INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE POZA RICA

Poza Rica, Veracruz.Enero 19, 2015.

Ingeniería Mecatrónica.

Proyecto Transformador.-

Asesor: Oscar Gabriel Guillen de la Rosa.

Presentan:

García Bautista Beatriz Alicia.

García Rodríguez José Eduardo.

Gómez Santes Alfredo.

Román Pérez Juan Enrique.

Velázquez García María Felix.

Tabla de contenido

- 1 - Introducción -.............................................................................................................4

- 2 - Planteamiento del problema -....................................................................................5

- 3 - Objetivos -..................................................................................................................5

- 4 - Justificación -..............................................................................................................6

- 5 - Marco teórico -...........................................................................................................8

5.1 Antecedentes históricos..............................................................................................8

5.2 Componentes del transformador................................................................................9

5.3 Relación de transformación.......................................................................................10

5.4 Constitución y funcionamiento..................................................................................11

5.5 Tipos de transformadores eléctricos.........................................................................12

5.5.1 Transformadores de potencia.................................................................................12

5.5.2 Transformadores eléctricos de medida...................................................................14

5.5.3 Transformadores trifásicos.....................................................................................14

- 6 - Desarrollo del proyecto -..........................................................................................16

- 7 – Conclusión -..............................................................................................................20

- 8 – Bibliografía -..............................................................................................................20

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Tabla de ilustraciones.

Fig. 1.- Transformador eléctrico............................................................................................4

Fig. 2.- Ilustración del uso de transformadores en la vida diaria...........................................7

Fig. 3.- Componentes principales del transformador...........................................................10

Fig. 4.- Esquema básico del funcionamiento de un transformador......................................11

Fig. 5.- Modelización de un transformador elevador .................................................12

Fig. 6.- Modelización de un transformador reductor...........................................................13

Fig. 7.- Modelización de un autotransformador...................................................................13

Fig. 8.- Posibles conexiones de un transformador trifásico con la fuente de alimentación. .15

Fig. 9.- Realizando cálculo del transformador.....................................................................17

Fig. 10.- Realizando devanados...........................................................................................17

Fig.11.- Aislando el transformador......................................................................................18

Fig. 12.- Voltaje de salida 220v...........................................................................................18

Fig. 13.- Transformador terminado.....................................................................................19

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- 1 - Introducción -

Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten partiendo

de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor

que la anterior en la salida del transformador.

Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada

en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en

el devanado secundario. Permiten así proporcionar una tensión adecuada a las

características de los receptores. También son fundamentales para el transporte de energía

eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas perdidas y conductores de

secciones moderadas. La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos,

ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la

realización práctica y económica del transporte de energía eléctrica.

Está constituido por dos o más bobinas de alambre, aisladas entre sí eléctricamente por lo

general arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única

conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el

núcleo.

Fig. 1.- Transformador eléctrico.

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- 2 - Planteamiento del problema -

El problema a resolver en este proyecto es como elevar el voltaje obtenido en hogares o

empresas, se requiere elevarlo al doble, para que puedan funcionar aparatos o maquinaria

que requieran mayor potencia de trabajo, para solucionar dicho problema se construyen

transformadores, maquinas eléctricas que permiten variar alguna función de la corriente

como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un

transformador ideal.

La optimización aplicada a un transformador es de suma importancia hoy en día ya que los

fabricantes están buscando producir transformadores más eficientes y específicos. Es por

esto que se vuelve necesario fabricar transformadores de todo tipo, sin embargo, un

requisito indispensable en la fabricación de estos es la reducción de costos pues lo que se

pretende producir transformadores económicos pero que cubran los requisitos técnicos

especificados.

- 3 - Objetivos -

Diseñar y construir un transformador cuya intensidad de voltaje sea de 220v o

mayor.

Optimizar el diseño de dicho transformador desde el punto de vista económico.

Localizar distintas variables que se necesitan para realizar los cálculos del diseño de

un transformador, y en base a especificaciones que se requieren.

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- 4 - Justificación -

La corriente eléctrica generada en las plantas de energía, debe ser transportada hasta los

hogares y empresas. Para ello es necesario utilizar voltajes muy altos que superan los

25.000 voltios. Por tal razón se usan transformadores cada tanto, para convertir los altos

voltajes, en 115 voltios o 220 voltios, dependiendo del país.

Los aparatos electrónicos de hogares e industrias utilizan para su funcionamiento niveles

de voltaje diferentes al que entrega la red pública. Para que estos aparatos funcionen

requieren un transformador.

La invención del transformador y el desarrollo simultáneo de las fuentes de potencia alterna

eliminaron para siempre las restricciones referentes al alcance y al nivel de tensión de los

sistemas de potencia.

Un transformado cambia, idealmente a un nivel de tensión alterno a otro nivel de tensión

sin afectar la potencia que se suministra. Si un transformador eleva el nivel de tensión en un

circuito, debe disminuir la corriente para mantener la potencia que entra en el dispositivo

igual a la potencia que sale de él.

