Instituto Politcnico Nacional

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Instituto Politcnico Nacional Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica Unidad Zacatenco.

Academia de Humanidades.

Metodologa de la Investigacin.

Proyecto de Investigacin.

Importancia y Eficiencia de los Transformadores para la Transmisin de Energa Elctrica

Grupo: 5EV1

Autores: Aguilar Lpez Luis Andrs.

Profesor: Jimnez Jimnez Simn.

Fecha de entrega: 2/03/2015

ndice.

1. Portada. _______________________________________________________ 1

2. Introduccin. ____________________________________________________3

3. Objetivos. ______________________________________________________ 4

3.1. Objetivos especficos. ______________________________________________ 4

4. Justificacin. ____________________________________________________ 5

5. Planteamiento del problema. ________________________________________6

6. Hiptesis. ________________________________________________________7

7. Marco Terico. ____________________________________________________8

7.1. Razones de suma importancia para la implementacin de los transformadores. _8

7.2. Creacin y primeros das en la transmisin de electricidad. _________________8

7.3. Construccin de los transformadores para los sistemas de transmisin. ______ 9

7.4. Tipos de prdidas en los transformadores. _____________________________ 9

7.5. Cmo disminuir las perdidas en los transformadores? ___________________ 9

7.6. El transformador ideal. _____________________________________________9

7.6.1. Potencia en el transformador ideal. __________________________________10

7.6.2. Anlisis de circuitos que contienen transformadores ideales. ______________10

7.7. El transformador no ideal. __________________________________________11

7.7.1. Resistencia del devanado. _________________________________________11

7.7.2. Flujos de dispersin. ______________________________________________11

8. Conclusin. ______________________________________________________12

9. Bibliografa. ______________________________________________________13

2. Introduccin.

Un transformador es un dispositivo elctrico que cambia la potencia elctrica alterna con un nivel de voltaje a potencia elctrica alterna con otro nivel de voltaje mediante la accin de un campo magntico.

Se usan para la transmisin y subtransmisin de energa elctrica en alta y mediana tensin. Son de aplicacin en subestaciones transformadoras, centrales de generacin y en grandes usuarios, este ltimo caso se despreciara, ya que, no forma parte como tal de la transmisin de energa elctrica, sino como uso para puntos donde hay un alto consumo y se trata de economizar al no hacer uso de los transformadores de la compaa suministradora (CFE).

En todo sistema industrial o de potencia, la funcin de transformacin es de gran inters, ya que el buen funcionamiento de sta, depende la continuidad del servicio.

Tambin cabe mencionar un principio bsico en las maquinas elctricas reales, el cual es que presentan un pequeo porcentaje de prdidas, esto quiere decir que ninguna ser en su totalidad eficiente.

3. Objetivos.

Entender la importancia de los transformadores en los sistemas de transmisin de energa elctrica, aprender cul es su propsito en las redes de distribucin, as como, entender el tipo de prdidas que se presentan en este tipo de mquinas elctricas.

3.1 Objetivos especficos.

Entender el propsito de un transformador en un sistema de potencia. Conocer la importancia de estos aparatos para hacer llegar la energa elctrica hasta el lugar donde ser usada. Entender cmo los transformadores reales se aproximan a la operacin de un transformador ideal. Poder explicar cmo se modelan las perdidas en cobre, el flujo magntico de fuga y las corrientes parsitas en circuitos equivalentes de transformadores. Poder calcular las perdidas y la eficiencia de un transformador.

4. Justificacin.

Los transformadores son considerados los elementos ms importantes dentro de un sistema elctrico, requieren poco mantenimiento debido a que no tienen partes en movimiento.

Sin el transformador, simplemente no sera posible utilizar la potencia elctrica en muchas de las formas en que se utiliza hoy en da.

El propsito de este trabajo es entender la importancia de los trasformadores en la vida diaria, sin ellos la energa elctrica no podra ser llevada hasta los centros de consumo o sera necesario un mayor nmero de plantas generadoras aumentando esto el precio de la electricidad.

Cabe mencionar para que es necesario considerar las prdidas de estos dispositivos, para as tomarlas en cuenta al momento de realizar los clculos pertinentes y tener un sistema lo ms eficiente posible y funcionando de manera perfecta.

