5 beneficios de instalar un transformador de aislamiento

Los transformadores de aislamiento son de gran importancia para la industria, ya que garantizan una operación segura y eficiente de todos los aparatos y equipos que se requieren para su funcionamiento.

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la misma potencia eléctrica. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador óptimo (sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, calidad de materiales, etc.

El transformador es un dispositivo electromagnético que convierte la energía eléctrica de un valor de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, mediante un fenómeno llamado inducción electromagnética, que consiste en la transferencia de energía desde un devanado (o bobina) llamado primario, hasta otro devanado llamado secundario, sin que exista necesariamente contacto entra ambos. Cabe mencionar que los devanados están enrollados alrededor de un mismo núcleo fabricado de acero al silicio, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético.

Los transformadores son indispensables en los procesos de transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica. ­­

Por la tensión de salida que proporcionan, los transformadores se clasifican en:

• Transformador Elevador, cuando la tensión de salida es mayor a la de entrada.


• Transformador Reductor, cuando la tensión de salida es menor a la de entrada.


• Transformador de Aislamiento, en el que la tensión de salida es igual a la de entrada. Aunque pareciera no tener sentido, este tipo de transformador es muy importante para aislar circuitos que alimentan a cargas delicadas o sensibles a las variaciones de tensión, o energía de mala calidad.

En esta entrada vamos a profundizar en los transformadores de aislamiento, que son de gran utilidad en la industria, ya que proporcionan los siguientes beneficios:

1. Proveen aislamiento de un circuito a otro; por ejemplo, en una industria donde se cuenta con equipos de alto consumo y de operación intermitente (como las plantas de soldar y los hornos de inducción) se tiene importantes variaciones de tensión, además del ruido electromagnético y las distorsiones por la presencia de armónicas, lo que ocasiona que algunas cargas sensibles equipos de control, cómputo y comunicaciones, entre otras- ubicadas dentro de la misma industria, e incluso en sus alrededores, presenten fallas en su operación y daños costosos. Esto se corrige al instalar un transformador de aislamiento, el cual impide que las indeseables variaciones y distorsiones lleguen a los equipos delicados, garantizando una operación más segura y eficiente.
   
   
2. Suprimen oscilaciones momentáneas y ruido desde el punto donde se originan, previendo su inducción a las cargas sensibles.
   
   
3. En caso de cortocircuito, evitan que la sobrecarga dañe a las cargas sensibles.
   
   
   Ver también: 5 Tipos de Transformadores de distribución
   
   
4. Se puede instalar un sólo transformador de aislamiento para todas las cargas sensibles de una misma industria, o bien un transformador de aislamiento para cada grupo de cargas sensibles.
   
   
5. En la mayoría de los casos, un transformador de aislamiento adicional a un filtro de audio, impide el zumbido que se presenta por diversas circunstancias sin perder apenas calidad de sonido. Y es que en equipo de audio sensible a factores como una toma a tierra doble, la conexión a una antena colectiva, señales indeseables de alta frecuencia (comúnmente generados por los rayos), ondas inducidas por el encendido de interruptores, motores y variadores de velocidad, suele presentarse el conocido y molesto zumbido en los altavoces.
   
   

El siguiente vídeo nos da una explicación del funcionamiento del transformador de aislamiento  de baja tensión, junto con una prueba de funcionamiento:

Por lo general el transformador de aislamiento se coloca solamente para una sección de la instalación eléctrica, que es donde se encuentra el equipo sensible a las distorsiones de las que hablamos. Puedes disponer de un circuito especial proveniente de algún ITM de un centro de carga cercano, de acuerdo a la siguiente figura.

A continuación te presentamos 6 consejos para la instalación de un transformador de aislamiento:

1. La capacidad del transformador debe ser adecuada a la carga que alimentará.
   
   
2. La potencia requerida del transformador se determina multiplicando la corriente por el voltaje, y por seguridad se le adiciona un 20%.
   
   
3. Se tiene que instalar en un lugar ventilado y protegido, cercano a la carga que alimentará.
   
   
4. Debe ser de buena calidad, de lo contrario tendrá un algo consumo, con el gasto económico que esto implica.
   
   
5. De ser necesario, se puede instalar un ventilador para disipar el calor, o si es de uso continuo se recomienda que el transformador sea de tipo OA (enfriado por aire y sumergido en aceite dieléctrico)
   
   
6. Cuando no se utiliza el transformador, es recomendable desconectarlo de la alimentación para ahorrar energía.

Sistema trifásico en estrella

La conexión del sistema trifásico en estrella es la que se encuentra en la red del sistema forma en que se suministra la energía eléctrica en los hogares debe ser en configuración estrella ya que se genera el neutro en el lado secundario del transformador y de esta manera en las acometidas se tiene el par formado por fase y neutro.