De esta manera a la potencia eléctrica alterna que se genera en un sitio determinado, se

eleva la tensión para transmitirla a largas distancias con pocas perdidas y luego se reduce

para dejarla nuevamente en el nivel de utilización final. Puesto que las pérdidas de

trasmisión en las líneas de un sistema de potencia son proporcionales al cuadrado de la

corriente, al elevar con transformadores 10 veces la tensión de transmisión, se reduce la

corriente el mismo número de veces, y las pérdidas de transmisión se reducen 100 veces.

Sin el transformador simplemente no se sería posible utilizar la potencia eléctrica en

muchos de las formas que se utilizan hoy en día.

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Fig. 2.- Ilustración del uso de transformadores en la vida diaria.

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- 5 - Marco teórico -

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto de

nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un

campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de alambre, aisladas entre sí

eléctricamente por lo general arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material

ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común

que se establece en el núcleo.

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética   . Al aplicar una fuerza

electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético

en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario.

Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca

esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede

utilizar.

5.1 Antecedentes históricos.

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del

transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en

que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una

corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el

cambio de flujo magnético.

La primera "bobina de inducción" fue inventada por el sacerdote Nicholas Joseph Callan en

la Universidad de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan fue uno de los primeros

investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación

con el bobinado primario, más grande es el aumento de la tensión eléctrica.

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Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas

de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de

los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero

dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de las

Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfaron sobre sus

homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces.

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en

un conjunto de bobinas de inducción en el cual el bobinado primario se conectaba a una

fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas

de arco, de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como

transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar

suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades

luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”.

En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de

ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría.

En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecía un sistema que

constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.

En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo

con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendieron la

idea a la compañía estadounidense Westinghouse Electric. También este sistema fue

expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptado para el sistema de alumbrado

eléctrico.

5.2 Componentes del transformador.

Los transformadores están compuestos de diferentes elementos. Los componentes básicos

son:

Núcleo: Este elemento está constituido por chapas de acero al silicio aisladas entre

ellas. El núcleo de los transformadores está compuesto por las columnas, que es la parte

donde se montan los devanados, y las culatas, que es la parte donde se realiza la unión

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entre las columnas. El núcleo se utiliza para conducir el flujo magnético, ya que es un

gran conductor magnético.

Devanados: El devanado es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus

extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto por

dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el

primario y el secundario nos indicará la relación de transformación. El nombre de

primario y secundario es totalmente simbólico. Por definición allá donde apliquemos la

tensión de entrada será el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el

secundario.

Fig. 3.- Componentes principales del transformador.

5.3 Relación de transformación.

La relación de transformación (a) nos indica el aumento o decremento que sufre el valor de

la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada volt de

entrada cuántos volts hay en la salida del transformador.

Donde:

Np es el número de espiras del devanado primario.

Ns es el número de espiras del devanado secundario.

Vp es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada.

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Vs es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida.

Ip es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada.

Is es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

Fig. 4.- Esquema básico del funcionamiento de un transformador.

5.4 Constitución y funcionamiento.

Constan esencialmente de un circuito magnético cerrado sobre el que se arrollan dos

bobinados, de forma que ambos bobinados están atravesados por el mismo flujo magnético.

El circuito magnético está constituido (para frecuencias industriales de 50 Hz) por chapas

de acero de poco espesor apiladas, para evitar las corrientes parásitas.

El bobinado donde se conecta la corriente de entrada se denomina primario, y el bobinado

donde se conecta la carga útil, se denomina secundario.

La corriente alterna que circula por el bobinado primario magnetiza el núcleo de forma

alternativa. El bobinado secundario está así atravesado por un flujo magnético variable de

forma aproximadamente senoidal y esta variación de flujo engendra por la Ley de Lenz,

una tensión alterna en dicho bobinado.

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5.5 Tipos de transformadores eléctricos.

Hay muchos tipos de transformadores pero todos están basados en los mismos principios

básicos, Pueden clasificarse en dos  grandes grupos de tipos básicos: transformadores de

potencia y de medida.

5.5.1 Transformadores de potencia

Los transformadores eléctricos de potencia sirven para variar los valores de tensión de un

circuito de corriente alterna, manteniendo su potencia. Su funcionamiento se basa en el

fenómeno de la inducción electromagnética.

Transformadores eléctricos elevadores

Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de

salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del

devanado secundario es mayor al del devanado primario.

Fig. 5.- Modelización de un transformador elevador

Transformadores eléctricos reductores

Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de

salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del

devanado primario es mayor al secundario.

Cualquier transformador elevador puede actuar como reductor, si lo conectamos al revés,

del mismo modo que un transformador reductor puede convertirse en elevador.

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Fig. 6.- Modelización de un transformador reductor.

