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transfformadores trifasicos...

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“AN “Funcionam

Díaz Solís Neo Brandon FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGON

Laboratorio de máquinas Eléctricas Ingeniería Mecánica

Universidad Nacional Autónoma De México “UNAM”

Facultad De Estudios Superiores Aragón “FES Aragón”

Alumno: Díaz Solís Neo Brandon

Laboratorio y materia: Laboratorio 3 “Maquinas Eléctricas 8557”

Carrera: Ingeniería Mecánica

Trabajo: “Anteproyecto funcionamiento del transformador residencial de distribución”

Profesor: Víctor Hernández Vázquez

Intr Introd od oduc uc ucció ció ción n A lo largo de esta investigación se abordaran algunos conceptos fundamentales de la electricidad, principalmente relacionados con el funcionamiento del transformador; además se dará información de cuál es el transporte que tiene que hacer la electricidad producida en las centrales eléctricas hasta llegar a los consumidores, ya que en este proceso se tienen aplicaciones que tienen que ver con campos magnéticos y perdidas de electricidad por efecto Joule, este tipo de temas o conocimientos se repiten en las maquinas eléctricas como sus fundamentos más importantes.

Ob Objetiv jetiv jetivo o ggen en enera era erall Este trabajo tratara de ser lo más amigable y claro con el lector, con el objetivo de que cualquier individuo no especializado en el tema lo pueda comprender; siguiendo con esto, el tema a tratar de esta investigación es de suma importancia para la vida diaria. Por otro lado se aclararon algunas dudas que al momento de realizar la investigación surgieron, con el apoyo de fuentes académicas —profesores de las materias y páginas de internet, como la CFE y algunas empresas que se dedican a la fabricación y venta de transformadores de todo tipo— con el afán de que la información que se dé, sea lo más objetiva posible.

Desa Desarr rr rroll oll ollo o Conocimientos previos Importancia del campo magnético y la fuerza electromotriz inducida Antes de empezar con todo el funcionamiento de un trasformador y la distribución de la corriente para que llegue a nuestros domicilios, se describirán algunos de los fundamentos más importantes del transformador y de su funcionamiento: En el transformador, el aspecto más importante es el del campo magnético y la inducción electromagnética: El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales del universo y lo llamamos así por la sencilla razón de que une los conceptos de electricidad y magnetismo; estos son fenómenos entrelazados entre si teniendo en cuenta que son dos representaciones de la misma cosa, no resulta tan raro que la electricidad pueda transformarse en magnetismo y viceversa. Una de las personas más influyentes en descubrir este fenómeno fue Oersted, el cual argumento la relación entre la electricidad y magnetismo, ya que observo que cuando circulaba electricidad por un conductor ubicado cerca de una brújula la ajuga de la brújula se movía, dejando de marcar el norte geográfico para moverse a otra ubicación; esta fuerza que se podía observar seria la que ejercía el campo magnético y este campo provenía de la misma corriente que circulaba por el cable. Sumado a esto, Faraday con su experimento potencializo el descubrimiento de Oersted, donde al colocar una bobina al que conectó un voltímetro y al pasar un imán en el interior de la bobina, con el motivo de evaluar si la influencia de un campo electromagnético hace que exista una fuerza electromotriz inducida. Cuando introdujo el imán a la bobina pudo notar que si existía tensión entre las bobinas del embobinado y que al acercarse al punto medio de la bobina creció esta tensión. Esto se explica porque al estar al principio o al final de la bobina no entran todas sus líneas de magnetismo, y cuando estas se encuentran en medio, quiere decir que todas sus líneas están dentro de la bobina, haciendo que el campo magnético sea mayor. De esta forma podemos observar que la ley de Faraday “ 𝜺 =

𝒅𝜱 𝒅𝒕

” viene a decirnos que un flujo

electromagnético (𝒅𝜱), que varía con el tiempo (𝒅𝒕) es lo que define a la fuerza electromotriz (𝜺), la cual se va a inducir en cada una de las espiras del embobinado. Por lo tanto un campo magnético variable va a generar una fuerza electromotriz, y está (en un circuito cerrado) provocará una corriente.

