TRABAJO PRACTICO CIRCUITO Y REDES 1

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Trabajo Practico Circuito y Redes II
Alumno: Tomas Stipanovich 5TO Electrónica
Profesor: Rosario Caccetta EETP N° 483 “El Industrial”
1. ¿Qué es un transformador? 
Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.
Un transformador es una máquina estática de corriente alterna, que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia. Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario. La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la realización práctica y económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias
2- Principio de funcionamiento según Faraday:
El funcionamiento de los transformadores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética.
Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario o inductor, producida esta por la corriente eléctrica que lo atraviesa, se produce la inducción de un flujo magnético en el núcleo de hierro. Según la ley de Faraday, si dicho flujo magnético es variable, aparece una fuerza electromotriz en el devanado secundario o inducido. De este modo, el circuito eléctrico primario y el circuito eléctrico secundario quedan acoplados mediante un campo magnético.
La tensión inducida en el devanado secundario depende directamente de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario y de la tensión del devanado primario. Dicha relación se denomina relación de transformación.
3- ¿Cuáles son las partes de un transformador?
Dependiendo del tipo de transformador, podría decirse que los mas completos presentan las siguientes partes:
·  Armazón
· Bornes de alta y baja tensión
· Medio refrigerante
· Núcleo de material magnético
· Boquillas terminales
· Devanados - Primarios y Secundarios
· Bobinas
· Tanque o cubierta
· Cambiador de taps
· Tablero de control
· Relé de sobretensión
Los más comunes en la electrónica están formados por tres partes:
· Devanado primario
· Devanado secundario
· Núcleo
4- Funciones de cada una:
Devanado primario:
El devanado primario (o bobina primaria) está conectado a la fuente de energía y transporta la corriente alterna desde la línea de suministro. Puede ser un devanado de bajo o alto voltaje, dependiendo de la aplicación del transformador.
Núcleo:
Es en donde se enrollan los devanados y donde se produce el flujo magnético alterno, por lo regular están construidos por una serie de láminas aisladas eléctricamente. Para minimizar corrientes parásitas.
Devanado secundario:
El devanado secundario (o bobina secundaria) es el que suministra energía a la carga y es donde se genera la fuerza electromotriz (voltaje) por el cambio de magnetismo en el núcleo al cual rodea. Puede ser un devanado de bajo o alto voltaje, dependiendo de la aplicación del transformador.
5- Tipos de transformadores:
Transformadores acorazados: El transformador acorazado se caracteriza por tener dos columnas exteriores, por las que se cierra el circuito magnético, estas dos columnas no poseen ningún devanado. En los Transformadores monofásicos el devanado primario y secundario se agrupan en la columna central y el transformador tiene tres columnas en total. 
Transformadores Toroidales: Los transformadores Toroidales representan, como ningún otro tipo, el diseño ideal sobre cómo debe ser un transformador. De hecho, Faraday diseñó y bobinó el primer transformador sobre un núcleo toroidal. Tiene varias ventajas entre ella alto rendimiento, bajo nivel de ruido, menor calentamiento, peso y tamaño reducido, facilidad de montaje.
Transformador de columnas: El transformador a columnas posee sus dos bobinados repartidos entre dos columnas del circuito magnético. En la figura se trata de un transformador monofásico dónde el circuito magnético se cierra por las culatas superior e inferior En los transformadores de columnas los bobinados son claramente visibles y están devanados sobre núcleos en forma de columnas, unidos por extremos, a las otras columnas por un yugo o puente.
Transformadores Reductores: Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado primario es mayor al del secundario.
Transformadores Elevadores:
Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado primario es menor al del secundario.
6- Relación de Transformación
En un transformador, la relación de transformación es el número de vueltas del devanado primario dividido por el número de vueltas de la bobina secundaria; la relación de transformación proporciona el funcionamiento esperado del transformador y la tensión correspondiente requerida en el devanado secundario.
Si se requiere una tensión secundaria menor que la tensión primaria (transformador reductor), el número de vueltas en el secundario debe ser menor que en primario, y para transformadores elevadores es al revés; cuando la relación de transformación reduce la tensión, eleva la corriente y viceversa, de manera que la relación de transformación de corriente y tensión en un transformador ideal está directamente relacionado con la relación de vueltas o espiras
Desafortunadamente, los transformadores no son ideales, y en un transformador real la relación de tensiones o de corrientes pueden no ser igual a la relación de transformación, debido a las diferentes pérdidas eléctricas como las debidas al  núcleo de hierro del transformador (pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas) y a las pérdidas en el cobre (debido a la resistencia eléctrica de los devanados primario y secundario); por lo tanto, los fabricantes diseñan los transformadores de manera que se minimicen estas pérdidas, para obtener una máxima eficiencia a plena carga, superior al 95% de transformación de la potencia, proporcionando así una relación de tensiones que difiera como máximo en un 5% a la relación de transformación.