Antes de iniciar con esta tercera parte, recordaremos brevemente lo presentado en la edición anterior. Como recordarás, se analizó de manera simple la conexión Δ, la cual generalmente se encuentra en el devanado primario o lado de alta del transformador, describimos lo correspondiente a las tensiones de línea (E_L) que son iguales entre sí y corresponden al potencial existente entre fases. Las corrientes de fase (I_F) se determinan con la tensión de línea y el valor de la impedancia aplicando la ecuación simplificada de Ohm (I_F = E_L/Z_u).

Asimismo mencionamos la existencia de otras corrientes en la conexión Δ, que son las corrientes de línea (I_L), cuyo valor se obtuvo de un breve análisis matemático partiendo de la geometría del diagrama fasorial de corrientes.

Repasado lo anterior entremos de lleno con la conexión en estrella (Y).

La función principal del transformador de distribución es bajar una tensión de entrada a otra de salida, en el caso del tema que estamos tratando la tensión de salida es aproximadamente de 127 V. La conexión de los devanados del lado secundario o de baja es en estrella (Y). La razón es simple, sin embargo, usaremos el siguiente diagrama para ilustrarlo:

Como es posible apreciar, se conecta una terminal de cada devanado con los demás para formar un nodo común, de esta manera se genera automáticamente el neutro. En la mayoría de los casos el neutro se conecta a tierra por medio de un conductor de cobre hasta la varilla de tierra instalada al pie del poste. A este conductor lo conocemos como conductor de puesta a tierra y al neutro como puesto a tierra.

A fin de hacer otro análisis de tensiones y corrientes, cambiaremos los devanados de la configuración Y por fuentes senoidales de tensión. Es posible hacer esta sustitución debido al comportamiento de un devanado, en otras palabras: cuando se acerca un campo electromagnético a un conductor enrollado en forma de bobina, se da un fenómeno de inducción, el cual es posible medir directamente en las terminales del conductor, ya que existe una diferencia de potencial. La forma en que se construyen los transformadores varía, sin embargo, los devanados de alta y baja siempre están juntos, por lo que el fenómeno de inducción existe.

Por lo anterior podemos decir que la conexión de los devanados de lado de baja es una conexión en estrella de fuentes de tensión.

A continuación mostraremos y describiremos las corrientes de línea (I_a, I_b, I_c ), corrientes de fase (I_ab, I_bc, I_ca), tensiones de línea (E_ab, E_bc, E_ca ) y tensiones de fase (E_aN, E_bN, E_cN ).

Ver también: Análisis del circuito trifásico conectado en delta

Las corrientes de línea son las que se generan de la fase de alimentación hacia la carga. Corrientes de fase son las que se presentan entre fases. Tensiones de línea, las que existe entre las fases de la conexión Y. Tensiones de fase son las que existen entre el punto común o neutro, y fase.

Observando el siguiente diagrama entenderemos mejor los conceptos anteriores, cabe mencionar que la carga debe cumplir con la característica de estar balanceada, es decir los valores de impedancia (Z) deben ser iguales, de tal forma que Z_A = Z_B = Z_C.

En realidad la característica de carga balanceada existe solo en sistemas controlados, en redes de distribución en baja tensión la carga por lo general está desbalanceada, ya que los equipos y aparatos dentro de una vivienda varían con respecto a otra.

Continuemos con el análisis de esta conexión en Y con una carga balanceada también conectada en Y, a esta conexión la llamamos conexión Y-Y.

Como ya se mencionó anteriormente, las corrientes de línea (I_L) son las que se generan en el conductor de conexión de la carga, las identificamos con los subíndices correspondientes de la fase, en el caso de la conexión con la carga balanceada son las mismas, es decir: I_L = I_a = I_b = I_c. También podemos decir que las corrientes de línea son las que se generan en cada fase en relación con el neutro.

Las corrientes de fase se generan en las cargas conectadas a las fases y dependen del valor de la carga; del mismo modo, si la carga es balanceada, las corrientes de fase son iguales entre sí: I_F = I_ab = I_bc = I_ca.

Las tensiones de línea son iguales entre sí, tomando como principio que los devanados del transformador y la inducción del primario sobre el secundario es exactamente la misma, por lo cual: E_L = E_ab = E_bc = E_ca. La tensión de fase es la diferencia de potencial que hay entre el neutro (N) y fase, siguiendo la idea de que son sistemas balanceados: E_F = E_aN = E_bN = E_cN.

De las E_L y E_F podemos decir que las primeras son mayores con respecto a las segundas en un 73.2% aproximadamente. Esto debido a que están afectadas por una 3 , resultado de un análisis de un diagrama fasorial, similar al que se realizó en el número anterior. Por lo tanto: E_L = 3 E_F, además de que existe un desfasamiento entre ellas de 30º.