Líneas de magnetización dentro de la bobina. "Experimento de Faraday”

Pero tenemos que tener algo en cuenta, que la definición de alguna forma tiene error, basado a que la ley de Faraday nos habla de la fuerza electromotriz producida por un campo magnético. Pero si queremos hablar de la fuerza electromotriz inducida y del sentido de la corriente, que es lo que nos importa para el transformador, entonces tenemos que pensar en la ley de Lenz la cual nos dice que: La relación en la que fluye la corriente eléctrica será siempre la opuesta al cambio de flujo que la produce, de tal forma que si tenemos una corriente eléctrica en un campo magnético, y este campo magnético luego induce otra corriente eléctrica esa segunda corriente, tendrá el sentido contrario a la inicial, si no queda muy claro, es necesario pensar que la naturaleza siempre se opondrá a cualquier cambio producido por un estímulo externo, como en los materiales cuando tratamos de doblar una barra de acero, esta opondrá una fuerza de la misma magnitud. De tal forma que a la ecuación de Faraday se le colocara un signo (-): “𝜺=−

𝒅𝜱 𝒅𝒕

”

En la cual se medirá la fuerza inducida en una espira; pero si quiere saber cuál es el total en la bobina, se multiplicara por el total de espiras que la componen, de tal manera que: 𝒅𝜱

“ 𝜺 = −𝑵 𝒅𝒕 ” En conclusión podemos observar que, estas dos leyes nos sirven para explicar los fenómenos de la inducción electromagnética y nos cuentan cómo un campo si puede producir una corriente eléctrica; todo esto es de suma importancia para entender el funcionamiento de las maquinas eléctricas.

Aplicando lo anterior tendremos que la Inducción de la corriente del primer devanado al segundo, crea una fuerza electromotriz, por lo tanto en un transformador donde el número de espiras es mayor, en el secundario elevara la corriente a esto se le conoce como “transformador elevador V2>V1”

Funcionamiento de un transformador Para esto se tiene que tener en cuenta que los transformadores que vamos a estudiar más, serán los trifásicos; estos son los que se ven más en ciudades, y tienen forma de caja mientras que los monofásicos se emplean más en zonas rurales y tiene forma cilíndrica, pero de igual forma se explicarán ambos a continuación: El transformador es un aparato que puede bajar o elevar el voltaje que entra a las residencias, propiedades y empresas; este, capaz de mantener una misma potencia y transfiere energía de un circuito eléctrico al siguiente con la misma frecuencia. Gracias a estos aparatos, se puede mejorar la seguridad al utilizar la electricidad y podemos mandarla por largas distancias. Un transformador eléctrico usa la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday para funcionar: “la tasa de cambio del enlace del flujo con respecto al tiempo es directamente proporcional al campo electromagnético inducido en una bobina o conductor”. Un transformador se compone de dos bobinas, que tienen un número de vueltas alrededor; las dos unidas por un material ferromagnético para mejorar la eficiencia y reducir perdidas.

  

Se aplica un voltaje de corriente alterna al devanado primario, lo que genera en este un campo magnético, que se traslada a través del material ferromagnético al devanado secundario. Este voltaje va a depender de 3 factores: La cantidad de vueltas que tiene el devanado primario (N1) La cantidad de vueltas que tiene el devanado secundario (N2) El voltaje aplicado en el devanado primario El voltaje generado en el segundo devanado es dado por esta fórmula: 𝑉2 = (

𝑁2

)∗𝑉 𝑁1

Tran sfo rmador monofásico de poste En cualquier transformador su principal funcionamiento se basa en la inducción electromagnética, como se vio anteriormente. En el caso de las partes de un transformador monofásico se puede observar que existe una pieza llamada “Borne de alta tensión”, en la cual llega aproximadamente una corriente 35KV, que manda la sub-estación, pero si se conectara este nivel de voltaje en un aparato explotaría o se quemaría, aquí es donde comienza a trabajar el transformador, el cual lo logra mediante la inducción, que funciona de la siguiente manera: La corriente que manda la sub-estación entra en el borne de alta tensión, que a su vez llega al transformador e impacta en un devanado de cobre, “devanado primario”, esta corriente genera un campo magnético y si se coloca un segundo devanado como se muestra en la imagen de la zona viva del generador se genera una

