Transformadores.

Transformadores.


Definición
El transformador es un aparato estático [2], de inducción electromagnética, destinado a transformar un sistema de corrientes alternas en uno o más sistemas de corrientes alternas de igual frecuencia y de intensidad y tensión generalmente diferentes.
Un transformador en servicio en un sistema eléctrico, tiene ciertas características nominales que han sido en parte fijadas por el usuario, y en parte adoptadas por el proyectista.

Estas características que son objeto de garantías se comprueban en ensayos.
Condiciones normales de servicio
Las normas fijan condiciones normales de servicio, a saber:
· Altitud de la instalación (hasta 1000 metros sobre el nivel del mar)
· Temperatura del refrigerante, por ejemplo para aparatos refrigerados por aire, la temperatura del aire ambiente no debe exceder los 40 °C.
Además en las normas se fijan temperaturas mínimas del aire y valores promedios diarios y anuales que, si se previese excederlos, es indispensable indicarlos claramente a nivel de especificación.

Los transformadores se identifican con una sigla que define el modo y el medio de refrigeración utilizado.
Los transformadores pueden ser sumergidos en aceite mineral, sintético u otro líquido refrigerante, o ser de tipo seco.
Los primeros son aquellos cuyas partes activas, estén o no aisladas y eventualmente impregnadas, están inmersas en aceite u otro líquido dieléctrico. La aislación se realiza con materiales pertenecientes a la clase A (105 °C).

Principio de funcionamiento.
Para entender el funcionamiento de un transformador real [3], refirámonos a la figura 1.7. Esta nos muestra un transformador que consiste en dos bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo del transformador. La bobina primaria del transformador está conectada a una fuente de fuerza de CA y la bobina secundaria está en circuito abierto. La curva de histéresis del transformador se ilustra en la figura 1.8.

Figura 1.7: Transformador real sin carga conectada al secundario.
La base del funcionamiento del transformador se puede derivar de la ley de Faraday
eent = dl / dt
En donde l es el flujo magnético ligado de la bobina, a través de la cual el voltaje se induce. El flujo ligado total l es la suma de los flujos que pasan por cada vuelta de la bobina, sumando tantas veces cuantas vueltas tenga dicha bobina: l = å f i
El flujo magnético total que pasa por entre una bobina no es sólo Nf , en donde N es el número de espiras en la bobina, puesto que el flujo que pasa por entre cada espira es ligeramente diferente del flujo en las otras vueltas, y depende de la posición de cada una de ellas en la bobina.
Sin embargo, es posible definir un flujo promedio por espira en la bobina. Si el flujo magnético total de todas las espiras es l y si hay N espiras, entonces el flujo promedio por espira se establece por: f = l / N

Figura 1.8: Curva de histéresis del transformador.
Y la ley de Faraday se puede escribir: eent = N df / dt
La relación de voltaje a través de un transformador
Si el voltaje de la fuente en la figura es vp(t), entonces ese voltaje se aplica directamente a través de las espiras de la bobina primaria del transformador. ¿Cómo reaccionará el transformador a la aplicación de este voltaje? La ley de Faraday nos explica que es lo que pasará. Cuando la ecuación anterior se resuelve para el flujo promedio presente en la bobina primaria del transformador, el resultado es: f = (1/NP) ò vp(t) dt
Esta ecuación establece que el flujo promedio en la bobina es proporcional a la integral del voltaje aplicado a la bobina y la constante de proporcionalidad es la recíproca del número de espiras en la bobina primaria 1/NP.

Este flujo está presente en la bobina primaria del transformador. ¿Qué efecto tiene este flujo sobre la bobina secundaria? El efecto depende de cuánto del flujo alcanza a la bobina secundaria; algunas de las líneas del flujo dejan el hierro del núcleo y mas bien pasan a través del aire. La porción del flujo que va a través de una de las bobinas, pero no de la otra se llama flujo de dispersión. El flujo en la bobina primaria del transformador, puede así, dividirse en dos componentes: un flujo mutuo, que permanece en el núcleo y conecta las dos bobinas y un pequeño flujo de dispersión, que pasa a través de la bobina primaria pero regresa a través del aire, desviándose de la bobina secundaria.

f P = f M + f LP, en donde: 
f P = flujo promedio total del primario.
f M = componente del flujo de enlace entre las bobinas primaria y secundaria.
f LP = flujo de dispersión del primario.

Hay una división similar del flujo en la bobina secundaria entre el flujo mutuo y el flujo de dispersión que pasa a través de la bobina secundaria pero regresa a través del aire, desviándose de la bobina primariaf S = f M + f LS, en donde: 
f S = flujo promedio total del secundario.
f M = componente del flujo para enlazar entre las bobinas primaria y secundaria.
f LS = flujo de dispersión del secundario.
Con la división del flujo primario promedio entre los componentes mutuos y de dispersión, la ley de Faraday para el circuito primario puede ser reformulada como:
vP(t) = NP df P / dt = NP df M / dt + NP df LP / dt
El primer término de esta expresión puede denominarse eP(t) y el segundo eLP(t). Si esto se hace, entonces la ecuación anterior se puede escribir así: vP (t) = eP (t) + eLP (t)
El voltaje sobre la bobina secundaria del transformador, puede expresarse también en términos de la ley de Faraday como:
VS(t) = NS df S / dt = NS dfM / dt + NS dfLS / dt= eS(t) + eLS(t)
El voltaje primario, debido al flujo mutuo, se establece por: eP (t) = NP df M / dt
y el voltaje secundario debido al flujo mutuo por: eS (t) = NS df M / dt
Obsérvese de estas dos relaciones que eP (t) / NP = df M / dt = eS (t) / NS
Por consiguiente, eP (t) / eS (t) = NP / NS = a
Esta ecuación significa que la relación entre el voltaje primario, causado por el flujo mutuo, y el voltaje secundario, causado también por el flujo mutuo, es igual a la relación de espiras del transformador. Puesto que en un transformador bien diseñado f M » f LP y f M » f LS, la relación del voltaje total en el primario y el voltaje total en el secundario es aproximadamente: vP (t) / vS (t) » NP / NS = a
Cuanto más pequeños son los flujos dispersos del transformador, tanto más se aproxima la relación de su voltaje total al transformador ideal.
Conclusiones y recomendaciones.

Las máquinas eléctricas son de suma importancia en la actualidad, debido a las diferentes aplicaciones industriales a los que son sometidas, por ello es de necesidad primordial, el conocimiento detallado de su principio de funcionamiento y se deben tomar en cuenta todas las fallas que se presentan para el correcto funcionamiento de los mismos.

El objetivo de este informe es, el de presentar de una manera un poco resumida, la clasificación de las máquinas eléctricas, el comportamiento de cada una según la clasificación dada y de dar a conocer algunas aplicaciones de estas.

Se recomienda en caso de interés sobre el tema, el abundar más, consultando más fuentes bibliográficas, porque el tema es muy amplio, y es prácticamente imposible tratarlo completo y detalladamente.