Este proyecto consiste en el diseño y construcción de un transformador de tap central 120/57[V], con sus respectivas pruebas de laboratorio.

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ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES
Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
RESUMEN
Este informe tiene la finalidad de mostrar de una manera
sintetizada el diseño, la elaboración y construcción de un
transformador reductor de tap central 120/57 [V]
(28.5x28.5), utilizando como herramienta fundamental los
conocimientos adquiridos durante el semestre.
INTRODUCCIÓN
Los transformadores son componentes eléctricos diseñados
para cambiar el nivel de voltaje y corriente, de acuerdo a las
necesidades que se especifiquen en cada caso. Son
básicamente bobinas eléctricamente aisladas en forma tal
que el flujo variable en el tiempo producido por una de ellas
ocasione una fuerza electromotriz y acopladas
magnéticamente teniendo en cuenta que este acoplamiento
se incrementa si las bobinas se devanan sobre un núcleo
común el cual puede ser de aire o un material
ferromagnético. Este último ayuda a incrementar la
eficiencia del transformador. Por tanto será el que
utilizaremos para nuestro transformador. La finalidad de este
informe es dar a conocer de una manera detallada el diseño
la elaboración y construcción de un transformador de tap
central 120/57 [V] (28.5x28.5).
PROCEDIMIENTO
Diseño: para la elaboración y diseño se parte de las
especificaciones principales que deseamos obtener de
nuestro transformador, que para nuestro caso nuestro
objetivo principal era obtener un transformador reductor de
voltaje 120/57 [V] (28.5x28.5), y quisimos que a su salida
entregara una corriente máxima de 3 [A].
Con ayuda de unas tablas de datos que nos permitieron
encontrar los implementos apropiados según los cálculos o
valores nominales de nuestro transformador procedemos a
encontrar los demás parámetros de diseño. Estas tablas de datos
fueron encontradas en la web en un blog para electrónicos llamado construya su
video rockola.com http://construyasuvideorockola.com/transformador.php.
Formaleta del transformador: quien me define la dimensión
de la formaleta del transformador o base para el núcleo es la
potencia del mismo que no es otra cosa que la multiplicación
del voltaje de salida por la corriente que queremos que
entregue.
P = Vrms*Irms = (28,5+28,5)*3=171[W]
En la tabla no encontraremos el valor exacto de potencia
encontrado, pero debemos escoger el valor más cercano por
encima del valor encontrado para reducir pérdidas. Por tanto
escogemos las dimensiones del núcleo asociadas a la
potencia de 196 [W] que es la más cercana y esta por encima
de nuestra potencia.
Esto quiere decir que nuestra formaleta o núcleo tendrá un
área de 14 [cm2
]. Hay que aclarar que es una aproximación.
Por efectos comerciales el valor de área más aproximado
que conseguimos fue de 14.5 [cm2
].
Devanado primario: quien me define el calibre del cable de
cobre a utilizar para el devanado primario es la corriente que
pasará por el mismo y no es más que la división de la
Proyecto de máquinas I
Construcción de un Transformador reductor de
tap central 120/57 [V]
Autores: Jorge Manuel Barrios (cód.209), Andrés Fernando Reyes (cód.2092021),
Aida Zaray Amaris (cód. 2091997), Grupo (H1).
Nombre del profesor: Jairo Blanco.
Fecha de presentación: jueves 18 de abril de 2013

