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martes, 25 de septiembre de 2018

Estudio del Transformador en carga




Antes de conectar la carga a un transformador sólo existe la intensidad de vacío io en el primario que genera la fuerza magnetomotriz necesaria para vencer la reluctancia del núcleo y generar el flujo en el mismo.



Figura 1: Transformador excitado en vacío (interruptor S abierto)

En vacío (figura 1), el flujo canalizado en el núcleo es generado por la fuerza magnetomotriz que produce la circulación de la corriente de excitación o de vacío.

Un transformador funciona en carga cuando a su secundario se le conecta una determinada impedancia.

Al conectar la carga (figura 2) comienza a circular una intensidad i2 en el secundario motivada por la f.e.m. que se inducía en el secundario. Esta i2 aporta una nueva f.m.m. que tiende a alterar el flujo en el núcleo.


Figura 2: Transformador trabajando con carga Z2 (interruptor S cerrado)

Al cerrar el interruptor S comienza a circular una intensidad por el secundario que producirá una nueva f.m.m. que se añade a la producida por la corriente de excitación.

Esta nueva f.m.m altera el estado del circuito y tiende a modificar el flujo circulante.


Sin embargo, como la tensión U1 se mantiene constante (por ser de la red), el flujo en el núcleo deberá permanecer también constante para cualquier régimen de carga. Si esto es así, es necesario que aparezca una nueva componente de corriente en el primario que equilibre la acción desmagnetizante de la f.m.m. secundaria (figura 3).


Figura 3: Aparición de i’2

Como el flujo no puede variar, pues U1 se mantiene cte, deberá aparecer una corriente por el primario que compense el efecto desmagnetizante que provocaba i2.

Esta nueva componente aparece al conectar una carga y recibe el nombre de componente de carga.


La corriente que circula por el primario tiene dos componentes:

Una corriente de excitación o de vacío io, cuya misión es producir el flujo magnético y "vencer" las pérdidas en el hierro.

Una componente de carga i'2, que equilibra o contrarresta la acción desmagnetizante de la f.m.m. secundaria para que el flujo en el núcleo permanezca constante e independiente de la carga.

Circuito equivalente de un Transformador: Modelo de transformador real (Modelo en T)


Figura 4: Circuito equivalente de un transformador


Leyenda de la figura 4:

R1: Resistencia de primario

Resistencia del conductor del devanado primario.

PFE: Pérdidas por efecto Joule

Pérdidas por efecto Joule en el cobre. Son proporcionales al cuadro de la corriente por los devanados (I2R).

Xd1: Inductancia de primario

Inductancia asociada al flujo de dispersión en el devanado primario.

Xd2: Inductancia de secundario

Inductancia asociada al flujo de dispersión en el devanado secundario.

RFE: Resistencia

Resistencia asociada a las pérdidas en el hierro por corrientes parásitas.

Pérdidas de Foucault

Las pérdidas por corrientes parásitas, o de Foucault, son pérdidas por resistencia en el núcleo del transformador. Son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado al transformador.

Xm: Reactancia

Reactancia asociada a la reluctancia magnética del núcleo.

Pérdidas por histéresis

Las pérdidas por histéresis están asociadas con los reacondicionamientos de los dominios magnéticos en el núcleo durante cada medio ciclo. Son una función compleja, no lineal, del voltaje aplicado al transformador.

R2: Resistencia de secundario

Resistencia del conductor del devanado secundario.

Diagrama fasorial del transformador real


Figura 5: Diagrama fasorial del transformador real

Resistencia y flujo de dispersión en los devanados

Los efectos de la resistencia de los devanados

La resistencia eléctrica es inherente al conductor de los devanados. Esta resistencia provoca una cierta caída de tensión en ambos devanados cuando circula por ellos una intensidad y a su vez origina un calentamiento por efecto Joule.

Pueden analizarse sus efectos considerando las resistencias como externas a los devanados (figura 6) y éstos sin resistencia eléctrica.


Figura 6

La dispersión del flujo

No todo el flujo producido en los devanados queda canalizado por el núcleo concatenando a los dos devanados. Una parte del flujo producido en cada devanado no llega a concatenar al otro, es el flujo de dispersión.


Figura 7: Flujo mutuo y de dispersión

El flujo mutuo es la parte del flujo total generado por los devanados y que abraza o concatena a ambos devanados. Este flujo se canaliza esencialmente en el hierro del núcleo y es debido al efecto combinado de las corrientes primaria y secundaria.

El flujo de dispersión es la parte del flujo total generado por cada devanado y que no llega a concatenar con el otro devanado. Este flujo se distribuye por caminos no magnéticos y en particular por los conductores y el aire que rodea las bobinas.

Reactancia de dispersión

El flujo disperso introduce una complicación en la idea de un único flujo por el núcleo del transformador, tal como se tiene para el transformador ideal. Para poder utilizar esta idea de flujo común lo que se hace es representar el flujo común por una reactancia externa al núcleo y éste con un solo flujo común.


