Transformadores (física) FÍS.

Categoria:

Física

Generalidades. Aparatos eléctricos destinados a transformar la energía eléctrica de una tensión alterna en otra de tensión distinta, superior o inferior, es decir, transformar una corriente eléctrica (v.) sin alterar su potencia más que por las pérdidas debidas a las resistencias del mismo aparato. La finalidad de los mismos tiene, pues, un doble aspecto en el campo de la acomodación de la energía eléctrica: de una parte, en las centrales, donde la tensión de los generadores suele estar comprendida entre 6 y 15 KV, sirven para elevar el voltaje hasta el valor que conviene para una línea de transporte: hasta 220 KV, 380 KV o más; y, de otra, colocados en los centros de consumo, rebajan nuevamente la tensión al valor conveniente, menos peligroso, exigido por los motores, lámparas, etc. junto a este campo de aplicación general de los t., para la adaptación de la energía al voltaje más conveniente, se encuentran otros, innumerables, en los que el t. resuelve o simplifica un problema técnico. Así, se hallan estos aparatos en toda la escala de magnitudes, tanto por lo que se refiere a potencias como a tensiones, empezando por los pequeños t. que intervienen en las instalaciones de comunicación a distancia, donde se trata de cantidades minúsculas de energía con las tensiones de algunos voltios, hasta los grandes t. de 100.000 KVA y más, a través de los cuales circula el suministro de energía requerido por ciudades enteras; o bien, t. de pruebas, donde se inducen tensiones desde algunos centenares de voltios hasta un millón de voltios y más.

Se dividen en dos grandes categorías, según que transformen una corriente alterna en otra también alterna, o una corriente alterna en continua; los primeros son los t. propiamente dichos, pues los de la segunda categoría se conocen más bien como convertidores y rectificadores. Los t. propiamente dichos son carretes de inducción y tienen por objeto elevar la tensión o la intensidad o cambiar el número de fases de la corriente o la frecuencia. Elevan la tensión cuando el número de espiras del primario es inferior al de las del secundario y la rebajan en el caso contrario; y como la intensidad a igualdad de potencia es inversamente proporcional a la tensión, se rebaja y eleva, respectivamente, al mismo tiempo.

Disposición general. Las dos bobinas del t., situadas concéntricamente y muy próximas o intercaladas entre sí, se hallan devanadas sobre el núcleo de hierro, casi siempre de sección escalonada, abrazando ambas prácticamente el mismo flujo magnético, por medio del cual están acopladas inductivamente. Como el flujo desarrollado por la corriente alterna, lo mismo que en una bobina de reactancia, es también alterno, se inducen corrientes no deseadas en el hierro, que implican pérdida de potencia. Al objeto de mantener estas pérdidas en un valor reducido, se forma el núcleo a base de chapas magnéticas, aisladas por una cara con papel o barniz y montadas en planos paralelos a la dirección del flujo. En el tipo corriente de construcción, excluidos los t. muy pequeños, este núcleo está constituido por diversos paquetes de chapa ensamblados. Las porciones del mismo rodeadas por los devanados se denominan núcleos propiamente dichos o columnas, y los puentes de unión entre columnas, yugos o culatas (fig. 1) (V. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA).

La función de transferir la energía, que constituye el objeto de los t. requiere un doble juego de bobinas o devanados. El denominado primario recibe esta energía de la red a la tensión U,, mientras que en el otro devanado, secundario, se induce la nueva tensión (fig. 2). El primario es, pues, receptor de energía; y el secundario, generador. Si se prescinde de las pérdidas que se originan, las cantidades de energía puestas en juego y las potencias respectivas han de ser iguales, de acuerdo con la ley de conservación de la energía. Siendo, por lo general, diferentes los valores de ambas tensiones, se establece también una distinción entre los devanados correspondientes, designándolos en uno y otro caso como devanado de alta tensión o de baja tensión, sin precisar los valores absolutos del voltaje. Incluso ambos arrollamientos pueden ser de alta tensión, como sucede, p.ej., en un t. grande de 110/15 KV que se surta de una red importante a 110 KV para alimentar otra red de tensión media a 15 KV. También se hallan t. de baja tensión en ambos lados, como, p. ej., los de timbres a 220/8/5/3 V, los cuales, conectados a la red industrial de 220 V, pueden alimentar pequeños receptores que requieren ocho, cinco, o tres voltios. En los ejemplos citados, el devanado primario es el de alta tensión, y el secundario, de baja. Sucede a la inversa en el caso de un t. de los que se emplean en las centrales eléctricas para elevar la tensión de los generadores, p. ej., de unos 10 KV, supongamos, hasta la de distribución de 30 KV.

