UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA DE CUENCA MAQUINAS ELCTRICAS I

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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

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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

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA DE CUENCA MAQUINAS ELCTRICAS I 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.

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA DE CUENCA MAQUINAS ELCTRICAS I 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.

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA DE CUENCA MAQUINAS ELCTRICAS I 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