Figura 8: Reactancias de dispersión Xd1 y Xd2 y flujo común φc

La reactancia de dispersión es una reactancia de núcleo de aire. Este símil es correcto puesto que el flujo de dispersión hace la mayor parte de su recorrido a través del aire, y tanto su valor como el de la tensión inducida por él, varían linealmente con la corriente primaria, tal como ocurre con la inductancia de dispersión.

Pérdidas y rendimiento del transformador

Ver post: Pérdidas y rendimiento de un transformador

Modelo de transformador referido a su nivel de voltaje primario

Es habitual disponer la red en paralelo del circuito equivalente al principio del circuito.



Figura 9: Circuito equivalente de un transformador real
con la rama paralelo en el primario

Leyenda de la figura 9:

(1) Resistencia asociada a las pérdidas en el hierro por corrientes parásitas.

(2) Resistencia de cortocircuito

Representa la suma de la resistencia R1 del devanado primario más la resistencia R2* del devanado secundario referida al primario.

Su nombre proviene de que su valor se obtiene del ensayo de cortocircuito.

(3) Reactancia de cortocircuito

Representa la suma de la reactancia Xd1 del devanado primario más la reactancia Xd2* del devanado secundario referida al primario.

Su nombre proviene de que su valor se obtiene del ensayo de cortocircuito.

(4) Reactancia asociada a la reluctancia magnética del núcleo.


Este circuito no tiene en cuenta la caída de tensión en R1 y Xd1 debida a la corriente de excitación. Se utiliza preferente cuando son conocidas las magnitudes U2, I2, cos ϕ2, es decir, las magnitudes del lado de la carga.

Modelo de transformador referido a su nivel de voltaje secundario

También es común trasladar la rama en paralelo al final del circuito.


Figura 10: Circuito equivalente de un transformador real
con la rama paralelo en el secundario

Leyenda de la figura 10:

(1) Resistencia de cortocircuito

Representa la suma de la resistencia R1* del devanado primario referida al secundario más la resistencia R2 del devanado secundario.

Su nombre proviene de que su valor se obtiene del ensayo de cortocircuito.

(2) Reactancia de cortocircuito

Representa la suma de la reactancia Xd1* del devanado primario referida al secundario más la reactancia Xd2 del devanado secundario.

(3) Resistencia asociada a las pérdidas en el hierro por corrientes parásitas referida al secundario.

(4) Reactancia asociada a la reluctancia magnética del núcleo referida al secundario.

Su nombre proviene de que su valor se obtiene del ensayo de cortocircuito.


En este caso se sobredimensiona la caída de tensión pues se incorpora unas caídas en R2* y Xd2* debida a la corriente de excitación. Este circuito es útil cuando se conocen las características del primario U1, I1, cos ϕ1.

Circuito equivalente aproximado

En la práctica es habitual despreciar el pequeño valor de la corriente de excitación y no considerar la rama en paralelo.


Figura 11: Circuito equivalente aproximado


Leyenda de la figura 11:

(1) Resistencia de cortocircuito

Representa la suma de la resistencia R1 del devanado primario más la resistencia R2* del devanado secundario referida al primario.

Su nombre proviene de que su valor se obtiene del ensayo de cortocircuito.

(2) Reactancia de cortocircuito

Representa la suma de la reactancia Xd1 del devanado primario más la reactancia Xd2* del devanado secundario referida al primario.

Su nombre proviene de que su valor se obtiene del ensayo de cortocircuito.



Para saber más:

Diagrama fasorial del esquema aproximado (Triángulo de Kapp)

Si se representan en el plano de Gauss las magnitudes que intervienen en el circuito equivalente aproximado de un transformador, los vectores Xcc, Rcc y Zcc forman el llamado triángulo de Kapp.




Figura 12

También puede expresarse el diagrama en forma porcentual. Todas las magnitudes se dividen por el valor de U1 y se multiplican por 100.




El ensayo de cortocircuito

Permite obtener los valores asociados con la rama en serie (pérdidas en el cobre, tensiones de cortocircuito y parámetros Rcc y Xcc).


Figura 14: Ensayo del transformador en cortocircuito

Leyenda de la figura 14

(1) Con una fuente de alimentación alterna se alimenta el circuito hasta que circule la corriente nominal por el primario.

(2) Con un amperímetro se mide la intensidad que circula por el primario. Las condiciones de ensayo deben ser tales que la corriente que circule por este devanado sea la nominal.

(3) El devanado secundario se mantiene abierto.

Para más detalles ver post: “Medida de la tensión de cortocircuito y pérdidas en carga en Transformadores secos”
http://imseingenieria.blogspot.com/2016/02/medida-de-la-tension-de-cortocircuito-y.html




Post relacionado:

Estudio del funcionamiento del Transformador en vacío





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