Por facilidades de aislamiento, el devanado de baja suele colocarse interiormente al de alta.

Tensiones e intensidades. Se analizará el comportamiento del t. estableciendo las siguientes hipótesis simplificadoras: 10) Se supone que una y otra bobina son de espesor despreciable, de la misma longitud y sin espacio alguno separador entre ellas, bobinada una sobre otra. En tales condiciones, las dos se hallan concatenadas con igual flujo magnético alterno, el del núcleo común, sin que exista en absoluto el llamado flujo de dispersión. 20) Las resistencias óhmicas RI y R2 de ambos bobinados y las pérdidas en el hierro son nulas y la permeabilidad del núcleo de hierro 11F., infinita.

Los símbolos que se utilizan a continuación se explican en la tabla. Con tales supuestos, la tensión seno¡dalul~,~-2Ul-sencot(de valor eficaz UJ aplicada al primario de Ni espiras, da origen a un flujo alterno (D de la misma frecuencia y un cierto valor máximo

En el supuesto deRI=0 y R2=0y dispersión nula, esta relación vale no sólo con el secundario abierto, sino también en condiciones de carga secundaria; y hallándose determinado el flujo por la tensión aplicada al primario, la tensión secundaria U2 permanece constante. La circulación de una corriente i2 por el devanado secundario significa la aparición de una fuerza magnetomotriz en este devanado,02 = N2i2,y como la excitación E)g, según lo admitido anteriormente, ha de ser constantemente nula, se hace necesario que el= - (32(fig. 3), e¡,Ni= - i2N2,y como esta condición se extiende a cualquier instante, resulta para los valores eficacesIINI=I2N2La relación de intensidades es, pues, inversa a la de tensiones, es decir, inversa a la de los números de espiras respectivos. Como la intensidad es lo que determina el tamaño de los conductores desde el punto de vista del calentamiento, se deduce que el devanado de alta tensión estará constituido por un mayor número de espiras, con hilos de pequeña sección, con respecto al de baja tensión, formado, a su vez, por un número reducido de vueltas y conductores de sección más grande.

El núcleo de hierro. De los dos componentes esenciales del t., núcleo magnético y devanado, empezaremos por describir brevemente el núcleo. La unión entre los núcleos propiamente dichos y las culatas puede efectuarse a tope o solapando (fig. 4). Disponiendo las planchas de modo conveniente se procura llenar todo lo posible el espacio circular interior a las bobinas, adoptando una sección escalonada (fig. 5). En los t. pequeños se sujetan a veces las planchas entre sí envolviéndolas con cinta de algodón, y en los grandes 0 mediante tornillos especiales, aislados, de hierro, o mejor de acero no magnético o de latón. El t. de un solo núcleo cilíndrico, con disposición radial de las chapas y culata subdividida en partes apretadas lateralmente contra el núcleo, constituye un modo de construcción especial que ahorra espacio y peso (fig. 6).

Los devanados. Para la construcción de los devanados, la tensión por espira es un dato de primer orden. Este valor determina el de la tensión entre capas. es decir,la tensión que existe entre el principio de una capa y el final próximo de la inmediata superior.

