1. Sistemas Electromagnéticos
1.1. La función de un sistema electromagnético es establecer y controlar los campos electromagnéticos para realizar el proceso de transferencia de potencia (energía),
1.2. Cuando en un conductor circula una corriente, se produce un campo magnético que rodea al conductor. Las líneas de flujo magnético son continuas y su dirección se determina aplicando la regla de la mano derecha.
1.3. En otras palabras, un campo magnético es una región o zona de almacenamiento de energía que tiene la propiedad de producir fuerzas y realizar un trabajo.
1.4. Analogía entre los circuitos eléctricos y magnéticos
1.4.1. En el caso del circuito magnético, el flujo magnético es impulsado por la fuerza magnetomotriz a fluir por un material ferromagnético. La fuerza electromotriz se mide en Volts, mientras que la fuerza magnetomotriz se mide en Ampere-Vueltas (amp-turns).
1.5. ELABORACIÓN DE LA CURVA B – H EN VACÍO
1.5.1. En vacío, la densidad de flujo magnético B es directamente proporcional a la intensidad de campo magnético H En el SI, la constante magnética o permeabilidad en el espacio es fija por definición, como ya se ha visto. Tiene un valor de o algo aproximado a 1/800,000. Observando dicha ecuación, se entiende que la respuesta de B-H es una línea recta. El vacío nunca se satura, no importando cuán grande pueda ser la densidad de flujo
1.6. CURVA B – H DE UN MATERIAL FERROMAGNÉTICO
1.6.1. La densidad de flujo magnético en un material con propiedades magnéticas también depende de la intensidad de campo magnético al que está sometido.
1.7. DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD RELATIVA
1.7.1. La permeabilidad relativa µr de un material es la relación entre la densidad de flujo del material y la densidad de flujo que se produciría en el vacío, bajo la misma intensidad de campo magnético.
2. El transformador ideal
2.1. El transformador ideal es un dispositivo sin pérdidas, que tiene un devanado de entrada y uno de salida. Se supone a su coeficiente de acoplamiento K= 1 (núcleo de aire y núcleo de hierro). La suposición de este dispositivo es de origen didáctico, como una medida de la “eficiencia” teórica que este dispositivo pudiera alcanzar en condiciones ideales. Al ser un transformador ideal, tiene una impedancia cero en los devanados primarios y secundarios, por lo tanto, el voltaje inducido E1 es igual al voltaje aplicado V1, por lo tanto, E2 = V2. Los valores positivos de la FEM se expresan con un punto
2.2. relaciones del transformador ideal (voltajes)
2.2.1. La tercera relación indica que al no haber caídas internas en el transformador ideal, los voltajes inducidos y en terminales son iguales.
2.2.2. Los voltajes E1 y E2 están en fase y NO están separados 180° debido a la marca de polaridad. La corriente Im es muy pequeña, y genera un flujo magnético muy grande.
3. Relaciones del transformador ideal
3.1. Si se continua con este análisis, si se conecta una carga ZL a través del secundario del transformador, una corriente I2 fluirá inmediatamente del transformador hacia la carga. En este caso, al ser un transformador ideal, la relación de voltajes se mantiene igual, aún con el transformador bajo carga.
3.2. Recordando que un transformador ideal mantiene el flujo de potencia constante entre ambos circuitos, si el voltaje cambia su magnitud, la corriente lo hará exactamente de la misma forma, esto con la intención de mantener constante la potencia que consume una carga eléctrica conectada en el secundario.