Veamos el siguiente diagrama fasorial:

En este diagrama podemos observar los desfasamientos que existen entre las tensiones de fase y tensiones de línea. Del desarrollo del diagrama fasorial tenemos lo siguiente:

La tensión de fase (E_aN)se toma como referencia, por lo tanto no tiene ángulo de desfasamiento, así que podemos representarla de la siguiente manera: E_aN = E_L∠0º ; la otra tensión de fase E_bN sí tiene un desfasamiento de 120º respecto a la de referencia, entonces se representa de la siguiente manera: E_bN = E_L∠120º , lo mismo ocurre con la tensión de E_cN , que está desfasada 120º con respecto a la E_bN y 240º con respecto a E_aN, que es la de referencia; por lo tanto la representamos así: E_cN = E_L∠240º o bien E_cN = E_L∠ −120º .

Análisis del circuito trifásico conectado en delta

El uso de un sistema trifásico en instalaciones eléctricas residenciales está siendo cada vez más socorrido, ya que con una instalación monofásica frecuentemente se superan los tipos de consumo establecidos por la CFE, por lo que la facturación aumenta.
Las líneas de distribución que están soportadas en postes y llegan a los transformadores de distribución. Si observas los cables que se conectan a las boquillas del transformador de distribución, notarás que son únicamente tres conductores, correspondientes a las tres fases del sistema de distribución de media o baja tensión, y en la salida hay cuatro conductores. Esto se debe a que la conexión del primario es trifásica a tres hilos, por lo general en conexión delta (Δ), y en el secundario es estrella (Y) a cuatro hilos.
La conexión delta (Δ) se realiza en el primario del transformador, los devanados deben conectarse en serie formando la Δ y se conecta una fase en cada punto de unión entre los devanados.

Diagrama de conexión en Δ de los devanados primarios del transformador

Haremos un pequeño análisis de tensión y corriente en la conexión Δ.
Como se puede apreciar en el diagrama, la conexión en Δ no posee neutro, una vez entendido esto trabajaremos con tres fases. Los devanados del transformador los tomaremos como impedancias Z_A, Z_B y Z_C del mismo valor, ya que el sistema siempre debe estar balanceado.
Para entender mejor el análisis usaremos el siguiente diagrama:

Dadas las condiciones anteriores es posible hacer las siguientes afirmaciones:
La tensión de línea (E_L) es igual para todas las fases, por lo tanto E_L = |E_ab| = |E_bc| = |E_ca| y, como mencionamos anteriormente, las impedancias también son iguales entre sí, es decir: Z_A = Z_B = Z_C, debido a ello y para facilitar su representación las identificaremos como una sola impedancia: Z_u.
Las corrientes son sencillas de calcular dado que I_AB = E_ab/Z_u y, dado que las tensiones e impedancias son iguales, las corrientes también lo serán, entonces I_BC = E_bc/Z_u e I_CA = E_ca/Z_u
A estas corrientes se las conoce como corrientes de fase (I_F).
La corriente de línea (I_L) es la que va del punto de alimentación al punto de conexión con la carga, por ejemplo, la que existe entre el punto a y el punto de conexión A, su valor es la diferencia de las corrientes de fase I_AB e I_CA , es decir, I_aA = I_AB - I_CA . Las otras corrientes de línea se determinan de la misma manera, aquí vale la pena observar bien la ecuación, habíamos dicho que las tensiones son iguales entre sí, lo mismo ocurre con el valor de las impedancias, debido a ello las corrientes también serán iguales, entonces… ¿el valor de I_aA debería ser cero?
La respuesta es: no, ya que existe un ángulo de desfasamiento de 30º entre las corrientes de línea y de fase, así mismo hay 120º entre las corrientes de fase.
Nos valdremos del siguiente diagrama para representar todo lo que se ha mencionado anteriormente:

A este tipo de representación, se le conoce como diagrama fasorial. El diagrama fasorial es una
representación gráfica por medio de vectores. Un vector es un segmento de recta que tiene magnitud, dirección y sentido.
Una vez construido el diagrama, analicemos sólo una parte de ella para demostrar que la corriente de línea no es cero.

Seleccionamos la correspondiente a la I_aA al proyectar una línea perpendicular de I_AB , hasta I_aA. Notaremos inmediatamente que se forman dos triángulos iguales, esto resulta obvio ya que afirmamos que I_AB e I_CA son de igual magnitud, por lo tanto, IaA se divide en dos partes iguales con magnitud ½I_aA:

Analicemos el triangulo formado por: I_AB , I_aA y el ángulo de 30º.