Trasformador monofásico

corriente eléctrica “generando inducción”, si el cable envuelve el devanado secundario el mismo número de veces que el primario, la corriente inducida coincidirá con la del primario, pero si en el segundo solo existe la mita de las vueltas solo saldrá la mitad de la corriente proporcionada del primario; este voltaje, como ya se explicó, se controlara según lo requerido si se quiere elevar, reducir o dejar igual se modificaran en número de vueltas en el devanado secundario. Este movimiento de corriente origina una fuerza electromotriz, que será la que salga por los bornes de baja tensión, por lo general es que en los dos bornes de los extremos sea de 120 V y en el de en medio sea 240V, y de esta forma ya se puede ocupar la corriente en aparatos domésticos. Por Zona viva (núcleo) lo tanto se podría decir que tenemos un transformador reductor en las calles, gracias a que de un voltaje muy elevado lo transforma a uno muy bajo. Transformador Trifásico de poste En este transformador, prácticamente es lo mismo que en el monofásico, funciona con la inducción electromagnética. Un flujo eléctrico variable pasa a través de una espira que induce una fuerza electromotriz en ella, al igual que en el anterior transformador la importancia del número de vueltas en las bobinas es de suma importancia ya que de aquí se determina si el trasformador va a reducir, elevar o dejar igual la corriente. Transformador Trifásico

En este tipo de trasformadores, a diferencia del monofásico, se tiene tres bobinas pero es el mismo arreglo que el monofásico, donde el devanado 1 va dentro del 2; en otras palabras el devanado de baja tensión se introduce dentro del de alta tensión, lo que nos indica que es de tres líneas, por esto el nombre de trifásico (tres líneas) y el tipo de conexión que se maneja en este transformador es de trianguloestrella (baja tensión= triangulo, y alta tensión= estrella). Esto se construye así por el número de bobinas que se tienen que son tres y se conectaran entre ellas.

Sistema De Bobinas EN Un Transformador Trifásico

Gracias a este arreglo se obtiene una diferencia de voltaje mayor, lo que es muy importante, exactamente √𝟑𝑽 𝒎𝒂𝒚𝒐𝒓 ; también se ocupa en una fórmala para saber cuántos KVA existen en cada devanado, la cual es 𝐾𝑉𝐴 = √𝟑(𝑲𝒗)(𝑰𝒏)

De esta forma con lo ya aprendido, podemos llegar a la conclusión de que ambos transformadores se rigen por los mismos principios pero cada uno se ocupa para circunstancias diferentes, mientras que el monofásico se ocupa donde no hay tanto consumo, el trifásico se ocupa para trabajos (tensiones) más fuertes. Por último a continuación se mencionara como es que la electricidad llega a nuestros domicilios, sabiendo ya el trabajo del transformador, y de esta forma también abarcar este aspecto que completa el tema de los transformadores

