Elaboració de documentació tècnica de transformadors

Els transformadors són màquines que treballen habitualment en càrrega, i això vol dir connectats a diversos circuits. Per dibuixar aquests circuits, els components que els formen i les connexions entre aquests és necessari utilitzar simbologia normalitzada que els faci llegibles i interpretables per tothom. Les normes estandarditzen aquesta representació tant pel que fa als components com als circuits de què formen part. La figura mostra una xarxa d’energia elèctrica.

La representació d’aparellatge elèctric s’ha de fer seguint les normes vigents i utilitzant simbologia normalitzada perquè puguin ser entesos per tothom.

La representació de circuits elèctrics es pot fer de tres maneres diferents, anomenades:

1. Esquema funcional
2. Esquema multifilar
3. Esquema unifilar

En un esquema funcional es prescindeix de la posició real dels aparells i conductors i se situen entre dues línies horitzontals que representen la línia i el neutre. La funció és enfocar l’atenció en el funcionament del comandament (figura).

En un esquema multifilar els aparells es representen en els llocs on estan muntats i es representen tots els conductors del circuit. Aquí es dóna una visió real de la disposició dels fils d’alimentació, i les connexions d’aquests amb els aparells de maniobra i els receptors (figura).

En l’esquema unifilar es representen tots els conductors que circulen paral·lels com un de sol, afegint-hi tantes ratlles obliqües com conductors hi hagi. Serveix per simplificar la visió de l’esquema, però s’ha de deixar molt clar on comença i acaba cada conductor (figura).

En el mercat hi ha molts programes de dibuix que ajuden els tècnics a desenvolupar els projectes i informes. Alguns d’aquests programes són programari lliure o ofereixen versions de demostració amb menys prestacions que la versió professional, que poden ser útils per a petites aplicacions. Altres programes són de propietat i cal pagar-los per poder-los utilitzar.

Un dels programes més complets és l’Autocad, que és un programa de propietat de propòsit general, però que permet, utilitzant una biblioteca elèctrica, fer tot tipus d’esquemes elèctrics amb grans prestacions.

L’Elcad és un programa propietari especialitzat en la representació d’esquemes elèctrics utilitzat a escala industrial per moltes empreses del sector, amb grans prestacions i una bona biblioteca de material elèctric i electropneumàtic.

Algunes firmes comercials ofereixen programes per dibuixar i calcular circuits elèctrics. En aquests programes les biblioteques estan formades per components propis de la marca comercial i normalment no permeten incorporar components estàndard.

Per al càlcul de circuits elèctrics es pot trobar programari molt divers, lliure i de propietat.

A la figura podeu veure un circuit trifàsic dibuixat amb el programa PSim, on generadors i càrregues s’han connectat en estrella amb el neutre.

La figura mostra el resultat de la simulació del programa, on podem veure les intensitats per a cada línia i la mesura del valor eficaç de la I₂.

A les figures 8 i 9 podeu veure una altra simulació amb el PSim: aquest cop, d’un circuit amb un transformador amb càrrega i el resultat de la simulació, on podem mesurar els valors instantanis i eficaços de les tensions i intensitats del primari i del secundari.

Un transformador es fabrica o adquireix per una necessitat concreta, que determina els valors nominals del transformador. Aquests valors nominals són les tensions del primari i del secundari i la potència nominal del transformador. També interessa determinar el rendiment, la caiguda de tensió que s’hi produirà en càrrega i la intensitat que hi passarà en cas de curtcircuit.

Des de la generació fins al consum, l’energia elèctrica passa per diferents subsistemes, i cadascun té característiques diferents. A cada subsistema s’ha de modificar la presentació de l’energia elèctrica per adequar-la a les seves característiques (figura). Al subsistema de transport s’han de tenir grans tensions per reduir les pèrdues, però al subsistema de consum s’han de tenir tensions baixes per motius de seguretat i operativitat de les màquines.

Un transformador és una màquina estàtica que converteix energia elèctrica d’una tensió en energia elèctrica d’una tensió diferent per adequar-la a les característiques del subsistema que s’utilitza.

En ser una màquina estàtica no hi trobem pèrdues de fregament i ventilació. Les pèrdues més importants són les que es produeixen al nucli magnètic i als bobinatges. Per tant, els transformadors són màquines amb un alt rendiment.

Hi ha diferents tipus de transformadors en funció de la característica que considerem.

