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Las tensiones de línea son aquellas tensiones que existen entre diferentes fases. Estastensiones se denominan U12, U23 y U...
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Los transformadores

  1. 1. Los transformadores.Los transformadores eléctricos han sido uno de los inventos más relevantes de la tecnologíaeléctrica. Sin la existencia de los transformadores, sería imposible la distribución de laenergía eléctrica tal y como la conocemos hoy en día. La explicación es muy simple, poruna cuestión de seguridad no se puede suministrar a nuestros hogares la cantidad de Kwque salen de una central eléctrica, es imprescindible el concurso de unos transformadorespara realizar el suministro doméstico.Sabiendo la importancia del transformador para la vida moderna, pasemos a definir qué esexáctamente el transformador.El transformador básico es un dispositivo eléctrico construido con dos bobinas acopladasmagnéticamente entre sí, de tal forma que al paso de una corriente eléctrica por laprimera bobina (llamada primaria) provoca una inducción magnética que implicanecesariamente a la segunda bobina (llamada secundaria) y provocando con este principiofísico lo que se viene a llamar una transferencia de potencia.
  2. 2. También se puede definir de la siguiente manera, aunque esta nueva definición hacehincapié en su funcionalidad:El transformador es un dispositivo eléctrico que utilizando las propiedades físicas de lainducción electromagnética es capaz de elevar y disminuir la tensión eléctrica,transformar la frecuencia (Hz), equilibrar o desequilibrar circuitos eléctricos según lanecesidad y el caso específico. Transportar la energía eléctrica desde las centralesgeneradoras de la electricidad hasta las residencias domésticas, los comercios y lasindustrias. Dicho dispositivo eléctrico también es capaz de aislar circuitos de corrientealterna de circuitos de corriente continua.Inducción en una bobina.Para poder entender como funciona un transformador, un motor eléctrico u otro dispositivoo máquina eléctrica basada en bobinas, se hace necesario explicar como se produce elfenómeno de inducción eléctrica y, sobretodo, comprender como sucede la transferencia depotencia o energía.En el dibujo podemos observar una bobina de N vueltas con un núcleo de aire, alimentadacon una fuente de alimentación Eg de corriente alterna. La bobina tiene una reactancia y,como tal, absorbe una intensidad Im. Si la resistencia de la bobina es mínima, tenemos quela siguiente ecuación: Im=Eg/Xm , donde Xm representa la reactancia de la bobina.La intensidad Im se encuentra desfasada 90° respecto a la tensión Eg, mientras que el flujoΦ, se encuentra en sintonía con la intensidad. Esto es algo que ocurre en todos los circuitosinductivos.La intensidad Im al paso por la bobina, crea una fuerza magnetomotriz o líneas de fuerzas
  3. 3. electromotices que, a su vez, generan un flujo Φ. Al ser la alimentación de tensión alterna,se genera flujos de pico, es decir, flujos máximos :Φmax y flujos mínimos Φmin. Peroaquí solamente nos interesan los Φmax.El flujo, a su vez genera una tensión eficaz E. Tanto la tensión eficaz E y la tensiónaplicada Eg, tienen que ser iguales, porque como se puede observar en el dibujo, las dostensiones se encuentran en las mismas líneas de alimentación.Así tenemos que la ecuación que define las dos tensiones sería:E=Eg=4,44*f*N*ΦmaxInducción en una bobina.Para poder entender como funciona un transformador, un motor eléctrico u otro dispositivoo máquina eléctrica basada en bobinas, se hace necesario explicar como se produce elfenómeno de inducción eléctrica y, sobretodo, comprender como sucede la transferencia depotencia o energía.En el dibujo podemos observar una bobina de N vueltas con un núcleo de aire, alimentadacon una fuente de alimentación Eg de corriente alterna. La bobina tiene una reactancia y,como tal, absorbe una intensidad Im. Si la resistencia de la bobina es mínima, tenemos quela siguiente ecuación: Im=Eg/Xm , donde Xm representa la reactancia de la bobina.La intensidad Im se encuentra desfasada 90° respecto a la tensión Eg, mientras que el flujoΦ, se encuentra en sintonía con la intensidad. Esto es algo que ocurre en todos los circuitosinductivos.La intensidad Im al paso por la bobina, crea una fuerza magnetomotriz o líneas de fuerzaselectromotices que, a su vez, generan un flujo Φ. Al ser la alimentación de tensión alterna,se genera flujos de pico, es decir, flujos máximos :Φmax y flujos mínimos Φmin. Pero