Puesto que los transformadores están sujetos a varios esfuerzos y cambios en su vida útil, eléctricos y mecánicos, la adecuada relación de transformación debe ser verificada antes de ponerlo en servicio y durante los diferentes programas de mantenimiento, lo cual es el objetivo principal del equipo de pruebas de relación de transformación; por lo tanto, la relación medida con los diferentes probadores de relación de transformación (equipos TTR) incluye las pérdidas que normalmente se encuentran en el transformador, lo que resulta en una relación diferente a las de las vueltas físicas, pero que refleja la relación de tensiones real esperada por el fabricante y el usuario, o verdadera relación de transformación.
7- Diferencias entre Primario y Secundario: el devanado primario recibe la f.e.m de corriente alterna que se quiere aumentar o disminuir para transformarla en un flujo magnético. Mientras que el devanado Secundario recibe el flujo magnético y luego proporciona el potencial transformado a una carga.
8- Uso de los Transformadores:
El uso de un transformador es prácticamente universal, los usos más comunes de estos son:
· Para distribución de energía. Es mucho más eficiente transportar la energía con alto potencial y baja intensidad. Es por esto que se utilizan los transformadores para elevar el potencial a alta tensión. Sin embargo en nuestros hogares tenemos corriente de baja tensión. Por lo que también se necesitan transformadores para pasar de alta a media y baja tensión.
· Para protección de maquinaria eléctrica. En las industrias, lostransformadores son muy utilizados para proteger y aislar los equipos eléctricos, controlando los pulsos de energía.
· Para generar altos voltajes. Los transformadores son muy utilizados en el ámbito ferroviario para hacer mover las maquinarias que necesitan de un alto voltaje para funcionar.
9-Perdidas eléctricas:
Ninguna máquina eléctrica es ideal, es decir siempre tienen algún tipo de perdida al realizar un trabajo, siendo estas estáticas o dinámicas
En el caso del transformador estas pérdidas son estáticas. 
SE DIVIDEN EN DOS GRANDES GRUPOS:
MAGNÉTICAS
-Por ciclos de histéresis
-Por corrientes parásitas (corrientes de Foucault) (pérdidas en el hierro)
ELÉCTRICAS
-Por resistencia.
-Reactancia de dispersión
Pérdidas por histéresis.
Al aplicar un voltaje alterno se produce en el núcleo un flujo alterno también.
Para construir la gráfica de corriente de excitación se usa una serie de puntos de la gráfica de flujo distanciados 30 grados y estos se refieren al ciclo de histéresis y cada referencia baja al sistema coordenado de corriente obteniendo así la forma de la curva de excitación.
La onda no es senoidal, debido a la gran área de histéresis.
La onda se retrasa una ángulo apreciablemente menor de 90° respecto al voltaje.
Este tipo de pérdidas se pueden reducir con aleaciones de pequeña ares de histéresis y diseñando la sección transversal del núcleo de tal magnitud, que para el flujo que requiere la bobina se produzca un bajo nivel de saturación.
La corriente se aproxima más a la forma senoidal y su desfasamiento se acercaría más a los 90°.
Pérdidas por flujos de dispersión.
La separación entre las espiras y entre capas de las bobinas y entre las propias bobinas y el núcleo, permiten que se desarrollen líneas de flujo magnético fuera del núcleo, que cierran a través del aire.
Estas líneas de flujo se originan por las fuertes corrientes de carga del transformador.
Pérdidas por corriente parásitas:
Las corrientes parásitas se producen debido a que el núcleo es conductor de la electricidad. por lo que se organizan circuitos en forma de espiras cerradas, rodeando las líneas de flujo magnético. como el flujo es variable en el tiempo, se inducen en las espiras, fuerzas electromotrices, y estas a su vez producen corrientes circulantes en forma de remolino.
Estas corrientes reciben el nombre de corrientes parásitas, corrientes de Eddy o corrientes de Foucault.
Las pérdidas se producen debido al calentamiento del núcleo, y la energía perdida se induce desde el primario como si lo necesitara parásitos secundarios.