Aplicamos una relación trigonométrica con base en un ángulo conocido: cosƟ = C_a/h, para este caso el cateto adyacente (C_a), la hipotenusa h y el ángulo Ɵ serán: I_aA, I_AB y 30º respectivamente.
Aplicando en la ecuación trigonométrica queda de la siguiente forma: cos30º = ½I_aA/I_AB, no olvidemos que deseamos determinar el valor de la corriente de línea, por lo tanto, la despejamos: cos30º = ½I_aA/I_AB entonces I_ABcos30º = ½I_aA , ordenando ½I_aA = I_ABcos30º.
De esta ecuación es posible determinar el valor completo de I_aA; queda de la siguiente manera: I_aA = 2I_ABcos30º y con ello demostramos que el valor de la corriente de fase no es cero.
Bien, aprovechemos para determinar la ecuación simplificada de la corriente de línea, para ello haremos uso de la equivalencia cos30º = √3/2 . Sustituyendo en la ecuación anterior tenemos
que:

          I_aA = 2I_ABcos30º = I_aA = 2I_AB√3/2 = I_aA = √3I_AB

Retomando los conceptos anteriores de corrientes de línea (I_L) y de fase (I_F), podemos afirmar que:

          I_L = │I_aA│=│I_bB│ = │I_cC│; e I_F = │I_AB│=│I_BC│ = │I_CA│.

Por lo tanto nuestra ecuación para determinar la corriente de línea es I_L = √3I_F .
En resumen, para un sistema trifásico equilibrado conectado en delta (Δ) y alimentado por una fuente balanceada:

1. La tensión de línea es igual para todas las cargas:

E_L = │E_ab│=│E_bc│ = │E_ca│


2. La impedancia de las cargas es la misma:

Z_u = Z_A = Z_B = Z_C .


3. La corriente de fase se calcula como:
I_{F =} E_L/Z_u


4. La corriente de línea se determina con la ecuación simplificada:

I_L = √3I_F .

Con esto terminamos el análisis de tensiones y corrientes en los devanados del primario del transformador de distribución, en una próxima entrada analizaremos la conexión en estrella (Y), que
corresponde al lado secundario del transformador y la conexión a una carga trifásica balanceada.

Nota: Cuando un número(s) se presenta encerrado(s) entre dos barras, indica que es un valor absoluto, o bien una magnitud que no está afectada por ningún signo.

5 tipos de subestaciones eléctricas

Por su función, las subestaciones eléctricas se clasifican en:

1. Subestaciones en las plantas generadoras o centrales eléctricas. Modifican los parámetros de la energía suministrada por los generadores para poder transmitirla en alta tensión. Los generadores pueden suministrar la potencia entre 5 y 25 kV. La transmisión depende del volumen, la energía y la distancia.
   
   
   
   
   
2. Subestaciones receptoras primarias. Reciben alimentación directa de las líneas de transmisión y reducen la tensión para alimentar los sistemas de subtransmisión o las redes de distribución. Pueden tener en su secundario tensiones de 115, 69, 34.5, 6.9 ó 4.16 kV.
   
   
   
   
   
3. Subestaciones receptoras secundarias. Reciben alimentación de las redes de subtransmisión y suministran la energía a las redes de distribución a tensiones comprendidas entre 34.5 y 6.9 kV.
   
   
   
   
   

Ver también: 8 partes de las subestaciones eléctricas

Por el tipo de instalación, se clasifican en:

1. Subestaciones tipo intemperie. Son instalaciones de sistemas de alta y muy alta tensión generalmente, y están habilitadas para resistir las diversas condiciones atmosféricas.
   
   
   
   
   
2. Subestaciones tipo blindado. Son una variante del tipo interior, se instalan en edificios que disponen de espacios reducidos para alojarlas. Sus componentes deben estar bien protegidos.
   
   
   
   
   

Los parámetros eléctricos a considerar para definir el tipo de construcción y los equipos y aparatos de las subestaciones son: la tensión que requiere la instalación, el nivel de aislamiento aceptable en los aparatos, la corriente máxima y la corriente de corto circuito.

Las tensiones del sistema eléctrico nacional, según lo reportado por CFE son:

• Para transmisión: 161, 230 y 400 kV.
• Para subtransmisión: 69, 85, 115 y 138 kV.
• La red de distribución está integrada por las líneas de subtransmisión con los niveles mencionados anteriormente de 69, 85, 115 y 138 kV; así como las de distribución en niveles de 34.5, 23, 13.8, 6.6, 4.16 y 2.4 kV y baja tensión.
• Para distribución en plantas industriales: 34.5 kV, 23 kV, 13.8 kV, 4.16 kV, 440 V, 220/127 V.

Entre los beneficios que proporcionan las subestaciones eléctricas podemos mencionar:

1. Mayor seguridad en el suministro. Por lo general, la alimentación de las subestaciones proviene de líneas de alto voltaje que por estar protegidas hacen que la probabilidad de fallo sea menor. Por lo tanto, existe una mejor regulación del voltaje.
   
