En el mundo de la tecnología existen una infinidad de aparatos eléctricos diseñados por el hombre que permiten la transformación de la energía de una manera segura y rápida, por lo que en este artículo se indicará la utilidad de un transformador trifásico y sus características más relevantes.
Historia
El hombre, en su constante búsqueda de la historia y evolución de la tecnología, investigó el campo de la energía eléctrica desde la antigüedad, obteniendo valiosos resultados que hasta nuestros días marcan la diferencia, haciendo la vida más fácil y confortable para la población.
Grandes inventores como Michael Faraday, quién es considerado como uno de los científicos más brillantes de la historia, a pesar de su escasa educación formal, en el año de 1831 y a través de sus experimentos, descubrió el principio de la inducción electromagnética.
El descubrimiento de Faraday, preparó el camino para la expansión de la creatividad humana en el futuro y de esta manera surgirían ideas para la creación de aparatos eléctricos, muy importantes para el uso común, así como el transformador eléctrico, el cual no deja de asombrar a la humanidad con su gran utilidad.
Por consiguiente, si este gran científico hubiese presenciado las maravillas tecnológicas de hoy en día, estaría muy orgulloso de que otros inventores hayan seguido sus pasos y mejorado sus prototipos antiguos con la creación de grandes aparatos eléctricos modernos.
La transformación de la energía eléctrica para el uso doméstico e industrial, es uno de los descubrimientos más valiosos que ha recibido la humanidad, ya que recientemente se ha comprobado que al generarse un problema y/o falla en el suministro eléctrico, las personas se sienten indefensas e inseguras, hasta que se restablece el servicio, por lo que es un fenómeno psicológico digno de estudio.
Las grandes empresas hidroeléctricas generan un gran porcentaje de la energía que se utiliza en el mundo entero, sin embargo, esta energía debe transformarse para disminuir su intensidad inicial y de esta manera, pueda llegar a los hogares y sitios de trabajo de forma apropiada y segura, ya que en su estado inicial no es posible utilizarla.
¿Qué es un Transformador?
En este sentido, para entender claramente lo que es un transformador, se explicará de la manera más sencilla posible, a fin de obtener una visión de lo que es dicho aparato eléctrico y como funciona, lo que conlleva a que se puedan entrelazar el resto de los elementos que lo componen.
Se entiende por transformador, un aparato eléctrico que regula la tensión de la corriente alterna que pasa a través de sus componentes, a fin de que dicho voltaje sea trasladado a un equipo de manera segura y con menor o mayor tensión, dependiendo de lo que se requiera.
Podemos destacar, otro concepto de lo que es un transformador, el cual expresa que es una máquina eléctrica compuesta por un devanado y/o bobina de cobre, identificadas como devanado primario y devanado secundario, enrollados en un núcleo elaborado con acero, por donde circula un flujo de corriente alterna.
Es importante resaltar, que el devanado primario recibe la carga en un alto voltaje y cuando es trasladada a los devanados secundarios se transforma en un voltaje mucho menor apto para ser transferido a los lugares donde será usado. Todo este proceso ocurre dentro del transformador.
¿Qué es un Transformador Trifásico?
Un transformador trifásico se utiliza para distribuir la corriente eléctrica desde el punto donde se origina, el cual puede ser un sistema de potencias eléctricas hasta su distribución final, originando tres (03) fases de la corriente alterna, por lo que es altamente utilizado por las grandes empresas generadoras de electricidad a nivel mundial.
Este transformador trifásico cuenta con un núcleo de tres (03) columnas, constituidas por acero muy delgadas, donde se encuentran enrolladas seis (06) bobinas y/o devanados de cobre, por lo que, tres (03) de estas bobinas serán destinadas a las líneas primarias y las tres (03) restantes a las líneas secundarias y de menor voltaje.
Para conformar un transformador trifásico se pudieran unir tres (03) transformadores monofásicos, entrelazados entre sí, para generar diversas líneas de voltaje, que se puedan utilizar a la vez, cumpliendo con las Conexiones Eléctricas en forma de estrella y delta.
El devanado de este tipo de transformador trifásico se construye insertando el devanado de baja tensión, dentro del devanado de alta tensión, es decir, ambos devanados se solapan, conservando el número de vueltas que los distinguen a cada uno y los niveles de voltaje que producen.