Estas pérdidas se pueden reducir si se les corta su trayectoria tan amplia, lo que se consigue haciendo el núcleo de láminas apiladas, en vez de columnas y yugos macizos.
Pérdidas por resistencia:
El material usado para el alambre es de cobre, tiene una resistencia. La corriente que pasa por esta resistencia provoca pérdidas de voltaje (ocasionando fuerza electromotriz) y pérdidas de energía (calientan los devanados).
 Se deben a determinadas características de los embobinados:
1. el material tiene una resistividad mayor que cero.
2. debe existir una separación entre las espiras.
10- Circuito equivalente del transformador
En la década de 1970 el cálculo de las tensiones y corrientes en los transformadores se realizaba con complejos diagramas vectoriales.
Más recientemente, con el desarrollo de los primeros ordenadores, el cálculo de tensiones y corrientes se pudo resolver mediante cálculo complejo. A pesar de reducir la complejidad de los cálculos con transformadores, el cálculo complejo aún resulta tedioso para la obtención de las tensiones y corrientes cuando hay transformadores en los circuitos a analizar.
Para facilitar más la labor en el cálculo de tensiones y corrientes cuando los transformadores están involucrados, se suele recurrir a su sustitución por un circuito equivalente que incorpore todos los fenómenos físicos que se producen en un transformador real (figura 1).
	
	Circuito del transformador real.
Al contrario de lo que se puede pensar, el desarrollo de circuitos equivalentes para las máquinas eléctricas no es una novedad ya que su desarrollo está ligado con la propia evolución y expansión de la ingeniería eléctrica.
La gran ventaja del uso de circuitos equivalentes de máquinas eléctricas reside en poder aplicar toda la potencia del cálculo de teoría de circuitos permitiendo conocer la respuesta de una máquina frente a unas determinadas condiciones de funcionamiento.
La obtención del circuito equivalente del transformador se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras. En el transformador real se tiene
E1/E2=N1/N2=m→E2=E1/m
En el transformador equivalente se tiene que al ser N′2=N1
E1/E′2=N1/N′2=1
Luego la relación entre E2 y E′2 es
E′2=m⋅E2
Análogamente se puede obtener que
V′2=m⋅V2
Además, para que este nuevo transformador sea equivalente al original las potencias activa y reactiva y, en consecuencia la potencia aparente, deben conservarse.
Como el secundario del transformador equivalente debe consumir la misma potencia aparente que el secundario del transformador real se tiene
V2⋅I2=V′2⋅I′2
De donde se puede obtener la relación entre la corriente real del secundario del transformador y la corriente reducida del secundario del transformador
I′2=V2⋅I2/V′2=V2⋅I2/m⋅V2=I2/m
Procediendo de forma análoga para las potencia activa se tiene
R2⋅I22=R′2⋅I′2
Luego la relación entre la resistencia real y la reducida será
R′2=R2⋅I22/I′22=R2⋅I22/(I22/m2)=m2⋅R2
Repitiendo el cálculo para la potencia reactiva
X2⋅I22=X′2⋅I′22 X′2=m2⋅X2
En general, cualquier impedancia Z conectada al secundario del transformador se reducirá al primario mediante
Z′2=m2⋅Z2
Tras reducir todos los valores de impedancias al primario y, dado que E1=E′2 los terminales A-a y A'-a' se pueden unir, sustituyendo ambos devanados por uno solo como se muestra en la figura 2.
	
	Fig. 2 Circuito equivalente de un transformador real reducido al primario.
La corriente que circulará por el devanado será la diferencia entre I1 y I′2 que es igual a la corriente de vacío, I0. Esta corriente a su vez tiene dos componentes, una activa IFe y otra reactiva Iμ, que representan un circuito paralelo formado por una resistencia RFe, que modela las pérdidas por efecto Joule en el hierro del transformador y por una reactancia Xμ por la que se deriva la corriente de magnetización de la máquina. De acuerdo con estos razonamientos, el circuito de la figura 2 se transforma en el de la figura 3 que se conoce como el circuito equivalente exacto del transformador reducido al primario.
	
	Fig. 3 Circuito equivalente del transformador exacto reducido al primario.
Si se sigue el mismo proceso dejando inalterado el secundario y tomando el número de espiras del primario N′1=N2 se obtiene el circuito equivalente del transformador exacto reducido al secundario (figura 4).
	
	Fig. 4 Circuito equivalente del transformador exacto reducido al secundario.
Donde V′1=V1/m, R′1=R1/m2, X′1=X1/m2,  I′1=m⋅I1, I′0=m⋅I0, R′Fe=RFe/m2, X′μ=Xμ/m2.