El transporte de la corriente En este aspecto, antes que nada, se tiene que conocer por que cuando se envía corriente de la central eléctrica a su lugar de consumo, se manda en corriente alterna y no en corriente directa: Se ocupa la corriente alterna ya que esta permite elevar la tensión y esto es de suma importancia para el trabajo de los transformadores. Una de las claves de esto es que para poder hacer inducción a partir de un campo magnético se necesita que el este sea de naturaleza variable esto hará que pueda trabajar de manera correcta. Recordemos que la corriente pasara por un embobinado del transformador que a su vez generara un campo magnético muy intenso y variable se generara a partir de una corriente alterna el cual inducirá un tensión inducida en el secundario gracias al efecto del campo magnético variable por el primer embobinado, de aquí dependerá que factor hará el transformador dependiendo del número de espiras de la bobina como ya se dijo con anterioridad. De esta manera se pude elevar o reducir la tensión que pasara al sistema de energía eléctrica en alta tensión como pasa en las subestaciones, por estas razones se ocupa corriente alterna. Por otro lado lo que se transporta de las centrales hasta los puntos de consumo es la potencia eléctrica y este tiene diversos beneficios al mandar en alta tensión (que es la que engloba los efectos eléctricos y magnéticos, esto es la potencia aparente). 𝑺 = 𝑰 ∗ 𝑽 Donde es la multiplicación entre la tensión y la corriente eléctrica Teniendo esto en cuenta si aumentamos la tensión, tendremos menos corriente pasando por los cables porque son magnitudes inversamente proporcionales, también si disminuyo al tensión tendremos más corriente en los cables. En este aspecto entra el efecto Joule que más que nada nos dice que “la electricidad por el simple hecho de fluir en un material va experimentar una pérdida de energía en forma de calor y esa pérdida de energía será mayor cuando más intensidad fluya” Así que cuanta más intensidad fluya a lo largo de un cable, más energía se va a perder en forma de calor y esto implicara que sea ineficiente el transporte y se pierda dinero. Además al aumentar la intensidad que pasa por un cable se tienen que cubrir costos, como hacer más grandes los cables y reforzar las torres que llevan el cableado, esto genera más gastos. Por eso se maneja en alta tensión

NOTA: Se transporta por sistemas de torres con tres cables (trifásico) las cuales llevaran la corriente hasta su lugar de operaciones

Los niveles de tensión o distribución, son los siguientes:

Paso 1: “Central Eléctrica”, en la cual se genera la electricidad normalmente a media tensión, ya que como se explicó anteriormente, sería muy costoso y difícil comprar un transformador que de origen en alta tensión Paso 2: de esta central saldrá una línea en media tensión que nos llevara hasta un punto (ubicación) donde podremos conectar a una línea de alta tensión. (Un transformador de potencia la cual subirá la tensión). Paso 3: una vez llegado a dicho transformador el cual incrementara de media tensión a alta tensión además de que se pasara a corriente alterna, (para que no existan tantas perdidas) se mandara a recorrer grandes distancias en las torres de corriente (pasos 4 y 5) Paso 6: antes de llegar a las ciudades se pasa por una sub estación, en la cual bajaran o subirán más la tensión, dependiendo de si ya está cerca la ciudad o no Paso 7: después de que pase por la sub estación se volverá a conectar a una línea de media tensión, imaginado que la ciudad o punto de distribución ya está próximo, una vez que se llega a cada barrio ya con la tensión rebajada se pasara a un centro de transformación. Paso 8: una vez que ya se pasó por la línea de media tensión entran a los centros de transformación, donde salen las líneas en “baja tensión” Paso 9: como final esta tensión que sale de los centros de transformación pasara por los trasformadores de poste y dará la corriente que ocupamos en nuestras casas que es de 120 o 240V Nota: cabe mencionar que en los pasos 3 y 6 son transformadores de potencia, los cuales se encargan de subir o bajar la tensión, por lo general en el paso 3 se elevaría, ya que al pasarla a alta tensión y corriente alterna se busca que no existan tantas perdidas al recorrer distancias largas. En el paso 6 se trataría de bajar de alta tensión, a una tensión media, se entiende que está próximo a llegar a la ciudad y no se necesita de alta tensión.