  4. 4. aquí solamente nos interesan los Φmax.El flujo, a su vez genera una tensión eficaz E. Tanto la tensión eficaz E y la tensiónaplicada Eg, tienen que ser iguales, porque como se puede observar en el dibujo, las dostensiones se encuentran en las mismas líneas de alimentación.Así tenemos que la ecuación que define las dos tensiones sería:E=Eg=4,44*f*N*ΦmaxDonde f representa la frecuencia; N el número de vueltas de la bobina; y el 4,44 es unaconstante cuyo valor exacto (para los sibaritas) es= 2*Π/√2.La ecuación nos explica, que con una tensión Eg constante, el flujo Φ será constante.Sin embargo, si introducimos un núcleo de hierro en el interior de la bobina, lascondiciones cambian, algo que resulta muy relevante para la funcionalidad de lostransformadores y sus diversos tipos.En esta nueva situación, si la tensión Eg se mantiene constante, el flujo Φmax semantendrá constante y, por tanto, Eg=E. Hasta aquí no hay una diferencia entre núcleo deaire y el núcleo de hierro. Pero lo que si que cambia, significativamente, es la Im. Con unnúcleo de hierro, la Im disminuye o es más baja. Y esto sucede, porque se necesita unafuerza magnetomotriz mucho menor para producir el mismo flujo Φmax.
  5. 5. El funcionamiento del transformador básico.Hasta ahora hemos analizado como se comporta una sola bobina a la que se le induce unacorriente eléctrica. Ahora vamos a realizar otro análisis para conocer qué sucede cuando seacoplan dos bobinas magnéticamente, es decir, cómo funciona un transformador.Como podemos observar en el dibujo, tenemos una fuente de alimentación de tensión ocorriente alterna Eg, dos bobinas (una llamada primaria y la otra llamada secundaria, con Nvueltas o espiras, una tensión inducida en la bobina secundaria que denominamos E2, unflujo total ΦT que es la suma de dos flujos: el flujo mutuo Φm1 que corresponde al flujoque acopla magnéticamente a las dos bobinas más el flujo Φf1 que incide únicamente en labobina primaria. La tensión E1 continua siendo igual a la tensión Eg. Y, también, hemos deindicar que se trata de un transformador en vacio porque no tiene una carga, además de quelas dos bobinas están con un núcleo de aire. Es lo que se viene a denominar untransformador básico o elemental.Las tensiones existentes en el circuito son dos. Entre los puntos 1 y 2 y, entre los puntos 3 y4. Esto quiere decir, que entre cualquier otra combinación de puntos no existe tensión. Asíque podemos decir, que las bobinas se encuentran aisladas en términos eléctricos.
  6. 6. El flujo Φm1 enlaza con su campo magnético las dos bobinas generando de esta forma unatensión E2. El flujo Φf1 solamente incide sobre las espiras de la bobina primaria y lapodemos denominar como flujo de dispersión. El flujo ΦT es el flujo total, es decir la sumade los otros dos flujos. En el caso que las bobinas esten muy separadas, el flujo Φm1 esmuy reducido y estaremos hablando de un acoplamiento de bobinas débil. Sin embargo, sijuntamos las dos bobinas, el flujo Φm1 aumenta respecto al flujo ΦT y abremosconseguido un acoplamiento entre bobinas óptimo. Esta es la razón, por el cual, en lamayoría de los transformadores industriales se realizan los devanados de las bobinas unoencima del otro, para conseguir mejorar el acoplamiento.Falta indicar, que con un acoplamiento débil, no solamente disminuye el flujo Φm1,también se reduce la tensión E2. Sin embargo, al acercar las dos bobinas, se aumenta elflujo Φm1 y, por tanto, se aumenta la tensión E2. Así, que la relación entre el flujo Φm1 yla tensión E2 es proporcional.El coeficiente de acoplamiento. El acoplamiento entre las bobinas primaria y secundariaes una medida física y, por lo tanto, se puede calcular. El calculo se realiza con la siguienteecuación:K=Φm1/ΦT ;en donde K es el coeficiente y no tiene unidades. Generador trifásico.Una forma de producir un sistema de corriente trifásica es con un alternador o generador detres bobinas, como el de la figura:Las tres bobinas se encuentran soportadas en el estartor, mientras que el rotor esta imantadoo lleva un electroimán para que genere el campo magnético y es la parte móvil del