5. Planteamiento del Problema.

En su forma ms simple, un transformador consta de dos bobinas elctricamente aisladas una de la otra, pero devanadas sobre el mismo ncleo. Una corriente variable en el tiempo en una bobina establece en el ncleo magntico un flujo tambin variable en el tiempo.

Histricamente, el uso de los transformadores para la transmisin de energa elctrica se debe a que se determin como ms viable el uso de la corriente alterna para el consumo humano, ya que solo en ste tipo de corriente puede ser cambiada la potencia elctrica. As el costo de produccin y transmisin de sta es ms bajo, ya que, solo son necesarias un cierto nmero de plantas generadoras y para hacer llegar esta energa se usan transformadores y no un mayor nmero de plantas generadoras como ocurrira con la corriente continua.

Para aplicaciones de potencia relativamente baja con especificaciones de voltaje moderadas, los devanados pueden arrollarse en forma directa sobre el ncleo del transformador. Sin embargo, para los transformadores de alto voltaje, potencia elevada, o ambos, las bobinas generalmente se devanan primero y despus se ensamblan en el ncleo.

6. Hiptesis.

Definitivamente, los transformadores son aparatos esenciales para la transmisin de la energa elctrica sin ellos no podramos concebir el uso de la electricidad como lo hacemos en tiempos modernos.

Tambin fue un elemento importante para la eleccin de la corriente alterna sobre la directa, ya que se obtenan muchas ventajas de este dispositivo siendo su principio de funcionamiento prcticamente igual desde su invencin hasta estos das.

Ha habido mejoras y se ha obtenido mayor eficacia con los distintos tipos de construccin que se han presentado a lo largo del tiempo, disminuyendo sus prdidas y haciendo ms fcil su mantenimiento que de por si era muy bsico al ser un dispositivo sin piezas mviles, se han convertido en aparatos muy eficientes y con bajo costo de mantenimiento, haciendo esto que se tenga que pagar menos en insumos y la energa elctrica pueda ser vendida a menores costos.

Una de las maneras de evitar las perdidas elctricas, seria haciendo uso de materiales mejor conductores que los que son usados regularmente, el problema viene en cuanto a costos se refiere, por lo regular los devanados de los transformadores estn hechos de alambres de cobre, siendo este metal un buen conductor pero no lo suficiente al tener una cierta resistencia, hay materiales con menor resistencia elctrica que este pero no son viables para al construccin de estos dispositivos por su alto costo. Entonces, el hacer ms eficientes a los transformadores cambiando el tipo de material con que son usados se incrementara su precio, hacindolos no viables.

7. Marco Terico.

Al ser un transformador un dispositivo que cambia la potencia elctrica con un nivel de voltaje a potencia elctrica con otro nivel de voltaje mediante la accin de un campo magntico. Consta de dos o ms bobinas de alambre conductor enrollados alrededor de un ncleo ferromagntico comn. Estas bobinas (normalmente) no estn conectadas de manera directa. La nica conexin entre ellas es el flujo magntico comn que se encuentra dentro del ncleo.

Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energa elctrica alterna y el segundo (y quiz el tercero) suministra energa elctrica a las cargas. El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama devanado primario o devanado de entrada y el devanado que se conecta a la carga se llama devanado de salida o devanado secundario. Si hay un tercer devanado en el transformador, se llama devanado terciario.

7.1. Razones de suma importancia para la implementacin de los transformadores.

El primer sistema de distribucin de potencia se us en Estados Unidos fue uno de corriente directa de 120 volts inventado por Thomas Alva Edison para suministrar potencia a las bombillas incandescentes. La primera central de potencia de Edison entro en operacin en la ciudad de Nueva York en septiembre de 1882. Desafortunadamente, este sistema de potencia generaba y transmita potencia a tan bajos voltajes que se requeran corrientes muy altas para suministrar cantidades significativas de potencia. Estas corrientes altas ocasionaban enormes cadas de voltaje y perdidas de potencia en las lneas de transmisin y restringan mucho el rea de servicio de las estaciones de generacin. En la dcada de 1880 las centrales generadoras se localizaban a muy pocas calles entre s para evitar este problema. El hecho de no poder transmitir potencias a sitios lejanos con los sistemas de potencia de corriente directa de bajo voltaje significo que las estaciones generadoras fueran de poca capacidad, locales y, por lo tanto, relativamente ineficientes.