   
2. Uso racional de energéticos. Al reducir las caídas de tensión, el uso de conductores de grueso calibre también disminuye, de modo que es posible tener voltajes de distribución de 440 V, 2300 V, 4160 V, etc., con los que habrá menos pérdidas.
   
   
3. Economía. El costo del suministro de energía de alta tensión es más bajo que el de baja tensión. Además, la instalación de subestaciones en los grandes centros de consumo permite ahorrar materiales como cables y conductos.
   
   

Antes de diseñar una subestación, es necesario solicitar a la compañía proveedora de energía eléctrica datos como el nivel de voltaje disponible, la variación del nivel de voltaje, el punto de entrega del suministro y la ruta de la línea, la corriente de corto circuito trifásico y monofásico en el punto de suministro y las tarifas.

8 partes de las subestaciones eléctricas

Para que la energía eléctrica llegue a los distintos centros de consumo, recorre un largo camino que inicia en las centrales generadoras. Las subestaciones son uno de los subsistemas que conforman el sistema eléctrico, su función es modificar los parámetros de la energía para hacer posible su transmisión y distribución.

Las subestaciones eléctricas intervienen en la generación, transformación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. Una subestación eléctrica está compuesta por dispositivos capaces de modificar los parámetros de la potencia eléctrica (tensión, corriente, frecuencia, etc.) y son un medio de interconexión y despacho entre las diferentes líneas de un sistema eléctrico.

Los elementos principales de una subestación son:

1. Transformador. Es una máquina eléctrica estática que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro conservando la frecuencia constante, opera bajo el principio de inducción electromagnética y tiene circuitos eléctricos que están enlazados magnéticamente y aislados eléctricamente.
   
   
2. Interruptor de potencia. Interrumpe y restablece la continuidad de un circuito eléctrico. La interrupción se debe efectuar con carga o corriente de corto circuito.
   
   
3. Restaurador. Es un interruptor de aceite con sus tres contactos dentro de un mismo tanque y que opera en capacidades interruptivas bajas. Los restauradores están construidos para funcionar con tres operaciones de recierre y cuatro aperturas con un intervalo entre una y otra; en la última apertura el cierre debe ser manual, ya que indica que la falla es permanente.


Ver también: El sistema de distribución de la energía eléctrica


4. Cuchillas fusibles. Son elementos de conexión y desconexión de circuitos eléctricos. Tienen dos funciones: una como cuchilla desconectadora, para lo cual se conecta y desconecta, y otra como elemento de protección. El elemento de protección lo constituye el dispositivo fusible que se encuentra dentro del cartucho de conexión y desconexión.
   
   
5. Cuchillas desconectadoras y cuchillas de prueba. Sirven para desconectar físicamente un circuito eléctrico. Por lo general se operan sin carga, pero con algunos aditamentos se puede operar con carga hasta ciertos límites.
   
   
6. Apartarrayos. Se encuentra conectado permanentemente en el sistema, descarga la corriente a tierra cuando se presenta una sobretensión de determinada magnitud. Su operación se basa en la formación de un arco eléctrico entre dos explosores cuando se alcanza el valor para el cual esta calibrado o dimensionado.
   
   
7. Transformadores de instrumento. Existen dos tipos: transformadores de corriente (TC), cuya función principal es cambiar el valor de la corriente en su primario a otro en el secundario; y transformadores de potencial (TP), cuya función principal es transformar los valores de voltaje sin tomar en cuenta la corriente. Estos valores sirven como lecturas en tiempo real para instrumentos de medición, control o protección que requieran señales de corriente o voltaje.
   
   
8. Barras o buses. Son las terminales de conexión por fase.
   
   

El sistema eléctrico está compuesto por las centrales generadoras, líneas de transporte, subestaciones, líneas de distribución y centros de consumo.

Los sistemas de una subestación son:

• Sistema de protección contra sobrevoltaje y sobrecorriente
• Sistema de medición y control
• Sistema de barras colectoras o buses
• Sistemas auxiliares: sistema de enfriamiento, filtrado de aceite, presión etc.

La caída de tensión

La caída de tensión es un fenómeno que se presenta en los conductores eléctricos cuando alimentan una carga a cierta distancia del punto de alimentación. Esto quiere decir que cuando se suministra energía eléctrica a una distancia considerable, la tensión en el punto de conexión de alimentación y la tensión en el punto de conexión en la carga son diferentes.

La caída de tensión puede presentarse del transformador a la vivienda, y en ésta, del punto más cercano al punto más alejado del interruptor principal.

Una forma sencilla de determinar la caída es medir con un multímetro la tensión en el contacto que esté más cerca del interruptor principal de una vivienda, y después hacer la misma medición en el contacto más alejado.

Notaremos que la tensión es mayor en el lugar más cercano al interruptor principal que en el más alejado. Hay que considerar que la tensión varía constantemente, por lo que a veces es necesario promediarla. Si sucede lo contrario, se debe a alguna equivocación en las lecturas o a una instalación incorrecta.