Els transformadors de potència s’usen en les xarxes de transport i distribució d’energia. Segons l’emplaçament poden ser (figura i figura):

• D’interior: per a emplaçaments protegits.
• D’exterior: han de suportar pluja, sol i temperatures extremes.

Imatge cortesia de http://www.fabelectric.com.ve/

Imatge: Joe Madonna a http://goo.gl/ujIyu

Segons la seva funció poden ser:

• Elevador: la tensió a la sortida és més gran que a l’entrada. Típic de centrals generadores.
• Reductor: la tensió a la sortida és més petita que a l’entrada. Típic d’instal·lacions de consum.

Segons el nombre de fases poden ser:

• Monofàsics: transformen una sola fase.
• Trifàsics: transformen 3 fases.

Segons el refrigerant poden ser:

• Sense refrigerant: no disposa d’un refrigerant especial (refrigerat per aire).
• Amb refrigerant: habitualment estan immersos en un recipient amb oli (figura).

Segons el sistema de refrigeració poden ser:

• Refrigeració natural: tanc amb aletes refrigerants.
• Refrigeració forçada: amb ventiladors per millorar la convecció del refrigerant.

Els codis de la refrigeració dels transformadors són els següents:

• Tipus de circulació: N (refrigeració natural) o F (refrigeració forçada)
• Tipus de material refrigerant: A (aire), O (oli mineral) o L (oli sintètic)

Per exemple, un transformador pot estar etiquetat com a OFAF (que significaria primari refrigerat amb circulació forçada d’oli mineral, secundari refrigerat amb circulació forçada d’aire).

Els transformadors especialitzats, per a aplicacions especials, poden ser:

• Per a forns d’inducció, de resistència o d’arc elèctric, amb tensions secundàries molt baixes i grans intensitats, que poden arribar a 60.000 A
• Per a rectificadors, de grans intensitats secundàries i gran nombre de fases (12 o 24), amb la finalitat de reduir els harmònics de la tensió de sortida, amb una tensió de continu més estable.
• Per a tubs luminescents, amb tensions de sortida altes (entre 2.000 i 15.000 V) i intensitats molt petites, entre 18 i 120 mA.
• D’ignició, per a calderes de gas o de gasoil domèstiques, amb tensions secundàries entre 6.000 i 14.000 V, per fer saltar un arc elèctric i iniciar la ignició de la caldera.

Els transformadors de mesures poden ser:

• Transformadors d’intensitat, per adequar el valor de la intensitat que es vol mesurar a l’escala de l’aparell de mesura. Per a xarxes de grans consums.
• Transformadors de tensió, per adequar el valor de la tensió per mesurar a l’escala de l’aparell de mesura. Per a xarxes de tensió elevada.

Els transformadors estan constituïts per diversos circuits. Els més importants són el circuit elèctric i el circuit magnètic. En transformadors grans s’han de considerar i dissenyar acuradament altres circuits com el d’evacuació de calor i el dielèctric, i habitualment treballen submergits en oli mineral. A la figura es poden veure les parts més importants d’un transformador.

Es diu primari el bobinatge que rep l’energia elèctrica del sistema d’entrada i secundari el bobinatge que lliura l’energia elèctrica al sistema de sortida (figura). El transformador és una màquina reversible. Qualsevol dels bobinatges pot ser el primari o el secundari. Només s’han de tenir en compte els seus valors nominals.

La tensió nominal dels bobinatges s’ha d’adequar a la tensió dels subsistemes a què es connecta. Per exemple, si tenim un subsistema d’entrada de 230 V i un altre de 15 V de sortida, la tensió nominal dels debanats del transformador ha de ser la d’aquests valors.

Si agafeu l’energia del circuit de 230 V, o sigui, que connecteu els 230 V al primari, en tindreu 15 V al secundari. Si ara agafeu l’energia del circuit de 15 V, o sigui, que connecteu 15 V al primari, en tindreu 230 V al secundari sempre amb la mateixa freqüència. Podem dir que el transformador és una màquina elèctrica reversible. La figura mostra aquest efecte.

El transvasament d’energia entre els circuits elèctrics del primari i el secundari del transformador es fa passant l’energia elèctrica del primari a energia magnètica i transformant-la posteriorment en energia elèctrica al circuit elèctric secundari.

El circuit magnètic està constituït per xapes de ferro aliat amb silici, aïllades entre elles, per facilitar l’establiment del camp magnètic i reduir les pèrdues al nucli magnètic.