Los devanados de menor voltaje se conectan en forma de triángulo y los de mayor voltaje se conectan en forma de estrella, para obtener una diferencia mayor en el voltaje y allí se desprende una cuarta fase llamado neutro.
Función de un Transformador Trifásico
La función principal de un transformador trifásico es incrementar o reducir los niveles de voltaje de un circuito de corriente alterna, en consecuencia, los transformadores reciben corriente alterna a un alto voltaje y son capaces de transformarla a un voltaje mucho menor, para transportar dicha corriente a muy largas distancias y reduciendo las pérdidas de energía.
En este sentido, otra manera de entender la funcionalidad de un transformador trifásico, es que dicho aparato está capacitado para recibir una gran carga de voltaje y transformar esa energía y/o corriente eléctrica en diversos voltajes muchos menores, con la finalidad de que puedan ser usados por los consumidores finales.
Estructura del Transformador Trifásico
En principio, para la construcción de un transformador trifásico se deben tener dos (02) transformadores monofásicos, los cuales se deben unir de manera minuciosa a dos (02) líneas de media tensión, respetando las diversas salidas de las bobinas contenidas en cada uno de ellos.
Seguidamente, las salidas identificadas con la letra H1 de cada transformador deben ser unidas a cada una de las líneas de alta tensión, las cuales se identificarán como línea R y línea S, respectivamente, por lo tanto, el transformador T1, se unirá a la línea R y el transformador T2 será unido a la línea S.
En este sentido, se debe proceder a cerrar el circuito y esto se logrará uniendo las cubas de ambos transformadores a través de un puente, el cual estará específicamente conectado a los puntos donde se unen el segundo terminal de las primeras bobinas y la cuba de cada transformador. Esta configuración se conoce como estrella.
Ahora bien, se debe conectar un segundo puente desde la salida x1 del transformador T1, hasta la salida x3 del transformador T2 y las salidas restantes (x1 T1 y x3 T2) se deben anclar a las líneas de tensión restantes identificadas como n,r,s y t, sin embargo, la salida x2 T1 tendrá su conexión a tierra y estará anclado a la cuba del transformador T1, de esta manera se genera la configuración Delta en el transformador T2, porque en el transformador T1, tenemos la configuración estrella anclada a tierra.
Es por ello que con esta configuración, se obtendrán dos (2) fases de 240 voltios, dos (02) fases de 120 voltios y una fase de 208 voltios, lo cual se traduce en que se puede usar un transformador monofásico y trifásico a la vez.
Cabe resaltar, que en la fase de 208 voltios no se pueden colocar cargas monofásicas, sin embargo, se pueden realizar las conexiones de otra manera menos compleja, siempre y cuando se respeten los diagramas de estrella y delta, colocando las cargas monofásicas en el primer transformador (T1) y las trifásicas en el segundo transformador (T2), a fin de evitar inconvenientes innecesarios que generen riesgos de explosión, motivado a la sobrecarga de energía eléctrica.
Por lo antes expuesto, se evidencia una complejidad alta en la diagramación de estos transformadores, por lo que se sugiere que este tipo de conexiones sean analizadas por expertos en el área de la electricidad.
Tipos de Transformadores Trifásicos
El transformador trifásico se puede convertir utilizando tres transformadores monofásicos, cada uno de ellos tiene características y distinta funcionalidad, eso depende de la cantidad de carga eléctrica para lo que se utilice, sin embargo los más importantes se clasifican en:
Transformador Monofásico
El transformador monofásico, está constituido por una canilla de cobre y una canilla secundaria, las cuales estarán plegadas a un núcleo ferro magnético, el cual conservará contenido de flujo electromagnético en su interior y circulará en igual proporción a través de ambas bobinas.
Asimismo, cada bobina generará su propia energía electromotriz, ya que esto depende del número de vueltas que tenga para lograr una mayor o menor tensión, motivado a que las bobinas secundarias siempre generarán menor tensión para ser trasladadas a su destino final.
Este tipo de Motor Monofásico es uno de los más sencillos y además es utilizado comúnmente en los sistemas eléctricos de baja tensión.
Transformador Trifásico tipo acorazonado
Es un transformador que oprime la dispersión magnética, su uso es más frecuente que en los transformadores monofásico. Es mejor que el transformador tipo núcleo.