Si la diferencia es grande (10 ó 15 V), habrá problemas en los equipos o electrodomésticos que estén instalados; por el contrario, si la diferencia es pequeña (2 ó 3 V), la instalación será confiable y eficiente.

En las instalaciones eléctricas residenciales bien hechas, la diferencia entre los voltajes no debe exceder los 2 ó 3 V desde la entrada de la vivienda hasta la última habitación. Habrá viviendas pequeñas en las que la tensión sea la misma en estos dos puntos. Actualmente, la compañía suministradora de electricidad debería proporcionar una tensión de alimentación de 120 V. En realidad esto no ocurre a menos que el transformador que alimenta la zona esté frente a nuestra casa.

Este transformador, que es el alimentador general para un conjunto de viviendas, regularmente se ubica a 10, 20, 30, 50, 80 ó más metros, por lo que se recurre a líneas de distribución, aéreas o subterráneas, que llevan la energía eléctrica a todas las viviendas, utilizando conductores eléctricos colocados en postes, o bien, tuberías especiales de polietileno cuando las líneas de distribución son subterráneas en las grandes ciudades.

En cualquier caso hay conductores eléctricos que van del transformador a una vivienda.

Si la distancia entre el transformador y la vivienda es muy grande, el conductor utilizado para hacer llegar la energía eléctrica también será muy extenso así que existirá una mayor caída de tensión.

Todos los aparatos eléctricos están diseñados para funcionar a tensiones ligeramente inferiores o superiores a la que se especifica en la placa de datos.

Si un aparato estuviera conectado al contacto más alejado del interruptor principal de la vivienda con una tensión de 100 V, éste no funcionaría óptimamente; por ejemplo, si se tratara de una lámpara, la intensidad luminosa sería menor aunque no se percibiría a simple vista; si se tratara de un aparato que tuviera motor, el rendimiento de éste sería menor y podría incluso detenerse o sobrecalentarse (esto se explicará más adelante); y si se tratara de una televisión tipo TRC, la imagen se reduciría en la pantalla.

Sin embargo, con las cargas eléctricas que realizan un trabajo, es decir, que necesitan cierta cantidad de energía entregada a la carga, la condición es especial. Por ejemplo, una cafetera eléctrica necesita cierta cantidad de energía para que el agua alcance el punto de ebullición en un tiempo determinado.

Si las especificaciones técnicas para una cafetera eléctrica son 127 V~ 1200 W de tensión y de potencia nominal respectivamente, el valor de la resistencia total del aparato se define de la siguiente manera:

Donde:
P= Potencia eléctrica en watts
E= Tensión eléctrica en volts
R= Resistencia
f.p.= Factor de potencia
Nota. El factor de potencia para elementos resistivos es la unidad.

Sustituyendo la corriente de la ley de Ohm en la de Watt, se tiene:

Despejando R se obtiene:

Ver también: 5 pasos para realizar la medición de tensión eléctrica con un multímetro.

Con los datos del ejemplo:

Una vez determinada la resistencia de la cafetera con base en los datos de placa (que según el fabricante son las condiciones óptimas de operación), comparemos la potencia consumida con una tensión menor a la indicada en la placa de datos.

La potencia a 127 V es 1200 W.

Si tenemos una tensión real de 115 V, la potencia disminuye dado que

Lo cual nos indica que la potencia a 115 V es 18% menor que la potencia a 127 V. Esta reducción en la potencia debida a una tensión menor que la nominal repercutirá en un tiempo mayor de operación de la cafetera.

Retomando el tema del motor eléctrico, si tenemos un molino de café, la fuerza o torque necesarios para triturar determinada cantidad de grano depende directamente de la potencia eléctrica suministrada al motor.

La ley de Watt mencionada anteriormente fue P = E x I x f.p. Para el torque del motor es P = T x K donde:
P= Potencia en watts
E= Tensión en volts
I= Corriente en amperes
f .p. = factor de potencia
T= Torque o fuerza del motor en newton-metros [Nm]
K= Eficiencia del motor/9550

Igualando ambas expresiones tenemos la siguiente relación:

Por lo tanto el torque es:

En este caso resulta evidente que la fuerza del motor varía directamente con respecto a la tensión E. Si la tensión es la nominal, se tendrá el torque nominal; si la tensión se reduce, el torque disminuye y la corriente demandada aumenta provocando calentamiento en los conductores de alimentación, los devanados del motor se sobrecalientan, es decir, el sistema eléctrico se vuelve inestable llegando al punto de accionar la protección contra sobrecorriente. Si las protecciones no están bien dimensionadas o la coordinación de protecciones no es correcta, el sistema eléctrico puede llegar incluso a generar un incendio.