7.2. Creacin y primeros das en la industria de la transmisin de electricidad.

La invencin del transformador y el desarrollo simultaneo de las fuentes de potencia alterna eliminaron para siempre las restricciones referentes al alcance y al nivel de los sistemas de potencia. Un transformador cambia, idealmente, un nivel de voltaje alterno a otro nivel de voltaje alterno sin afectar la potencia que suministra. Si un transformador eleva el nivel de voltaje en un circuito, debe disminuir la corriente para mantener la potencia que entra en el dispositivo igual a la potencia que sale de l. De esta manera. A la potencia elctrica alterna que se genera en un sitio determinado, se le eleva el voltaje para transmitirla a largas distancias con pocas perdidas y luego se reduce para dejarla nuevamente en el nivel de utilizacin final.

Puesto que las prdidas de transmisin en las lneas de un sistema de potencia son proporcionales al cuadrado de la corriente, al elevar con transformadores 10 veces el voltaje de transmisin se reduce la corriente en el mismo nmero de veces y las prdidas de transmisin se reducen 100 veces, sin el transformador, simplemente no sera posible utilizar la potencia elctrica en muchas de las formas que se utilizan hoy en da.

7.3. Construccin de los transformadores para los sistemas de transmisin.

Bsicamente, hay dos tipos de construccin: de tipo acorazado o concha y de tipo ncleo. En la construccin del transformador de tipo acorzado, los dos devanados suelen efectuarse en la misma rama del ncleo magntico. En un transformador de ncleo magntico cada devanado puede incluso dividirse y devanarse en ambas ramas del ncleo rectangular. Los nombres tipo acorazado y tipo ncleo se deben a que en el primero el transformador encierra a los devanados, mientras que en el segundo son estos los que encierran el ncleo.

Para aplicaciones de potencia relativamente baja con especificaciones de voltaje moderadas, los devanados pueden arrollarse en forma directa sobre el ncleo del transformador. Sin embargo, para los transformadores del alto voltaje, potencia elevada, o ambos, las bobinas generalmente se devanan primero y despus se ensamblan en el ncleo.

7.4. Tipos de prdidas en los transformadores.

En un transformador, tanto la perdida en el ncleo (perdidas por histresis y por corrientes parasitas) como en el cobre (perdida elctrica) generan calor, el cual a su vez incrementa la temperatura de operacin del transformador.

7.5. Cmo disminuir las perdidas en los transformadores?

Para aplicaciones de baja potencia, la circulacin natural del aire podra ser suficiente para mantener la temperatura dentro del transformador dentro de un lmite aceptable. Si el incremento del de temperatura no puede controlarse mediante la circulacin natural del aire, es posible sumergir el transformador en aceite especial para transformador, el cual conduce el calor a las paredes del tanque que lo contiene. A fin de incrementar la superficie de radiacin puede dotrseles de aletas soldadas, o bien construirlo con lamina de acero corrugados. stos son algunos de los mtodos que se usan para limitar el exceso de temperatura de un transformador.

7.6. El transformador ideal.

Un transformador ideal es un dispositivo sin perdidas que tiene un devanado de entrada y un devanado de salida. La relacin entre el voltaje de entrada y el de salida, y entre las corrientes de entrada y la de salida, se describen en dos sencillas ecuaciones:

Donde a se define como la relacin de transformacin del transformador:

La relacin de corriente ip(t) que fluye del lado del primario del primario y la corriente is(t) que sale del lado secundario del transformador es:

En trmino de cantidades fasoriales, estas ecuaciones son:

Ntese que el ngulo de fase de Vp es el mismo que el ngulo de Vs y el ngulo fasorial de Ip es el mismo que el ngulo fasorial de Is. La relacin de vueltas del transformador ideal afecta las magnitudes de los voltajes y corrientes, pero no sus ngulos.

7.6.1. Potencia en el transformador ideal.

La potencia Pentr que el circuito primario suministra al transformador est dada por la ecuacin:

Donde es el ngulo entre el voltaje primario y la corriente primaria. Lam potencia Psal que el circuito secundario del transformador suministra a la carga est dada por la ecuacin:

Donde es el ngulo entre el voltaje secundario y la corriente secundaria. Dado que los ngulos del voltaje y la corriente no se ven afectados por el transformador ideal, . Los devanados primario y secundario de un transformador ideal tiene el mismo factor de potencia.