En este transformador el núcleo acorazado se ubica sobre la columna central.
Transformador Trifásico tipo núcleo con tres columnas
El núcleo está compuesto por un material ferromagnético, de forma generalmente cuadrada y/o rectangular, donde se enrollan las bobinas o devanados primario y secundario y cuya función principal es mantener el flujo electromagnético en su interior.
Las láminas de acero que conforman el núcleo evitan la fuga de corrientes parásitas, ya que estas transmiten calor por el efecto joule en el cobre, utilizado en los devanados y/o bobinas.
Partes que conforman un Transformador Trifásico
En cuanto a los términos técnicos y funciones de cada componente que interviene en el proceso de transformación de la energía eléctrica, se pueden catalogar como algo complejos, sin embargo, es importante descifrar el significado de cada uno de los elementos involucrados, a fin de determinar las características más relevantes y conocer las partes de un transformador trifásico:
- Devanado y/o bobina
El devanado o bobina es el alambre de cobre que se encuentra enrollado en el núcleo y que sirve como conductor de la corriente para recibirla y reducir su potencia en un voltaje mucho menor de cómo ingresó en el transformador, de esta manera podrá ser canalizada a las distintas líneas de tensión que se encuentren vinculadas al banco del transformador.
En este sentido, la cantidad de vueltas que tenga el devanado o bobina de cobre influirá directamente en el nivel del voltaje que se desea obtener, es decir, a mayor vueltas mayor voltaje tendrá y viceversa.
- Indicador de nivel de aceite
El indicador del nivel de aceite es el que te revela que puede verificar el nivel del aceite que contiene el transformador.
- Depósito de expansión
Es un aparato que sirve de cámara de expansión para verificar la variación del aceite, motivado al volumen de subida da la temperatura.
- Pasa-tapas de entrada
Es el que conecta el bobinado principal del transformador con el punto eléctrico de entrada a la estación o subestación alteradora.
- Pasa-tapas de salida
Es el que conecta el bobinado secundario del transformador con el punto eléctrico de salida a la estación o subestación alteradora.
- Cuba
Es un almacén que contiene el aceite, y en donde se maceran los bobinados y el núcleo resistente del transformador.
- Grifo de llenado
Es como un envase que se permite meter liquido de aceite del transformador.
- Radiadores de refrigeración
Se encarga de desgastar el calor que se origina en la carcasa del transformador, esta es una de la forma de impedir que el aceite se caliente en abundancia.
- Termostato
Es el que se encarga de calcular la temperatura de adentro del transformador y expresa alarmas en caso de que algo no esté bien.
- Regulador de Tensión
Es el que se encarga de regular la tensión del transformador, adaptándola a las necesidades del consumo.
Pérdidas de energía en el núcleo del Transformador Trifásico
Las pérdidas de energía son difíciles de evitar, motivado a varios factores tales como:
- La falta de un aislante que cumpla con un 100% de efectividad.
- También se producen pérdidas de energía por calentamiento de los devanados de cobre a través del efecto Jolue, el cual se ampliará más adelante.
- Motivado a las corrientes rotativas se producen pérdidas en el hierro contenido en el núcleo, generando pérdida de energía mediante la histéresis, corrientes parásitas y el flujo disperso.
¿Se pueden tener en funcionamiento simultáneo un transformador monofásico y uno trifásico?
La pregunta que se hacen muchas personas es la siguiente, ¿se pueden tener en funcionamiento simultáneo un transformador monofásico y uno trifásico?, la respuesta a esta interrogante es que efectivamente es viable, y el procedimiento a seguir es instalando un segundo transformador monofásico para conformar un banco y de esta manera puedan funcionar en paralelo.
¿Qué es un Banco Trifásico?
El banco trifásico consiste en una serie de transformadores que se encuentran unidos entre sí, a las líneas de voltaje para generar reducir la carga inicial que recibe el transformador en diversos tipos de voltaje más útiles, tales como: líneas de 120 voltios, 240 voltios y 208 voltios, entre otros, a fin de ser utilizadas para el funcionamiento de los aparatos eléctricos como maquinarias industriales y cualquier tipo de electrodoméstico.