Cuando hay caídas de tensión importantes, se recomienda dimensionar nuevamente la instalación eléctrica antes de que ocurra un problema más grande.

Dos maneras de solucionar este problema son:

1. Cambiar los conductores por unos de mayor calibre.

2. Dividir la carga en varios circuitos.

Recuerda que la caída de tensión puede ser:

1. Del transformador a la vivienda
   


2. Del punto más cercano al punto más alejado del interruptor principal dentro de la vivienda, debido a que las longitudes del conductor se van incrementando.

En conclusión se puede decir que para una determinada corriente eléctrica, a mayor longitud del conductor, mayor resistencia, por lo tanto mayor caída de tensión.

9 tipos de enfriamiento de los transformadores eléctricos

La selección del método de enfriamiento de un transformador es muy importante, ya que la disipación del calor influye mucho en el tiempo de vida y capacidad de carga, así como en el área de instalación y costo. Cualquier método de enfriamiento empleado debe ser capaz de mantener una temperatura de operación suficientemente baja y prevenir “puntos calientes” en cualquier parte.

Un transformador eléctrico es un dispositivo que permite aumentar o disminuir el voltaje basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Sus descubridores, el físico y químico británico Michael Faraday (1791-1867) y el físico estadounidense Joseph Henry (1797-1878), observaron que se podía generar corriente eléctrica por el movimiento relativo de un imán dentro de una bobina, a este fenómeno se le dio el nombre de inducción electromagnética. La magnitud del voltaje que se induce depende del ritmo con el que el alambre corte las líneas del campo magnético (la variación del flujo magnético).

En su forma más simple están constituidos por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado, generalmente de hierro. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario, según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión.

Cuando hablamos de la relación entre las tensiones y corrientes entre el primario y el secundario de un transformador, sabemos que, prácticamente, la potencia del primario es igual a la del secundario. Sin embargo, sucede que muchas veces un transformador, por cuestiones como la mala calidad de los materiales empleados o su deficiente construcción, etc., no entrega en su secundario toda la potencia absorbida por el primario.

Los transformadores generalmente son enfriados por aire o aceite. Se considera que el aceite es uno de los mejores medios de refrigeración porque posee buenas propiedades dieléctricas y cumple como aislante eléctrico, actúa como refrigerante y protege los materiales aislantes de la humedad y el aire.

Ver también: 5 Tipos de Transformadores de distribución

De acuerdo con las normas americanas (ASA C57-1948) se han normalizado o definido algunos métodos básicos de enfriamiento, mismos que se usan con la misma designación en México y son los siguientes:

1. Tipo AA
   Transformador tipo seco con enfriamiento propio. No contiene aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas. Por lo general son fabricados con capacidades inferiores a 2000 kVA y voltajes menores de 15 kV.
   
   
   
   
   
2. Tipo AFA
   Transformador tipo seco con enfriamiento por aire forzado. Se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores.
   
   
3. Tipo AA/FA
   Transformador tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado. Es básicamente de tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor.
   
   
   
4. Tipo OA
   Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. En éstos, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque que tiene paredes lisas o corrugadas, o bien provistos con tubos radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV.
   
   
   
   
   
5. Tipo OA/FA
   Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado. Es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en las superficies de enfriamiento.
   
   
   
   
   
6. Tipo OA/FOA/FOA
   Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio/con aceite forzado - aire forzado/con aceite forzado/aire forzado. Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de operación (carga) de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas, con lo que se logra aumentar 1.33 veces la capacidad del tipo OA; con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10 000 kVA monofásicos 15 000 kVA trifásicos.
   
   
   
   
   
7. Tipo FOA
   Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire forzado. Éste puede absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.
   
   
   
   
   
8. Tipo OW
   Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento por agua. En éste, el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite circula alrededor de los serpentines por convección natural.
   
   
9. Tipo FOW
   Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo es prácticamente igual que el FO, sólo que el cambiador de calor es del tipo agua-aceite y se hace el enfriamiento por agua sin tener ventiladores.
   Hablando de los transformadores de potencia, podemos decir que una disipación de tan sólo 0,5% de la potencia de un gran transformador genera enormes cantidades de calor y es importante considerarlo, ya que éste es un factor clave en el envejecimiento de los materiales aislantes cuando la temperatura pasa de ciertos límites, por lo que se hace necesario el uso de dispositivos de refrigeración.

Transmisión y distribución de la energía eléctrica

La energía eléctrica se genera en el momento en que se va a consumir, ya que uno de sus inconvenientes es que no se puede almacenar en grandes cantidades; se debe transmitir a través de una gran red de cables tendidos sobre torres metálicas, interconectados entre sí, que hacen llegar
la energía eléctrica a los lugares donde se consume.

