Principios y Funcionamiento de Transformadores de Medida y Motores Asíncronos

Transformadores de Medida

Definición

Un transformador de medida es aquel en el que la magnitud eléctrica a medir y sus desfases angulares en el primario se reflejan con precisión en el secundario.

Diferencia con Transformadores Comunes

El transformador de medida, a diferencia de un transformador común, no maneja grandes valores de potencia. Su función principal es reducir las tensiones y/o intensidades a valores medibles y seguros, y abastecer pequeñas demandas de potencia de los instrumentos de medida o protección.

Clasificación

• Transformador de Intensidad (TI): La corriente del secundario es directamente proporcional a la del primario.
• Transformador de Tensión (TT): La tensión del secundario es directamente proporcional a la del primario.

Generalidades

• Aportan seguridad al sistema de medida y protección, aislando los circuitos de alta tensión/corriente de los instrumentos.
• Valores normalizados de tensiones e intensidades secundarias:
  • TT: 110 V o 220 V
  • TI: 1 A o 5 A
• Permiten reducir el consumo y las pérdidas en los instrumentos de medida.
• Permiten hacer mediciones a distancia.

Características (Relación de Transformación)

• TT: Relación de transformación = V1 / V2
• TI: Relación de transformación = I1 / I2

Errores

• Error de relación: La amplitud de la magnitud eléctrica (tensión o intensidad) se refleja en el secundario con un cierto error respecto a la relación de transformación nominal.
• Error de fase (o angular): El ángulo de desfase de la magnitud eléctrica se refleja en el secundario con un cierto error angular.

Prestación

Define la potencia aparente máxima (en VA) que puede suministrar el transformador a la carga conectada en su secundario (instrumentos, relés) sin que los errores de relación y de fase superen los límites establecidos por su clase de precisión.

Transformador de Intensidad (TI)

TI para Medición

Están diseñados para que las corrientes secundarias no aumenten de forma proporcional cuando la corriente primaria (I1) sobrepasa significativamente la intensidad nominal. Esto se logra empleando un núcleo magnético saturable para intensidades mayores a la nominal, protegiendo así de posibles daños a los amperímetros conectados.

TI para Protección

Están diseñados para que las corrientes secundarias aumenten de forma proporcional a la primaria, incluso cuando I1 sobrepasa varias veces la intensidad nominal (condiciones de cortocircuito). Esto permite que los relés de protección actúen correctamente. Se emplea un núcleo magnético no saturable (o de saturación alta) para intensidades mayores a la nominal. Suelen ser más caros que los TI de medida.

Consideraciones de Seguridad (Secundario)

Los secundarios de los TI deben operar siempre cerrados sobre una carga (instrumento, relé) o en cortocircuito. La apertura del secundario de un TI que posee carga en el primario implica la aparición de sobretensiones muy elevadas en los bornes secundarios, que pueden dañar equipos o representar un peligro para el personal. Por esta razón, el secundario de un TI nunca se protege con fusibles.

Factor de Seguridad (FS)

Es un múltiplo de la intensidad nominal primaria (Inom1) que indica el límite de corriente primaria hasta el cual el TI es capaz de transferir la señal al secundario con un error relativo bajo (generalmente definido como inferior al 10%).

• TI de protección: FS alto (para medir sobrecorrientes).
• TI de medición: FS bajo (para saturarse y proteger instrumentos).

Clasificación (Tipos de TI)

• De primario bobinado: Utilizados para intensidades primarias bajas (del orden de decenas de amperios). El conductor primario es una bobina con varias espiras.
• De barra pasante: Utilizados para grandes intensidades. El propio conductor del circuito primario (una barra o cable) pasa a través del núcleo del TI, constituyendo una única espira primaria.

Transformador de Tensión (TT)

Consideraciones de Operación (Secundario)

El secundario de un TT opera prácticamente en vacío, ya que los instrumentos conectados (voltímetros, bobinas de tensión de vatímetros o relés) son de alta impedancia. Por lo tanto, el secundario se considera eléctricamente abierto. A diferencia del TI, el secundario del TT sí puede protegerse con fusibles.

Factor de Tensión

Es el valor por el cual se multiplica la tensión primaria nominal para obtener la máxima tensión a la cual el transformador puede operar durante un tiempo especificado, cumpliendo con las prescripciones de calentamiento y precisión según su clase.

Motor Asíncrono

Partes del Estator

• Carcasa: Parte exterior de la máquina, generalmente de fundición o aluminio fundido. Suele tener aletas para mejorar la disipación de calor.
• Tapas (Escudos): Soportan los bujes o cojinetes donde se apoya el eje. Fabricadas en fundición o aluminio fundido.
• Núcleo Estatórico: Parte magnéticamente activa, formada por un paquete de chapas de aleación de acero-silicio laminado y aislado. Está ranurado interiormente para alojar el devanado estatórico (bobinas de cobre distribuidas en las ranuras).

Partes del Rotor

• Núcleo Rotórico: Similar al estatórico, de acero laminado. Puede tener ranuras exteriores para alojar un devanado rotórico (rotor bobinado) o perforaciones para alojar barras conductoras (rotor en jaula de ardilla).
• Rotor en Jaula de Ardilla: Las barras conductoras (generalmente de aluminio o cobre) están cortocircuitadas en sus extremos por dos anillos. Es el tipo más común por su robustez y sencillez.
• Rotor Bobinado: Posee un devanado trifásico similar al del estator, cuyos terminales se conectan a anillos rozantes montados en el eje. Esto permite acceder al circuito rotórico desde el exterior para conectar resistencias en serie durante el arranque, con el fin de modificar las intensidades rotóricas inducidas y, con ello, el par motor y la corriente de arranque.

Entrehierro

Es la pequeña distancia de aire que separa físicamente al rotor del estator, permitiendo que el rotor gire libremente. Es perjudicial para el circuito magnético, ya que el aire presenta una alta reluctancia al paso del flujo magnético. Esto implica la necesidad de mayores corrientes de excitación para generar el campo magnético necesario.

Cuestiones Constructivas y Operativas

• Peso del rotor: Si es muy pesado, el eje puede flexionarse, existiendo riesgo de rozamiento con el estator, especialmente si el entrehierro es pequeño.
• Dilataciones: Las temperaturas de trabajo del rotor hacen que aumente su tamaño, reduciendo el entrehierro efectivo. Debe tenerse en cuenta en el diseño.
• Refrigeración: Un entrehierro más grande favorece la circulación de aire y, por tanto, la ventilación y refrigeración, aunque empeora las características magnéticas.

Principio de Funcionamiento

Se basa en la interacción entre un campo magnético rotante (creado por las corrientes trifásicas en el devanado estatórico) y las corrientes inducidas en el devanado rotórico.

1. El campo magnético rotante del estator gira a la velocidad de sincronismo.
2. Este campo variable atraviesa los conductores del rotor, induciendo en ellos tensiones y corrientes (acción de generador, Ley de Faraday), siempre que haya una diferencia de velocidad entre el campo y el rotor.
3. Los conductores del rotor, al ser recorridos por estas corrientes inducidas y estar inmersos en el campo magnético del estator, experimentan una fuerza mecánica (Ley de Lorentz) que tiende a hacerlos seguir al campo rotante.
4. Esta fuerza genera un par motor que hace girar al rotor en el mismo sentido que el campo magnético, pero a una velocidad ligeramente inferior (velocidad asíncrona). La diferencia de velocidad es necesaria para que exista inducción.