Bobinados concéntricos (fig. 7). Por regla general el devanado de alta tensión es el exterior, el de baja el interior, y entre ambos se coloca un tubo aislante de separación. Los tipos concéntricos se aplican ventajosamente siempre que el devanado de alta tensión conste de muchas espiras, y el de baja, por el contrario, esté compuesto por un número reducido de ellas, o bien cuando ambas tensiones sean muy pequeñas. Se llega entonces a colocar el devanado de baja tensión en una sola capa, o bien la tensión entre capas queda limitada, en todo caso, por el pequeño valor del voltaje total.

Si el arrollamiento de’alta tensión ha de ser para un voltaje ya relativamente elevado, las capas no deben extenderse a todo lo largo del devanado, sino que éste ha de subdividirse en bobinas parciales. A fin de conseguir que no se crucen estrechamente conductores sometidos a una fuerte diferencia de potencial, se procura no sacar de las capas interiores los puentes o conexiones entre bobinas, para lo cual se divide en dos mitades la bobina.

Bobinados alternados (fig. 8). En los grandes t. para fuertes intensidades y con importante sección de núcleo, el sistema de devanados en columna es a menudo inadecuado, debido a la notable tensión por espira. En tal caso se aplican especialmente los devanados de bobinas alternas, en los cuales las bobinas de alta y de baja, en forma de discos, se colocan alternativamente, separadas entre sí por arandelas aislantes. Con hilos redondos sólo entran pocas vueltas por capa, y para secciones gruesas se emplea a menudo cobre rectangular arrollado en espiral. Los devanados de este tipo presentan ventajas notables, en cuanto al coste de fabricación, cuando es preciso hacer numerosas tomas para tener diversas tensiones secundarias, como sucede, p.ej., en los t. para locomotoras eléctricas y en los de soldadura. Para adaptar la relación de tensiones de los t. al voltaje de la red en el lugar donde se instalan, se los provee de espiras adicionales o se eliminan del circuito algunas de éstas. La conmutación puede efectuarse por lo general mediante un conmutador adosado, y solamente con el t. separado de la red.

Construcción de los transformadores. Atendiendo a las posibles disposiciones de los devanados y del núcleo magnético, se han ido estableciendo sucesivamente las clasifícaciones usuales de los transformadores. La diferencia más evidente entre los tipos de construcción normal reside en el número de fases. Trataremos, pues, de los monofásicos y trifásicos.

Transformadores monofásicos. La disposición más sencilla se obtiene montando ambos devanados sobre la misma armazón de chapas. Esta construcción recibe el nombre de a dos columnas, siendo el sistema preferido para los t. monofásicos de alguna potencia.

Otro sistema, muy empleado, es el de los t. acorazados, en los cuales, como en los anulares de simple columna, los bobinados constituyen un sistema único, rodeado aquí íntegramente por el núcleo.

Transformadores trifásicos. Los t. anulares simples, los de doble columna y los acorazados tienen un solo circuito magnético. Por tanto, son aptos para transformar únicamente una corriente monofásica o una fase de un sistema trifásico. Agrupando tres t. sencillos monofásicos puede obtenerse, pues, una transformación trifásica.

Es posible, sin embargo, reunir los tres t. en un solo conjunto constructivo, lo que conduce a una apreciable economía de peso. Partiendo del t. simple anular, el t. trifásico se obtiene prescindiendo idealmente de las columnas sin bobinar y enlazando los tres núcleos bobinados mediante un yugo o culata común.

V,t.: CORRIENTE ELÉCTRICA II; ELECTROMAGNETISMO; INDUCCIóN ELECTROMAGNÉTICA.

J. CLEMENTE PUEYO , S. FERNÁNDEZ DEL AMO.

BIBL.: J. CORRALES MARTíN, Teoría, cálculo y construcción de transformadores, Barcelona 1964; 1. MONNEROT, Transformadores y convertidores, Buenos Aires 1964; W. SCHÁFER, Transformadores, Barcelona 1964; A. LAGOMA, Teoría y práctica de los transformadores, Barcelona 1968; J. FRÁBREGAS, Pequeños transformadores, Barcelona 1973; L. M. HASSEKIEFF y F. F. SINTES OLIVES, Bobinados y construcción de transformadores eléctricos, Barcelona 1971.