Estructura del Transformador Monofásico
En la parte interna del transformador se encuentran los siguientes elementos: una (01) bobina primaria, la cual está conectada a una (01) salida y estará identificada como H1 y por el otro extremo, se encuentra unida a la estructura metálica del transformador, llamado cuba o tonel cilíndrico.
En segundo lugar, encontraremos dos (02) bobinas secundarias, de las cuales cada uno de los extremos centrales compartirán una misma salida, a la que se llamará x 2, motivado a que los dos (02) extremos restantes de cada bobina, están conectados a otras salidas independientes de la cuba cilíndrica, identificadas como x1 y x3, para seguir el orden de ubicación.
También la salida compartida de los extremos de ambas bobinas se encuentra ubicada en el medio, por lo que se le dará el nombre de x2.
Ahora bien, para entender el funcionamiento de estas tres (03) bobinas se puede ejemplificar de la siguiente manera: El transformador recibe un suministro de carga de aproximadamente 7.960 voltios, sin embargo, cada bobina secundaria lo rebaja a 120 voltios de manera independiente, sin embargo, al unir ambas salidas de tensión, se obtiene como resultado un voltaje de 240 voltios, para que pueda ser transferido por los cables de alta tensión hasta la comodidad de los hogares y/o empresas.
La cuba o contenedor de los distintos tipos de transformadores
La cuba de los distintos transformadores se fija a tierra para evitar que se forme un arco eléctrico o fugas de corriente, por lo que se utiliza material aislante eléctrico. Además en el contenedor se coloca el aceite refrigerante, para evitar el recalentamiento de los transformadores y posibles fallas.
Estos transformadores son sumergidos en aceite refrigerante, motivado a que los devanados generan mucho calor, producto del cobre con el que están elaborados cada uno de los devanados. También las aletas de refrigeración unidas al transformador contribuyen a enfriar el aceite, ya que al calentarse se expande y la cuba y/o contenedor pudiera explotar.
Es por ello, que en la estructura del transformador trifásico se puede encontrar un depósito de expansión del aceite para que dicho excedente pueda trasladarse a este contenedor y enfriarse antes de retornar a la cuba cilíndrica.
El personal que labora en la instalación de transformadores, deben tomar todas las medidas de protección necesarias al tener contacto con estos líquidos refrigerantes, ya que son altamente nocivos para la salud, tal es el caso de un químico llamado PBC y/o Askarel, que se usa en combinación con el aceite refrigerante.
En este sentido, si no es necesario modificar la estructura de los componentes internos de los transformadores, se recomienda no abrirlo, para evitar entrar en contacto con el aceite refrigerante y los químicos altamente tóxicos para el ser humano.
Transformador Potencia
Un transformador de potencia es la unión de varios transformadores trifásicos, utilizados en subestaciones de alta potencia, para realizar interconexiones entre estaciones de esta categoría.
Así como también, la energía de estos transformadores de potencia pudiera ser transportada directamente a las fábricas industriales, las cuales requieren de un alto voltaje para el funcionamiento de sus maquinarias pesadas.
Tipos de Transformadores de Potencia
Esta clase de transformadores de potencia tienen distintas funcionalidad y se clasifican en dos (02) tipos, los cuales se detallan a continuación:
- Transformadores secos: Está diseñado para ubicarse en el interior de una estructura de tamaños poco espaciosos y donde las normativas de seguridad impidan la instalación de un transformador de aceite.
Una de sus características principales es que son refrigerados con materiales aislantes como la resina epoxi, colocada en los devanados de cobre, los cuales generan calor por el efecto Joule y adicional se mantienen bajo un clima controlado con la ayuda de aires acondicionados, que mantienen un ambiente frío y de esta manera se controla la emisión de calor del transformador.
Otra característica relevante es que este tipo de transformadores son de escaso mantenimiento preventivo.
- Transformadores de aceite: Al igual que los transformadores comunes, su núcleo se encuentra sumergido en aceite refrigerante y cuentan con todos los elementos que conforman esta estructura del transformador, a fin de garantizar el enfriamiento del mismo.
Tipos de refrigerantes que utilizan los diferentes tipos de transformadores
Entre los tipos de refrigerantes utilizados para los diferentes tipos de transformadores encontramos el aceite dieléctrico, el cual permite bajar la temperatura de los transformadores y de esta manera evitar las fugas de energía y desperdicios.