3.3. Finalmente, las relaciones de transformación para un transformador ideal, quedan de la siguiente manera: I1N1=I2N2 E1I1=E2I2=S1=S2 V1I1=V2I2=S1=S2
3.4. TRANSFORMACIÓN DE IMPEDANCIA A TRAVES DE UN TRANSFORMADOR IDEAL (DISPOSITIVO DE IGUALACIÓN DE IMPEDANCIA
3.4.1. Debido a que un transformador cambia sus niveles de voltaje y corriente en sus dos circuitos, cambia obviamente la relación entre ellos, logrando así un cambio en sus impedancias. La impedancia del primario se define como: Z1= VP / IP Y el voltaje del primario, expresado en función de la relación de transformación se expresa también como: a= VP/VS; VP= a*VS Y la corriente del primario, se expresa como: a= IS / IP; IP= IS / a
4. Transformador Real. Voltajes
4.1. ANÁLISIS DE LOS FLUJOS DISPERSOS (REACTANCIA DE DISPERSIÓN)
4.1.1. La figura anterior tiene como finalidad expresar la separación de los flujos dentro y fuera del núcleo del transformador originados por el flujo de corriente eléctrica en un devanado de N número de vueltas. En estos casos, N1 e I1 originan los flujos Øf1 y Øm. En realidad, el voltaje originado por la reactancia de dispersión (lo que es igual al flujo disperso), es en realidad una caída interna de voltaje, que entre más grande sea dicho flujo, la caída de tensión será mayor.
5. Transformador real. Corrientes
5.1. RELACIÓN DE CORRIENTES.
5.1.1. 1. Sólo existirá flujo de corriente (a excepción de la corriente magnetizante) siempre y cuando una carga eléctrica esté conectado a las terminales del secundario del transformador. 2. Se observa que: FMMp= Np*Ip; y FMMs= Ns*Is; y conservando la convención de signos, ambas FMM´s se oponen entre si 5. Esta FMM neta producirá el flujo total en el núcleo,
5.1.2. La reluctancia R de un transformador bien diseñado, utilizando los materiales apropiados debería ser igual a CERO, hasta que permita la completa saturación del núcleo
6. La corriente de magnetización
6.1. CURVA DE MAGNETIZACIÓN DE UN TRANSFORMADOR IDEAL
6.1.1. Cuando se conecta el primario de un transformador a una fuente de potencia de CA, existe un flujo de corriente, independientemente si en el devanado secundario está conectada una carga o no. Dicha corriente en vacío, es la que el transformador “consume” o requiere para producir el flujo magnético en el núcleo ferromagnético. La corriente consta de dos componentes: • La corriente de magnetización que es la requerida para producir el flujo • La corriente de pérdidas en el núcleo que es la que se origina por el efecto de la histéresis cuando se genera la magnetización del núcleo
6.1.2. PARA CONSIDERAR A UN TRANSFORMADOR IDEAL • El núcleo no debe contener histéresis • La curva de magnetización debe ser como la anterior mostrada • El flujo disperso debe ser cero • La resistencia de los devanados y la reluctancia del núcleo debe ser cero
6.2. GENERALIDADES
6.2.1. • La corriente de excitación se puede conocer si se compara su valor con el flujo requerido en el núcleo en un instante de tiempo determinado.
6.2.2. La corriente de magnetización NO es sinusoidal, se origina una distorsión producto de la saturación rápida del material ferromagnético
6.2.3. • La corriente de magnetización está defasada 90° respecto al voltaje aplicado o de fuente (corriente reactiva)
6.2.4. Cuando se alcanza el punto de saturación total del núcleo, un incremento muy grande en la corriente de excitación produce un aumento muy leve en el valor del flujo magnético.
7. Circuitos equivalentes
7.1. CON RAMA DE EXCITACIÓN
7.1.1. Considera una resistencia del núcleo a la corriente de excitación y una reactancia de magnetización, producto de la misma corriente. A estos valores se les llama “impedancia de excitación ó admitancia de excitación” y se calculan con base en el resultado de una prueba a circuito abierto. 3. De la figura, se sabe que la impedancia del primario (Rp + Xp) son elementos con un valor muy pequeño en comparación con Rc y Xm, por lo que, para efectos de facilidad en el análisis, el voltaje aplicado al primario se considera igual al voltaje de la rama de excitación 5. Muchos autores consideran que es más sencillo analizar el circuito equivalente considerando la “admitancia” de la rama de excitación en vez de la impedancia,
8. Prueba de cortocircuito
8.1. La regulación de voltaje de los grandes transformadores de potencia NO se obtiene por carga directa, ya que es imposible realizar la prueba con una carga tan elevada.