  7. 7. alternador. En los alternadores antiguos sucedía al revés, es decir, las bobinas seencontraban en el rotor y eran la parte móvil, esto tenía un inconveniente y es que senecesitaba un complejo sistema de colectores y escobillas para poder recoger las tensionesproducidas. Los alternadores modernos, con las bobinas soportadas en el estartor son máseconómicos y fiables que los alternadores antiguos.Los alternadores cuyo rotor lleva un electroimán, son alimentados con una fuente decorriente continua para activar el electroimán y poder generar el campo magnético.Como se puede observar en el dibujo, del alternador de arriba, la distancia entre los centrosde las bobinas es de 120°, gracias a ello tenemos tres señales alternas diferentes ydistanciadas entre si 120°, como se puede ver en el siguiente dibujo:Ahora bien, de cada bobina, dibujo del alternador, se obtienen dos cables (no estarepresentado en el dibujo). Esto es útil saberlo porque un alternador lo podemos conectar enestrella o en triángulo. Pero, también hay que decir, que no tiene mucho sentido conectarloen triángulo si lo que deseamos es utilizar un neutro. De hecho, lo más habitual esconectarlo en estrella.Ahora bien, el generador trifásico se puede conectar de tres maneras diferentes: en estrella,en triángulo o con cada bobina de forma independiente.
  8. 8. Como se puede observar en el dibujo, tenemos un alternador conectado de formaindependiente, es decir, cada bobina del alternador o generador se comporta como ungenerador monofásico. Con este sistema tenemos un sistema trifásico de 6 conductores.En el supuesto que las resistencias o cargas sean iguales, tendremos que las tensionesestarán en fase con sus intensidades respectivas, y que habrá 120° de desfase entre lastensiones o intensidades. Sistemas trifásicos.Hoy en día se utilizan sistemas trifásicos para producir y distribuir la energía eléctrica. Estopresenta varias ventajas. La primera ventaja y, quizás la más significativa, es el ahorro quese obtiene al distribuir la energía eléctrica bajo un sistema trifásico. En un sistema trifásicotenemos dos tipos de tensiones diferentes, las tensiones de fases y las tensiones de líneas.Las tensiones de fases son las tensiones que existen entre cada fase y el neutro y, sedenominan U10, U20 y U30, como se puede observar en el siguiente gráfico:
  9. 9. Las tensiones de línea son aquellas tensiones que existen entre diferentes fases. Estastensiones se denominan U12, U23 y U31, como se puede observar en siguiente dibujo:Como podréis imaginar, existe diferencias entre las tensiones de fases y las tensiones delínea. Las tensiones de líneas normalmente son √3 más elevadas que las tensiones de fases.Todo dependerá de como este conectado el generador. Puede estar conectado en estrella oen triágulo.Al disponer de dos tensiones diferentes podemos dedicar la más elevada para la industria yla más baja para zonas residenciales o viviendas.Además, tenemos que en la industria se utilizan máquinas eléctricas como son lostransformadores, los motores trifásicos, etc.Conceptos relacionados con el sistema trifásico.En un sistema trifásico tenemos que tener claro ciertos conceptos y, además cada conceptotiene que ser interpretado según su contexto:Fases o líneas de fase. Cuando se utiliza esta expresión es que nos estamos refiriendo a lostres conductores que conforman la línea o el tendido trifásico.Tensión o voltaje de línea. Nos referimos a la tensión que hay entre dos fases.Tensión o voltaje de fase.Nos referimos a la tensión que hay entre una fase y el neutro o la
  10. 10. masa/tierra.Voltaje trifásico. Nos referimos a la tensión de línea.Sistema desequilibrado o desbalanceado. También podemos encontrar esta mismaexpresión expresada de otras maneras: corrientes desequilibradas o desbalanceadas, fasesdesequilibradas o desbalanceadas,etc. Cuando encontremos una expresión de este estiloquiere decir que no hay 120° de desplazamiento entre las diferentes señales senoidales defases y puede ser un serio problema porque estaremos cargando a una fase más que a otras.Transformador de desplazamiento fase. Es un aparato o máquina eléctrica capaz dedesplazar las fases. Se rige bajo el principio del transformador.La secuencia de fases. Nos referimos al orden en que están colocadas las fases. Esimportante conocer la secuencia de fases porque de ello dependerá el sentido de giro de unmotor, por ejemplo.

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