Utilidad de las Pantallas Electrostáticas en Transformadores

Las perturbaciones de Alta Frecuencia causadas por las variaciones bruscas de carga en el secundario pueden ser conducidas a través del transformador y repercutir en la red de alimentación.

Para reducir estos efectos, los transformadores pueden fabricarse con una pantalla electrostática diseñada para atenuar las perturbaciones de Alta Frecuencia (Armónicos).

Esta pantalla se utiliza igualmente para impedir la transmisión de señales de Alta Frecuencia del primario al secundario en condiciones de defecto o transitorios tales como:

• Ondas de choque tipo rayo
• Interrupciones bruscas de la carga
• Operaciones de reguladores en carga
• Sobretensiones transitorias

Con relación a la fabricación del transformador, estas pantallas aumentan las dimensiones del transformador y con relación a su instalación deberán tomarse precauciones especiales para que su conexión a tierra se realice de forma correcta con objeto de evitar que la pantalla adquiera potenciales elevados. Una pantalla electrostática está formada por una lámina o espira metálica (Cu o Al) no cerrada, separando el primario del secundario.

Debe tenerse en cuenta, que el régimen de neutro del centro de transformación juega también un papel importante en lo que se refiere a la transmisión de la onda de choque a la BT. En efecto, aparte de la transmisión capacitíva a través del transformador, la onda de corriente del rayo desarrolla en la impedancia de la toma de tierra una tensión tanto más importante cuanto más autoinductiva sea la misma.

Perturbaciones de alta frecuencia a través de los transformadores:

En todos los transformadores, existe una capacidad entre los bobinados. Es mediante éste camino de la capacidad entre bobinados que los ruidos de alta frecuencia pueden acoplarse al bobinado secundario. Sin embargo, cuando se utiliza una pantalla electrostática conectada a tierra para separar el bobinado primario del secundario, la capacidad entre los mismos queda reducida de forma significativa. Esto incrementa la impedancia (resistencia) de ésta vía de acoplamiento, y por lo tanto reduce notablemente la cantidad de energía de alta frecuencia que se puede manifestar en el bobinado secundario.

Figura 1: El transformador filtra por su naturaleza los ruidos de modo común, la pantalla electrostática entre los bobinados filtra los ruidos de alta frecuencia en modo normal.

El ruido de modo común (MC) está presente tanto en el conductor de fase como de neutro, y es medido con respecto a tierra. (El término común se refiere al hecho de que un ruido idéntico aparece en el conductor de fase y neutro.) El ruido de modo común puede ser causado por descargas atmosféricas, la operación de interruptores, ó una mala conexión de tierra.

El uso de protectores de sobretensión también puede crear ruidos de modo común, ya que la energía del ruido en modo normal es derivada dentro del conductor de neutro.

Figura 2

Los ruidos que pueden ser medidos entre fase y neutro, son llamados ruidos de modo normal (en alta frecuencia) ó ruidos de modo diferencial o transversal (MD). La mayoría de los ruidos de modo normal son producto del encendido ó apagado de grandes cargas, fundamentalmente grandes motores ó condensadores de corrección de factor de potencia.

Función de las Pantallas Electrostáticas en Transformadores de Aislamiento (TDA)

Los transformadores de aislamiento se pueden clasificar por su número de pantallas:

• Apantallamiento sencillo (una pantalla)
• Doble apantallamiento.
• Triple apantallamiento (ultra-aislamiento)

Apantallamiento Sencillo:

• Puede suprimir interferencias de modo común en el lado primario a frecuencias de hasta 100kHz, proporcionando aislamiento del orden de 120-140 dB.
• Este aislamiento (dB) es limitado por la resistencia AC del aislamiento (MΩ) entre primario y secundario a bajas frecuencias.
• Tiene problemas cuando se incrementa la frecuencia por encima de los 100kHz, porque la capacitancia entre primario y secundario decrece ( Xc=1/2πfC )
• No suprimen adecuadamente interferencias de modo diferencial.

La inclusión de una pantalla de Faraday entre los devanados elimina la capacidad parásita entre éstos, pero también establece dos nuevas capacidades entre la pantalla y cada uno de los devanados. Dichas capacidades permiten que las corrientes de alta frecuencia fluyan hacia los sistemas de puesta a tierra, tanto del devanado primario como del secundario.

En caso de tener problemas con transitorios rápidos de alta frecuencia y descargas electrostáticas (ESD), la pantalla colocada entre los dos devanados no es tan efectiva a altas frecuencias debido al amplio espectro de frecuencias, sobre todo de las ESD. A bajas frecuencias la solución de una pantalla es buena, pero a medias y altas frecuencias, la atenuación de las EMIs entre el primario y el secundario, tanto en modo común (MC) como en modo diferencial (MD) simultáneamente, no es óptima. Dado que los dos modos están presentes a la vez, se debe usar una doble pantalla electrostática.

Doble apantallamiento:

Una segunda pantalla en el devanado primario actúa como una trayectoria de baja impedancia para las EMIs de MC que viajan de una pantalla a la siguiente, eliminando la conversión de MC a MD que es inherente a los transformadores. En un transformador de aislamiento (TDA) con 2 pantallas, la pantalla enfrentada hacia el lado del primario se conecta al neutro del primario para suprimir las EMIs en MD. La pantalla enfrentada al secundario se conecta a la tierra de referencia para suprimir las EMIs en MC.

Figura 3: TDA con doble pantalla electrostática

Ambas pantallas normalmente suministrarán 60-80 dB de atenuación de EMI en MC desde 100 Hz a 1MHz.

Triple apantallamiento:

Si las cargas conectadas en el secundario generan EMIs en MC, es deseable evitar su propagación a otros equipos a través de un TDA. Este camino se puede bloquear añadiendo una tercera pantalla que se conecta a uno de los polos del devanado secundario (neutro del secundario).

Figura 4: TDA con tres pantallas electrostáticas

En un TDA con triple pantalla, la pantalla central se conecta a tierra. Las demás pantallas se conectan al neutro del primario y del secundario respectivamente. El TDA con este conjunto de tres pantallas normalmente suministrará 65-80 dB de atenuación de EMIs en MC desde 100 Hz a 1MHz. La técnica de los tres apantallamientos reduce la capacidad por debajo de 0,009 pF, e incrementa el aislamiento por encima de los 100 MΩ.

NOTA:

Para evitar perforaciones en la parte BT de los centros de transformación, la aparamenta correspondiente debe tener el aislamiento reforzado (10 kV/50 Hz). Además, si en la BT existen elementos sensibles tales como equipos informáticos, elementos de mando y control, etc. es aconsejable interponer pantallas electrostáticas en los transformadores de alimentación.