8.2. Descripción de la prueba:
8.2.1. 1.Estando ajustado en transformador variable (variac) a cero, se conectan en cortocircuito las terminales de bajo voltaje (X1 y X2) del transformador 2.Con ayuda del transformador variable o variac, se aumenta el voltaje de forma cuidadosa hasta que el amperímetro indique que está pasando la corriente nominal del primario (Inom= S/V1) 3.Se anota la potencia (Psc), corriente (Isc) y voltaje (Vsc) para la corriente nominal en el primario (Inom= Isc) 4.Se calcula la impedancia equivalente del primario: (Zeq1= med voltimetro/med amperimetro) 5. Se calcula la Req1 con: Req1= Psc/(Isc)2 = lectura wattmetro / lectura amperimetro al cuadrado. 6. Se calcula la reactancia equivalente del primario (Xeq1): Xeq1= √[(Zeq1)2 - (Req1)2] ó: Xeq1= Zeq1*sen⦵ 7. Para calcular la RV, se necesitan calcular las resistencias y reactancias equivalentes del secundario: Req2= Req1 / ∝2 Xeq2= Xeq1 / ∝2 Es importante mencionar que este ensayo, en la práctica se realiza alimentando al transformador por el lado de A.T, de esta forma, la corriente a medir en el primario será de un valor pequeño. De igual forma, el voltaje aplicado solo será de una fracción del valor nominal, de manera que los instrumentos comunes pueden registrarlo.
9. Eficiencia de un transformador
9.1. La indicación que arroja el Wattmetro en la prueba de corto circuito, se refiere a las pérdidas resistivas en el cobre en ambos devanados a la potencia nominal del transformador. Las otras pérdidas que se tienen en un transformador son las del núcleo o hierro, las cuales se pueden determinar con la prueba de circuito abierto. Normalmente, la prueba se lleva a cabo del lado de baja tensión ya que representa menor peligro para el personal técnico, aunque se debe tener mucho cuidado, ya que el circuito abierto quedará en alta tensión.
9.2. PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA:
9.2.1. 1. Elevar el voltaje del variac desde cero hasta que el voltmetro indique el voltaje nominal del lado de la prueba (lado de bajo voltaje). 2. Anotar la potencia “P” de circuito abierto, el voltaje nominal “V” y la corriente “I” (lo que sería la corriente de magnetización I0 3. Se calcula la pérdida en el núcleo,
9.3. MÁXIMA EFICIENCIA DE UN TRANSFORMADOR
9.3.1. La eficiencia máxima siempre se presenta, como ya se mencionó ayer en el punto de carga en el que las pérdidas fijas son iguales a las variables (aplica para un motor eléctrico, un motor de CI, generador, turbina, etc.) Por tal razón, en un transformador, las pérdidas variables en el cobre (varían en función de la carga) tienen que ser iguales a las pérdidas fijas en el núcleo, es decir: (I2)2 * Requ2= Pc I2= √(Pc / Req2) I2 representa a la corriente de carga donde Se presenta la máxima eficiencia F.C= √ (Pc / I2 2 * Req2) F.C representa el factor de carga al cual se presenta la máxima eficiencia.
9.4. EFICIENCIA EN EL DÍA
9.4.1. Por definición, la eficiencia en el día es igual a la energía total entregada por un transformador a una carga, dividida entre la entrada total de energía recibida por el mismo transformador en un periodo de 24 horas.
9.4.2. Eficiencia en el día= [ Wsal (total) / Went (total) ] = [ Ws1 + Ws2 + Ws3 + … ] / [ Wsalida total + W pérdidas totales ]