxiliar están en paralelo. La corriente del bobinado principal genera un campo magnético. La corriente del bobinado auxiliar genera otro campo magnético, desplazado 90° en el espacio y desfasado un determinado ángulo en el tiempo. Una vez que el rotor empieza a girar y llega a una velocidad determinada, un interruptor centrífugo desconecta el bobinado auxiliar.

  Es importante notar que la corriente del bobinado principal está bastante desfasada respecto a la del devanado auxiliar. Este desfasaje es proporcional a la relación entre la reactancia y la resistencia de ambos arrollamientos.
  Este tipo de arranque se emplea mucho en motores del orden de los 2 CV. Para algunas aplicaciones, el interruptor actúa por corriente y no por velocidad.

• Motor con Arranque por Fase Partida y Capacitor Transitorio:

  Considere el circuito eléctrico del motor con arranque por fase partida. Si se conecta un capacitor en serie con el devanado auxiliar, se modifica la reactancia del circuito auxiliar. Como consecuencia, se logra un desfasaje angular más pronunciado entre la corriente de ambos devanados. Este tipo de arranque logra cuplas (pares) de arranque mucho mayores que las del caso anterior.

  El motor requiere un capacitor con una capacidad tal que permita desfasar la corriente auxiliar lo suficiente para lograr un ángulo de valor próximo a los 90°.

• Motor con Arranque por Fase Partida y Capacitor Permanente:

  Sobre la base del método de arranque anterior, se puede diseñar un motor que mantenga de forma constante conectado el circuito auxiliar con el capacitor en serie. En tal caso, se puede lograr que el campo auxiliar y el principal sean de igual valor absoluto y, además, como su desfasaje es de 90° en el espacio, se puede lograr un campo bifásico si el desfasaje de las corrientes es también de 90° en el tiempo.
  La curva par-velocidad es similar a la de un motor trifásico. Su funcionamiento es simple y silencioso.
  Si por alguna falla en el capacitor, este se cortocircuita, el motor no podrá arrancar.