Desde las instalaciones electricas residenciales hasta grandes complejos industriales, desde una granja en el campo hasta un hospital en una gran ciudad, pasando por comercios, oficinas y fábricas, se hace llegar donde se requiera, a todos los rincones del país.

Para lograr esto, se debe aumentar el voltaje a la energía que se genera, porque de este modo se transmite con más eficiencia; conforme llega al lugar donde será consumida, el voltaje (o tensión) se reduce a los valores adecuados por medio de transformadores, y se hace de manera gradual, de acuerdo a la distancia entre el lugar donde se genera y donde se consume.

La primera transmisión a distancia de la corriente alterna trifásica fue la de una central hidroeléctrica de 200 kW en Alemania, en 1891, a una distancia de 170 km.

La tensión del generador se elevaba de 95 a 15,000V, tensión de transmisión y luego se reducía hasta 113V y se aplicaba a un motor asincrónico trifásico de 75 kW que accionaba una unidad de bombeo.

Ver también: 5 tipos de centrales generadoras.

El desarrollo de las aplicaciones industriales de la electricidad, que iniciaron a fines del siglo XIX, se orientó sobre dos caminos, la corriente directa y la corriente alterna, esta última en las frecuencias exigidas por distintas necesidades, de 15, 25, 42, 45, 50 y 60 Hz.

Estas se fueron unificando y actualmente se utilizan las de 50 y 60 Hz.

En nuestro país las líneas eléctricas se dividen de la siguiente manera:

1. Transmisión: Operan en 400, 230, 161 y 150 kV, recorren distancias del orden de los 200 km y forman grandes redes que se les denomina troncales.
2. Sub transmisión: operan con niveles de tensión de 138, 115, 85 y 69 kV
3. Distribución: operan con niveles de 34.5, 23, 13.8, 6.6, 4.16 y 2.4 kV.

Se estima que en México la longitud de los diferentes tipos de líneas era de 46,052 km para las líneas de transmisión, de 45,763 km para las líneas de sub transmisión y 598,988 km para las de distribución.

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5 Tipos de Transformadores de distribución

Una de las principales razones por las que se emplea la corriente alterna y no la directa o la continua en la producción, transporte, distribución y consumo de la electricidad, es la facilidad con la que se puede elevar y reducir la tensión de la corriente alterna mediante el uso de transformadores.
Existen diversos tipos de transformadores adecuados para cada aplicación, uso y potencia. Los transformadores de distribución son los más comunes ya que se usan para potencias de 500kVA o inferiores y tensiones de 67,000 V o menos. Los hay monofásicos y trifásicos, la mayoría están diseñados para ser montados en postes, algunos de potencia por arriba de los 18,000 V se construyen para ser montados sobre estaciones o plataformas.

Ver también: Estructura interna de un Transformador.

Estos son algunos tipos de transformadores:

1. Transformadores tipo poste. Se utilizan a la intemperie o en interiores para distribución de energía eléctrica en media tensión. Se emplean en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se pueden construir en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variación de tensión se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga.
   
   
   


2. Transformadores secos encapsulados en resina epoxi. Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Son adecuados para grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislamiento clase F, se utiliza resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, por lo cual no requieren mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
   
   
   


3. Transformadores herméticos de llenado integral. Se emplean a la intemperie o en interiores para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son instalados en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
   
   
   


4. Transformadores rurales. Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas monofilares, bifilares y trifilares, de 7.6, 13.2 y 15 kV. En redes trifilares se pueden utilizar transformadores trifásicos o bien, ser sustituidos por tres monofásicos.
   
   
   


5. Transformadores subterraneos. Su construcción es adecuada para instalarse en cámaras, en cualquier nivel, para ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza. Se fabrican en potencias de 150 a 2000kVA, para Alta Tensión de 15 o 24,2kV; y Baja Tensión de 216,5/125V; 220/127V; 380/220V o 400/231V.
   
   
   


6. Transformadores autoprotegidos. El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, cortocircuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto posee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque. Para protección contra sobre tensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque. Se fabrican en potencias de 45 a 150KVA, para Alta Tensión de 15 o 24,2KV; y Baja Tensión de 380/220 o 220/127V.
   
   
   

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Estructura interna de un Transformador

Los transformadores pueden presentar diferentes formas de núcleos; dos ejemplos de ello son la forma tipo núcleo y la forma tipo acorazada. La segunda es más eficiente, ya que reduce la dispersión de líneas de flujo magnético.

Ver también: Transformadores

La representación esquemática del transformador es la siguiente:

La bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna, esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro, el cual circulará a través de las espiras del bobinado secundario ya que está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro.
Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del secundario, se generará en él un voltaje de tal forma que si hubiera una carga conectada, circularía un flujo de corriente.
La razón de la transformación del voltaje entre el bobinado primario y el secundario depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es tres veces más que el del primario, en el secundario habrá el triple de voltaje.

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