Co Conclu nclu nclusio sio sion nes Como punto final, esta investigación sobre algunos factores que se deben saber para entender en funcionamiento de los transformadores y como llega la electricidad a nuestros domicilios, se concluirá con algunos problemas que reforzaran la teoría que se vio previamente, de tal forma que estos ejercicios ayuden a entender de manera práctica y real su funcionamiento, para que no solo se entienda en teoría. Ejercicio 1 “Transformador Monofásico” Imaginemos que en nuestro hogar tenemos una alimentación de 127V (que es el voltaje que ya nos da el transformador de poste, para uso doméstico) y queremos conectar un transformador de 24V (este puede ser de cualquier maquina o electrodoméstico que tenga este tipo de regulador) y queremos saber la corriente de salida de nuestro transformador monofásico. Para esto se realizaría lo siguiente La fórmula que vamos a ocupar es la que se habló con anterioridad La cual es la de la potencia: 𝑃 = (𝑉)(𝐼) Pero como nosotros queremos saber la corriente, despejamos 𝑃

𝐼 =𝑉

Por lo tanto

Para conocer nuestra incógnita “I” sustituimos valores: Diagrama del núcleo del transformador

𝐼𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐼𝑠𝑒𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 =

𝑃

𝑉𝑆

=

250𝑊 24𝑣

= 𝟏𝟎. 𝟒 𝑨𝒎𝒑 ᴓ1

𝑃

𝑉𝑝

=

250𝑤 127𝑣

= 𝟏. 𝟗𝟕𝑨𝒎𝒑 ᴓ1 ᴓ1= monofásico

Recordemos que estamos hablando de un transformador monofásico y al aplicar esta fórmula se pueden saber los diferentes valores teniendo otras variantes, como se dijo al principio esta es la ejemplificación de, cuando nosotros conectamos otro aparto a la corriente de nuestra casa, la cual será de 127V ya dada por el transformador de poste, pero al colocar un aparato que tuviese este transformador estaríamos viendo un transformador “reductor”, el cual se ocupe para operar a un nivel inferior de voltaje para que no sufra daños

Ejercicio 2 Transformador Trifásico En el siguiente caso, se trabajara con un transformador trifásico de lo más común en la industria Mexicana. Entendiéndose que el transformador a estudiar nos da la Potencia es de 1000KVA (Potencia aparente) el voltaje del primario será de 13800V y El del secundario será de 440V, por lo tanto queremos sabemos que estamos tratando de un trasformador trifásico, y calcularemos los KVA que existen en el primario y secundario y después calcular la corriente que está dando. 

La fórmula que vamos a emplear es la que se habló en el transformador trifásico que es 𝐾𝑉𝐴 = √𝟑(𝑲𝒗)(𝑰𝒏)= (raíz de tres) (kilo volts)( la corriente nominal)



Sustituyendo nos queda:

𝐾𝑉𝐴𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 =

13800 = 𝟏𝟑. 𝟖𝑲𝑽 1000

𝐾𝑉𝐴𝑆𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 = 

440

10000

= 𝟎. 𝟒𝟒𝑲𝑽

Una vez obteniendo estos valores en cada devanado ya podemos calcular corrientes, para lo que ocuparemos lo siguiente: 𝑰=

𝑲𝑽𝑨

√𝟑(𝑲𝑽𝑨 𝒒𝒖𝒆 𝒄𝒂𝒍𝒄𝒖𝒍𝒂𝒎𝒐𝒔 𝒂𝒏𝒕𝒆𝒔)

Aplicamos la formula en el primer y segundo devanado 𝐼𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 𝐼𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 =

1000

√3(13.8) 1000

√3(0.44)

= 𝟒𝟏. 𝟖𝟖 𝑨𝒎𝒑 ᴓ𝟑

= 𝟏𝟑𝟏𝟑. 𝟕𝟐 𝑨𝒎𝒑 ᴓ𝟑

ᴓ1=transformador trifásico

En este ejemplo podemos observar que tenemos un trasformador elevador, ya que la corriente de salida en el secundario es mayor que en el primario, esto lo pudiésemos asociar a cuando se quiere pasar la electricidad que se genera en las centrales que es a media, y para poderlas pasar a Corriente Alterna y Alta tensión se ocupan estos generadores. Para que de esta forma no se tengan tantas perdías por efecto Joule se pueda trasportar hasta las sub estación para repartir a los consumidores

Ejercicio 3 central eléctrica Imagina una central eléctrica que produce corriente con una tensión de 26 KV, está la envía a una red de alta tensión de 30KV, una vez aquí, pasa...