En la práctica, debido al pequeño valor de I0 frente a las corrientes I1 e I′2, se emplea el circuito equivalente aproximado del transformador. Este circuito se obtiene trasladando la rama en paralelo por la que circula la corriente de vacío a los bornes de la entrada del primario tal y como se muestra en la figura 5.
	
	Fig. 5 Circuito equivalente del transformador aproximado reducido al primario.
El circuito simplificado permite resolver multitud de problemas prácticos tales como el cálculo de la caída de tensión, el rendimiento del transformador, análisis de estabilidad, cortocircuitos, etc., sin incurrir en grandes errores.
  El Transformador real. Circuito equivalente 
11- Rendimiento
El conocimiento del rendimiento de cualquier máquina, dispositivo o sistema tiene una gran importancia por el valor económico que ello reporta, tanto desde el punto de vista del costo de operación como del ambiental. En general el rendimiento de una máquina, normalmenteindicado con la letra griega eta η, está dado por el cociente de las potencias de salida y de entrada: 
Potencia de entrada / Potencia de salida = n
En el caso particular de los transformadores se está en presencia de una máquina de características excepcionales: su rendimiento es muy elevado y requieren muy bajo mantenimiento; todo ello debido a su condición de máquina estática. En las máquinas eléctricas, como en otros casos también, ocurre que las de mayor potencia son las más eficientes. Esto se puede demostrar analizando cómo varían las pérdidas y cómo lo hace la potencia de la máquina
En efecto tanto las pérdidas en el hierro PFe como las del cobre PCu dependen, a igualdad de condiciones de diseño y materiales, de los respectivos volúmenes de hierro VFe y cobre VCu, es decir del cubo de las dimensiones lineales:
Por otro lado la potencia aparente de la máquina vale:
Como en la mayoría de los casos la diferencia entre la tensión U y la fuerza electromotriz inducida E es muy pequeña, se puede poner:
Aquí también a igualdad de condiciones de diseño y de materiales, la fuerza electromotriz inducida depende de la sección del núcleo y la corriente de la sección del conductor; por lo tanto la potencia aparente es función de las dimensiones lineales a la cuarta potencia. Entonces a medida que aumentan las dimensiones de la máquina, crece más rápidamente su potencia que sus pérdidas y por lo tanto mejora su rendimiento. Lamentablemente no todo es tan sencillo y en las máquinas de gran potencia aparecen otros factores que complican su funcionamiento, por ejemplo la forma de evacuar el calor que producen las pérdidas para mantener la temperatura de operación dentro de los límites admitidos por los materiales aislantes.
12- Mantenimiento
Un transformador es un equipo muy valioso, indispensable y de alta prioridad, por lo tanto cuando algún transformador, ya sea de distribución o de potencia, sufre un fallo, supone una gran preocupación y como consecuencia un alto coste de producción, accidentes o daños para las empresas.
 Un fallo de transformador puede provocar graves situaciones como: paro completo de una planta o empresa, accidentes laborales graves, altos costes de reparación, daños a las instalaciones y, además, puede ralentizar la producción laboral de una empresa.
Existen diferentes tipos de mantenimiento que ayudarán a alargar la vida útil de los transformadores eléctricos y a prevenir posibles futuros fallos.
 El mantenimiento predictivo es el que se realiza partiendo del seguimiento de determinadas variables, y su propósito es anticiparse a las posibles fallas. Algunas de las pruebas rutinarias a las que se deben someter los transformadores son:
 –          Prueba de aislamiento del núcleo
–          Prueba de factor de potencia
–          Estudio de termografía
–          Prueba de relación de transformación
–          Análisis de aceite aislante del transformador
–          Resistencia óhmica de devanados
–          Prueba de resistencia de aislamiento
 El mantenimiento que se realiza para prevenir con más eficacia las fallas en los transformadores es el conocido como mantenimiento preventivo. Un análisis periódico del aislamiento que otorga información relativa al estado del aceite y permite detectar las posibles causas de fallo en el equipo.
 Por último, está el tipo de mantenimiento que siempre se busca evitar, es el llamado mantenimiento correctivo, cuyo objetivo es reparar los fallos y mal funcionamiento del transformador. Durante el tiempo de mantenimiento correctivo el transformador queda inactivo y podría ser sometido a cambios de bobinas, empaques aceite dieléctrico, repotenciación y reemplazo de instrumentos y accesorios.
 Es importante ser constante con el mantenimiento de los equipos.