Es importante acotar, que el calor produce que el aceite sobrepase los niveles, por lo que la estructura metálica de los transformadores cuenta con una especie de tanque que permite circular el excedente de aceite y de esta manera evitar fallas en el mismo.
Una de las mejoras en cuanto al uso del aceite refrigerante es que ya no se usa el aditivo PCB o Askarel, el cual era extremadamente tóxico para el ser humano, por lo que se sugería el uso obligatorio de guantes si era estrictamente necesario abrir el tanque para modificar alguno de los devanados y/o bobinas.
El aceite dieléctrico debe ser revisado periódicamente para asegurar que tiene todas las propiedades aislantes activas y está cumpliendo su función de refrigerar los transformadores, ya que de no ser así, se podrían ocasionar accidentes y daños graves en el mismo.
En algunos casos, el estudio de los residuos de este aceite pudiera permitir analizar y evaluar los factores que generaron fallas en los transformadores, así como el color que tenga en el momento del chequeo, ya que esta información sería de gran utilidad para determinar si el aislante está defectuoso permitiendo hacer cambios tecnológicos en los futuros transformadores.
La rigidez dieléctrica del aceite indica el grado de contaminación del mismo, con presencia de elementos externos que se hayan infiltrado en la cuba o carcasa de los transformadores, tales como: partículas de tierra, agua de lluvia, lodo, entre otros, por lo que es importante medirla y entre más alta sea la curva de rigidez dieléctrica indicará que es aceptable.
El punto de inflamación del aceite dieléctrico, puede ser producto de la degradación del mismo, al estar bajo una alta temperatura constante, lo cual al estar en contacto con las chispas eléctricas pudiera ocasionar una reacción explosiva.
Existen otros tipos de cortezas aislantes hechos con celulosa y radican en papel o cartón apretado, que actúa como aislador de los dispositivos de los transformadores cuando éste se encuentra energizado, sin embargo, no es muy seguro.
En cambio, la resina epoxi que se coloca en cada una de las vueltas de la bobina, tiene mayor efectividad para evitar la pérdida de calor, adicional a esto, no necesita revisiones constantes.
Asimismo, el efecto Joule siempre generará excedente de calor en los aparatos que funcionen con corrientes eléctricas y hasta el momento no existe un aislante que actúe al 100%, por lo que se debe tener presente esta situación.
¿Qué es la Inducción Electromagnética?
Se conoce como Inducción electromagnética el proceso que da origen a la fuerza electromotriz y/o tensión eléctrica, en el entorno de un elemento que se encuentra bajo la influencia de un campo magnético variable.
Todos los transformadores funcionan gracias a un flujo electromagnético variable que induce una fuerza electromotriz que puede variar de un devanado a otro.
Una forma de mantener un flujo de energía electromagnética variable es pasarla a través de una bobina, ya que un conductor por el que pase una corriente produce un campo magnético a su alrededor.
La energía por ser alterna, al estar relacionado a ella ocasiona que el campo magnético cambie constantemente.
Este campo magnético puede conectarse con un devanado secundario, siempre y cuando estén fijados a un núcleo, el cual será elaborado con material ferro magnético, el cual mantendrá confinado todo el flujo electromagnético en su interior.
Por ambos devanados pasa el mismo flujo pero la fuerza electromotriz es distinta y varía de acuerdo al tipo de voltaje, por lo que se puede disminuir o aumentar el voltaje dándole menos o más vueltas al devanado secundario que al primario, porque cada vuelta influye en la fuerza electromotriz resultante.
Medidas de seguridad para trabajar con los distintos tipos de transformadores
Las medidas de seguridad para el personal que trabaja con la instalación de transformadores y reparación de líneas de tensión, son muy importantes para evitar accidentes involuntarios que puedan ser letales.
Es importante, que se lean las indicaciones del fabricante, las cuales se encuentran en una placa ubicada en la parte frontal de cada transformador, así como las etiquetas de seguridad que se resaltan en color amarillo, a fin de evitar accidentes.
Entre las herramientas necesarias para este trabajo se pueden destacar:
- Guantes dieléctricos: Este tipo de guante, también conocido como guantes dieléctricos son especiales para proteger a los trabajadores en el área eléctrica, ya que poseen un aislamiento que evitan daños graves que se puedan generar por una descarga eléctrica que se produzca durante la manipulación de los aparatos eléctricos y líneas de alta tensión.