L’aportació de silici a l’acer (aliatge denominat xapa magnètica) fa reduir les pèrdues d’histèresi i estabilitza la xapa, en el sentit d’evitar que s’incrementin les pèrdues degudes a l’exposició prolongada a la calor.

Les xapes magnètiques estan elèctricament aïllades entre elles per limitar la magnitud dels circuits interns que es formen en estar a l’interior de camps magnètics.

Un transformador rep energia elèctrica d’un sistema d’entrada amb una tensió i la lliura a un sistema elèctric de sortida amb una tensió diferent. En aquest procés es manté el valor de la freqüència i la forma d’ona del corrent elèctric, excepte en la introducció de petites deformacions. Per tant, la tensió d’entrada U_1N, la tensió de sortida U_2N i la potència que és capaç de transmetre S_N seran valors característics del transformador. Aquesta potència sempre es dóna en VA.

La potència nominal és el valor de la potència aparent S = V · I. Si la potència nominal d’un transformador estigués determinada pel valor de la potència activa en W, resultaria que per al mateix valor de la potència i la tensió nominals es podrien tenir diferents valors de la I, ja que P = V · I · cos φ i, per tant, I en aquest cas dependria de P, V i cos φ.

Aquesta transformació es fa amb valors molt alts de rendiment, o sigui, que la potència de sortida és aproximadament igual que la potència d’entrada i, per tant, en una primera aproximació podem dir que es compleixen les relacions següents:

això vol dir que:

i com aproximadament cos φ₁ = cos φ₂, tenim que:

i d’aquí es dedueix el paràmetre més important del transformador, que és la relació de transformació, i es representa per m:

En els transformadors de mesures l’exactitud en la relació de transformació és important. No tant el rendiment, perquè la potència transmesa només és la necessària per activar l’aparell de mesura.

En els transformadors de distribució són importants tant l’exactitud de la relació de transformació com el rendiment.

Els valors característics d’un transformador estan escrits en la seva placa de característiques i són els que es mostren a la taula.

D’aquests s’en poden deduir altres, com les intensitats nominals i la relació de transformació:

Transformador monofàsic:

Transformador trifàsic:

Els transformadors són màquines elèctriques amb un gran rendiment. Els transformadors de gran potència tenen rendiments de més del 95%, però en els de petita potència el rendiment pot baixar fins a valors del 60%. Tot i això, en una primera aproximació considerarem que tenen un rendiment del 100% i, per tant, que la potència que entra pel debanat primari és la mateixa que la que surt pel bobinatge secundari. Això simplifica bastant el procediment que se segueix per al càlcul d’un transformador monofàsic.

La secció del nucli es calcula amb:

en què:

• A_n = àrea del nucli en cm²
• S_N = potència aparent en VA
• a = coeficient que varia segons la qualitat de la xapa utilitzada (des de 0,7 per a xapes de molt bona qualitat fins a 1 per a xapes de qualitat baixa).

A partir de la secció del nucli i del gruix de cada xapa, trobarem el nombre de xapes que el formaran.

Si partim de la fórmula següent:

en què:

• E = valor de la tensió del debanat en V
• f₁ = freqüència amb què es treballa, en Hz.
• N = nombre d’espires del debanat
• Φ = flux del transformador en webers

Podem aïllar la N:

Podem trobar el nombre d’espires de qualsevol bobinatge per unitat de tensió:

A partir d’aquest valor, si tenim un bobinatge de E₁ V, podem trobar el nombre d’espires amb l’expressió següent:

El valor del flux Φ el trobem tenint en compte que Φ = B · A_n Wb, en què:

• B = inducció magnètica en T
• A_n = àrea del nucli en m²

Els valors més habituals per a B són des d’1 fins a 1,1. Com més gran sigui aquest coeficient, més saturat treballarà el nucli, i per tant, més pèrdues magnètiques es produiran.

Partint de la potència assignada al transformador i la tensió de cada bobinatge, tenim:

• Monofàsic:
• Trifàsic:

Es poden trobar els corrents:

En monofàsic:

En trifàsic:

Un cop trobades les intensitats, dividint entre la densitat de corrent, trobem la secció dels conductors:

δ és la densitat de corrent en A/mm².

Podem trobar δ a partir de la taula.