Autotransformadores

Se utilizan cuando es necesario cambiar el valor de un voltaje, pero en cantidades muy

pequeñas. La solución consiste en montar las bobinas de manera sumatoria. La tensión, en

este caso, no se introduciría en el devanado primario para salir por el secundario, sino que

entra por un punto intermedio de la única bobina existente.

Esta tensión de entrada (V p) únicamente recorre un determinado número de espiras (N p),

mientras que la tensión de salida (V s) tiene que recorrer la totalidad de las espiras (N s).

Fig. 7.- Modelización de un autotransformador.

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Transformadores de potencia con derivación

Son transformadores de elevación o reducción, es decir, elevadores o reductores, con un

número de espiras que puede variarse según la necesidad. Este número de espiras se puede

modificar siempre y cuando el transformador no esté en marcha. Normalmente la diferencia

entre valores es del 2,5% y sirve para poder ajustar el transformador a su puesto de trabajo.

5.5.2 Transformadores eléctricos de medida.

Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir sin

peligro.

Transformadores eléctricos de intensidad

El transformador de intensidad toma una muestra de la corriente de la línea a través del

devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro para medirlo. Su devanado secundario

está enrollado alrededor de un anillo de material ferromagnético y su primario está formado

por un único conductor, que pasa por dentro del anillo.

Transformador eléctrico potencial

Se trata de una máquina con un devanado primario de alta tensión y uno secundario de baja

tensión. Su única misión es facilitar una muestra del primero que pueda ser medida por los

diferentes aparatos.

5.5.3 Transformadores trifásicos.

Debido a que el transporte y generación de electricidad se realiza de forma trifásica, se han

construido transformadores de estas características. Hay dos maneras de construirlos: una

es mediante tres transformadores monofásicos y la otra con tres bobinas sobre un núcleo

común. Esta última opción es mejor debido a que es más pequeño, más ligero, más

económico y ligeramente más eficiente.

La conexión de este transformador puede ser:

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Estrella-estrella

Estrella-triángulo

Triángulo-estrella

Triángulo-triángulo

Fig. 8.- Posibles conexiones de un transformador trifásico con la fuente de alimentación

5.6 Aplicaciones de los transformadores.

Los transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica.

Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la

red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así las

pérdidas en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los

transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los que podamos

trabajar.

Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos

electrónicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al

suministrado por la red.  

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- 6 - Desarrollo del proyecto -

Materiales:

Alambre magneto calibre 28 y 31.

Núcleo o formaleta.

Lainas de hierro silicio.

Cinta aislante.

Procedimiento:

Después de investigar y estudiar sobre los transformadores lo siguiente es calcular

el número de vueltas que realizamos en cada devanado, con ayuda de la relación:

Comenzamos por el área del núcleo del Transformador: 7cm2

Luego calculamos la relación de vueltas por voltio:

  A x 0.02112

 7 x 0.02112 = 0.14784  Relación de vueltas = 0.14784

Entonces:

 110V / 0.14784  = 745 vueltas en el primario

 220V / 0.14784 = 1490 vueltas en el secundario

Calculamos y obtuvimos que el voltaje primario son 110v, el voltaje secundario que es el

que necesitamos es de 220v, el número de vueltas en el primario 750 aproximadamente y el

número de vueltas en el secundario es de 1500 aproximadamente.

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Así que comenzamos a realizar el transformador, realizando devanados al transformador

Fig. 9.- Realizando cálculo del transformador.

Fig. 10.- Realizando devanados.

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Una vez terminado el devanado, aislamos perfectamente con cinta, para evitar que ocurra

un corto circuito o algo salga mal al momento de conectar el transformador a corriente,

evitando accidentes.

Fig.11.- Aislando el transformador.

Una vez aislado, colocamos las lainas que acomoden perfectamente en el transformador, aseguramos que todo haya quedado bien y con ayuda del multímetro medimos el voltaje que registre nuestro transformador.

Fig. 12.- Voltaje de salida 220v.

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Una vez realiza la prueba y convencidos de haber cumplido los objetivos, damos por terminado el proyecto con resultados satisfactorios.

Fig. 13.- Transformador terminado.

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- 7 – Conclusión -

Nos dimos cuenta que los valores de voltaje que debían darnos, no correspondían exactamente a los valores teóricos, esto es debido a la resistencia “interna” que cada transformador provoca al tener un cierto número de espiras, que por lo demás no era de mucho valor Ohmico, sin embargo la diferencia entre el voltaje de entrada con el de salida no tenía grandes variaciones.

Logramos identificar los devanados de cada transformador y comprender como funciona su relación, (al aumentar el número de vueltas del secundario, en relación al primario, aumenta el voltaje en el secundario).

Aprendimos nuevas cosas en este proyecto que a su vez pudimos y supimos aplicar para realizar un transformador.

- 8 – Bibliografía -

http://www.frino.com.ar/transformador.htm

http://www.unicrom.com/Tut_transformador.asp

http://www.comunidadelectronicos.com/articulos/transformadores.htm

http://www.unicrom.com/Tut_calculo_transformador.asp

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