Existe una diversidad de materiales para la elaboración de este tipo de guantes, tales como: cuero, lona, goma o látex, todo dependerá del tipo de tensión que se vaya a manipular y se clasifican de la siguiente manera:
- Tipo número oo: máximo 500 voltios
- Tipo número 0: máximo 1.000 voltios
- Tipo número 1: máximo 7.500 voltios
- Tipo número 2: máximo 17.000 voltios
- Tipo número 3: máximo 26.500 voltios
- Tipo número 4: máximo 36.000 voltios
Es importante resaltar, que antes y después de realizar un trabajo que involucre la manipulación de altos voltajes eléctricos, el usuario debe verificar todas sus herramientas, en especial los guantes que deben estar en buenas condiciones y no presentar ninguna rasgadura o imperfección, que pueda ocasionar algún accidente involuntario.
- Lentes de seguridad: Estas gafas de seguridad se clasifican por su forma y resistencia y están identificadas de la siguiente manera:
- Clase A: Estas gafas están diseñadas para resistir el contacto de objetos no punzantes que caigan en el rostro del usuario.
- Clase B: Este material es resistente al contacto de objetos punzantes que puedan caer por accidente en el rostro del usuario.
- Clase C: Su diseño es resistente a las partículas que puedan viajar a gran velocidad e impacten con el rostro del usuario, así como objetos punzantes, entre otros.
- Clase D: Estas gafas son consideradas un híbrido de las clases a, b y c, ya que son muy fuertes y resistentes a todos los elementos anteriormente descritos.
- Calzado de seguridad dieléctrico: Para el personal que labore con electricidad el tipo de calzado de seguridad sugerido es el dieléctrico, motivado a que este carece de puntas y ojales de acero.
El calzado dieléctrico tiene como función proteger de cualquier descarga eléctrica que pueda comprometer la vida del usuario, así como evitar que los cuerpos extraños puedan lacerar los pies.
Existen una diversidad de presentaciones de este tipo de calzados, tales como: zapatos, botas de seguridad y botines de seguridad, todo dependerá de la necesidad del usuario.
- Casco de seguridad: Se deben utilizar cascos de seguridad no metálicos y están clasificados dependiendo de los voltios y se clasifican de la siguiente manera:
- Clase A: máximo 2.000 voltios
- Clase B: máximo 20.000 voltios
- Clase C: no se recomienda su uso en actividades relacionadas con el campo eléctrico
Algunas precauciones para trabajar con cualquier tipo de Transformadores
Si se requiere abrir un transformador, se recomienda leer la etiqueta del fabricante para verificar, si este aceite refrigerante contiene el químico PBC y/o Askarel, ya que es un producto altamente tóxico para la salud.
Además es necesario abrir la válvula que se encuentra ubicada a un lado de la cuba del transformador, a fin de liberar la presión del contenedor producto del calor generado por los devanados y/o bobinas de cobre, de esta manera se expulsarán los gases contenidos en el mismo.
¿Qué es la Ley de Faraday?
El científico inglés Michael Faraday, nació en el año de 1791 y murió en 1867, era un experto en el campo de la física que vivió en el siglo XVIII y el objetivo de sus estudios se abocó al análisis de los campos magnéticos y su relación con la energía eléctrica.
A través de sus experiencias en el año de 1831, estableció la famosa ley de Faraday y/o Ley de inducción electromagnética, la cual indica que el voltaje que se estimula a un circuito que se encuentra cerrado, es claramente proporcional a la prontitud con la que cambia el flujo magnético, pudiendo cruzar cualquier superficie y cuyos límites son el propio cuerpo del circuito donde se produce.
Otro concepto de la ley de Faraday es que permite cuantificar la relación entre un cuerpo magnético que cambia a través del tiempo y el campo eléctrico que se genera producto de estos cambios, por consiguiente, pudo demostrar la relación entre los campos eléctricos y los campos magnéticos.
Curiosidades
Sabías que en algunos lugares del mundo se tiene la extraña creencia, de que los trabajos como electricistas se relacionan solamente con los hombres, ya que es señal de masculinidad, sin embargo, actualmente existen mujeres profesionales y bien capacitadas en el área, lo cual genera competencia en las ofertas laborales a nivel mundial.