Per al càlcul d’un transformador trifàsic se segueix el mateix procediment, tenint en compte la tensió a què està sotmès cada bobinatge segons si està connectat en estrella o en triangle.

Per afrontar la construcció d’un transformador es parteix d’una aplicació per la qual necessitem un transformador, cosa que en fixarà les especificacions. Habitualment coneixereu la potència aparent del transformador i les tensions al primari i al secundari.

En primer lloc es fan els càlculs del nombre de xapes, la secció dels conductors primari i secundari i el nombre de voltes que s’han de fer per a cada bobinatge. Com a exemple tenim els càlculs del transformador monofàsic de la taula.

Un cop fets els càlculs del nucli i els bobinatges del transformador, hem d’aconseguir els materials necessaris i efectuar el muntatge del transformador.

Si apilem les xapes del transformador per formar el nucli, en podrem mesurar les dimensions, que han de ser, aproximadament:

• Amplada = amplada de les xapes = 2 cm
• Alçada = secció / amplada = 6,97 / 2 cm = 3,485 cm

En realitat l’alçada serà una mica més gran, ja que cada xapa porta un tractament superficial per aïllar-la elèctricament (figura), que fa que el gruix s’incrementi lleugerament (aquest increment pot ser d’un 10%).

A la figura podem veure les xapes apilades per formar el nucli del transformador.

Amb les dimensions del nucli hem de buscar un rodet de dimensions adients al nucli que disposem.

Imatge cortesia de http://www.suesa.net/

Sobre el rodet triat es comença a donar voltes amb el conductor, completant tot el rodet amb força proporcionada perquè el conductor quedi ben compactat, però sense que s’arribi a deteriorar l’aïllant del conductor. A les figures 18 i 19 hi podem veure un rodet i un transformador ja bobinats.

Acabada la primera capa, es posa un aïllant que la cobreixi tota i es comencen les voltes següents fins a aconseguir el nombre d’espires calculat.

Tot seguit es passen el principi i el final del conductor pels forats que té el rodet tot deixant-ne uns 10 cm aproximadament per poder-lo soldar als terminals del transformador. És convenient marcar-los com a PR1 i PR2 per no confondre’ls després amb els del secundari, que els podem marcar com a SC1 i SC2.

Imatge: hackerfriendly a http://goo.gl/Nwl7F

Imatge cortesia de http://www.elementosmagneticos.com/

Es torna a posar aïllant (pot ser paper cartró) i es fa el mateix amb el segon bobinatge i amb els següents si ha de tenir més secundaris.

Un cop acabats els bobinatges, es cobreix un altre cop amb cartró, sobre el qual podem escriure, amb retolador permanent, les característiques del transformador.

Al voltant del rodet amb els bobinatges es posen les xapes del nucli. En general hi ha dues maneres de posar les xapes:

• En topall: es posen totes les xapes de la forma E juntes, i després totes les de la forma I a sobre, de manera que per mantenir-se unides s’han de soldar (figura).

• Solapades: en aquest cas es posen les xapes de forma E i de la forma I intercalades, de manera que passant un cargol i collant-les queden totes unides (figura). Un cop posades totes les xapes, es fixen amb cargols i femelles.

A continuació se solden els terminals dels bobinatges als terminals del transformador, subjectats al rodet.

Un cop construït el transformador s’han de fer dues comprovacions:

1. Continuïtat dels bobinatges: es mira amb un òhmmetre que els bobinatges tinguin continuïtat. Això es veurà perquè la resistència entre els terminals de cada bobinatge ha de ser molt baixa si tot és correcte.
2. Aïllament: amb l’ajut d’un megaòhmmetre es mesura l’aïllament entre els bobinatges (entre primari i secundari), i entre cada un d’ells i el nucli. La resistència mínima de l’aïllament ha de ser de 0,5 MΩ segons l’ITC BT 019.

Al final del procés s’envernissa tot el transformador i s’asseca a l’aire o en un forn a la temperatura adient. El procediment depèn de la disponibilitat de forn i del tipus de vernís utilitzat. Quan ja s’hagi assecat, es munta la carcassa exterior, si en té, tenint en compte que els cargols que la subjecten al nucli han d’anar aïllats amb un tub. És a dir, que la carcassa exterior ha d’estar aïllada del nucli del transformador. Respecte a la utilització de la carcassa, s’ha de tenir en compte el que indica el Reglament de baixa tensió a la ITC BT 48.