7.6.2. Anlisis de circuitos que contienen transformadores ideales.

Si un circuito contiene un transformador ideal, la forma ms fcil de analizar los voltajes y las corrientes del circuito es reemplazar la porcin del circuito en un lado del transformador por un circuito equivalente con las mismas caractersticas terminales. Una vez que se ha sustituido el circuito equivalente en uno de los lados, se pueden encontrar voltajes y las corrientes del circuito nuevo (sin el transformador). En la porcin del circuito que no se reemplaz, las soluciones que se obtengan, sern los valores correctos del voltaje y corriente del circuito original. Luego, la relacin de las vueltas del transformador se puede utilizar para determinar los voltajes y corrientes del otro lado del transformador. El proceso de reemplazar un lado del transformador por su equivalente al otro lado del nivel de voltaje se conoce como referir el primer lado del transformador a segundo.

7.7. El transformador no ideal.

En el punto anterior se establecieron muy pocas restricciones para obtener relaciones tiles para un transformador ideal. En esta seccin nuestro objetivo es aumentar las restricciones para desarrollar el circuito equivalente para un transformador no ideal.

7.7.1. Resistencia del devanado.

Todo devanado presenta alguna resistencia, sin importar cuan pequea pueda ser. No obstante, es posible reemplazar un transformador no ideal por otro ideal agregando una resistencia en serie con cada devanado, igual a la resistencia de este. La inclusin de las resistencias de los devanados define que:

a) La potencia de entrada debe ser mayor que la potencia de salida.b) El voltaje en las terminales no es igual a la fem inducida.c) La eficiencia (la razn de la potencia de salida a la potencia de entrada) de un transformador no ideal es menor a 100%.

7.7.2. Flujos de dispersin.

No todo el flujo que crea un devanado se confina al ncleo magntico en el que esta devanado. Una parte del flujo, conocida como flujo de dispersin, sigue 0sigue su camino a travs del aire. Por tanto, cuando ambos devanados de un transformador conducen corrientes, cada un crea su propio flujo de dispersin. El flujo de dispersin primario, establecido por el primario, no enlaza al secundario. De manera similar, el flujo de dispersin secundario se restringe al secundario y no enlaza al primario. El flujo comn que circula en el ncleo y llega a ambos devanados se denomina flujo mutuo.

Aunque el flujo de dispersin en una pequea fraccin del flujo total que crea un devanado, afecta el rendimiento del transformador. Es posible modelar un devanado como si constara de dos devanados: uno responsable de crear el flujo de dispersin hacia el aire y el otro de circundar el ncleo. Es posible modelar un devanado como si constara de dos devanados: uno responsable de crear el flujo de dispersin hacia el aire y el otro de circundar el ncleo.

8. Conclusin.

Los transformadores son aparatos sumamente necesarios e importantes para concebir el mundo de la manera en que lo concebimos contemporneamente, stos son requeridos para implementar el sistema de transmisin de energa elctrica tal cual la conocemos hoy en da.

Como pudimos observar para transmitir o llevar de un lugar a otro la energa elctrica por largas distancias, es necesario tener una gran potencia para hacerla circular a travs de los conductores que sirven de medio para transportarla, sin ellos sera necesario o generar en potencias mayores la electricidad o tener centros de generacin cerca una de la otra, ya que, como sabemos existen perdidas en los conductores, esto hace que la red vaya disminuyendo con forme a la distancia que sea necesaria transportarla.

Tomando en cuenta que las prdidas en los transformadores son mnimas en comparacin con otros tipos de mquinas elctricas, como los motores, nos indica la nobleza de estos sistemas en donde al no poseer partes movibles las prdidas y el mantenimiento se reducen (menor frecuencia en su mantenimiento preventivo), as tambin, las prdidas que se pueden encontrar son de fcil reduccin aunque imposible desaparecerlas por completo.

9. Bibliografa.

Transformadores.Ing. Pacheco Valencia Hctor M.IPN-ESIME Maquinas Elctricas y Transformadores.3ra. Edicin.Bhag S.Guru; Huseyin R. Hiziroglu.Edit. Oxford. Mquinas Elctricas.5ta. Edicin.Stephen J. Chapman.Edit: McGraw Hill. Instalaciones Elctricas Comerciales e Industriales.Javier Oropeza ngeles.Editado por: Scheneider Electric Mxico, S.A de C.V.

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