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potencia del transformador por el voltaje de entrada del
mismo.
Teniendo en cuenta que en nuestro país el voltaje entregado
por nuestros tomas es de aproximadamente 110-120 [V].
tomamos este valor como valor nominal de entrada. Por
tanto la corrienete máxima o nominal que pasará por el
devanado primario es de:
I = 171 [W]/120 [Vrms] = 1,425 [A]
En la tabla como se dijo anteriormente no encontraremos el
valor exacto pero usaremos un valor aproximado por encima
del valor encontrado ya que cada calibre soporta un máximo
de corriente. Por tanto escogemos el calibre 21 que es el más
aproximado y esta por enciama del valor que corriente
máxima que atravesará por el devanado primario del
trasformador. Esto nos garantiza que el el devanado en
ningún momento se queme ya que por el siempre atravesará
una corriente menor al valor máximo de corriente que
soporta.
Devanado secundario: la corriente que atravesará por el
devanado secundario es un valor del que el fabricante debe
partir. Para nuestro caso quisimos que nuestro transformador
entregara una corriente de 3[A]. si vamos a la tabla
encontramos que el valor aproximado y que esta por
enciama de nuestro valor de corriente es de 3.2[A] que
corresponde a un calibre 18. Por tanto para nuestro
devanado secunadrio utilizaremos un alambre de cobre con
calibre 18.
Embobinado: para el enbobinado tanto del devanado
primario como el del devanado secundario nuevamente
acudimos a la tabla de potencia donde encontramos las
vueltas por voltio. Para nuestro caso ya anteriormente
encontramos que según la potencia de nuestro transformador
nos hubicamos en la potencia de 196 [W] por tanto si
observamos las vueltas por voltio según estas
especificaciones son de 3 vueltas por voltio. Para encontrar
la cantidad de vueltas para cada devanado tomamos este
valor y lo multiplicamos por el voltaje de entrada para el
devanado primario y salida para el devanado secundario.
Cantidad de vueltas devanado primario:
120x3 = 360 [vueltas]
Cantidad de vueltas devanado secundario:
57x3=171 [vueltas]
Núcleo: El núcleo magnético está formado por laminaciones
de acero que tienen pequeños porcentajes de silicio
(alrededor del 4%) y que se denominan "laminaciones
magnéticos", estas laminaciones tienen la propiedad de tener
pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y de
corrientes circulantes. Están formados por un conjunto de
laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones
requeridas.
La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los
núcleos, es que el silicio aumenta la resistividad del material
y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes
parásitas o circulantes y en consecuencia las pérdidas por
este concepto.
Existen 2 tipos de núcleos fundamentales de estructura del
transformador ellos son el tipo columnas y el tipo acorazado,
para nuestro caso usaremos tipo acorazado ya que esta
estructura reduce la dispersión.
Estas láminas vienen en forma de E e I que son las que le
dan la estructura de acorazado al núcleo. Deben coincidir
con el área de la formaleta. Comercialmente en muchas se
encuentra la formaleta con sus respectivas láminas.
Siendo X el ancho de las chapas que coincide con el ancho
de la formaleta y Y la altura de las chapas. Como estas
vienen individuales, la altura me la da la cantidad de láminas
que entren en la formaleta. ¿Cómo se cuantas láminas deben
entrar? La cantidad de laminas me la da la saturación.
Cuando ya no entren más láminas en el núcleo.
Materiales para la construcción:
- Más de 60 metros de alambre de cobre calibre 21.
- Más de 40 metros de alambre de cobre calibre 18.
- Formaleta.

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- Láminas de acero.
- Cinta de enmascarar.
- Alambre termo-encogible.
- Papel parafinado.
- Papel contac.
- Pintura a base de aceite.
- Tornillos, tuercas, arandelas y escuadras metálicas.
- Mechera.
- Cautín y soldadura.
- Multímetro.
- Lija.
- Alambre eléctrico aislado de tres colores diferentes.
- Tijeras.
Procedimiento: ya teniendo listos los materiales según las
dimensiones encontradas al principio procedemos a
construir el transformador.
1. Tomamos un trozo de cable blanco (color opcional)
para una de las terminales del lado primario, lo
unimos con soladura con el cobre de calibre 21
(previamente lijado en la punta) del devanado
primario, aislamos la unión con cable termo-
encogible y ajustamos con cinta de enmascarar.
2. Procedemos a realizar el primer embobinado
teniendo en cuenta que entre vuelta y vuelta no
debe quedar espacio ni tampoco montada una sobre
la otra.
3. Al terminar de enrollar las 360 vueltas del
devanado primario se corta el cable de cobre
tomamos otro trozo de cable del mismo color que
el primero para la otra terminal del primario y lo
unimos con soldadura no debemos olvidar que
antes de unir el cobre con el cable hay que lijar el
cobre para que pueda coger la soldadura. De igual
forma que el anterior lo aislamos con cable termo-
encogible. Después de esto debemos aislar el
primer devanado con suficiente cinta de enmascarar
luego con papel parafinado y culminamos con más
cinta de enmascarar.
4. Ahora procedemos a embobinar el devanado
secundario. Por efectos prácticos se quiso
embobinar doble por tanto ya no serian 171 vueltas
individuales si no 85 dobles. Esto de paso nos
sirve para el momento de obtener el tap central.
Antes de comenzar a embobinar debemos dejar las
dos puntas iniciales centrales y por fuera del
embobinado para el tap central. Al final deben de
igual manera quedar dos terminales más que son las
que me darán las terminales del devanado
secundario. Al terminar de embobinar se debe de
igual manera aislar con cinta de enmascarar luego
con papel parafinado y después con más cinta de
enmascarar al igual que como se realizo para el
devanado primario.
5. Las puntas que se dejaron inicialmente por fuera
para el tap central deben lijarse estañarse y unirse
con soldadura y después unirlas aun cable de color
amarillo (opcional) y aislar la unión con cable
termo-encogible. A las puntas finales que quedaron
a lado y lado para los terminales del secundario se

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les debe realizar el mismo procedimiento lijarlas,
unirlas con soldadura a un cable de color verde
(opcional) y aislar la unión con cable termo-
encogible.
6. Procedemos a aislar de nuevo con más cinta de
enmascarar, papel parafinado y más cinta de
enmascarar. Como acabado podemos colocarle un
trozo de papel cartulina de color azul (opcional)
sujetado con papel contac de tal manera que se vea
bien presentado y sea gustoso a la vista.
7. Una vez terminada la parte del embobinado
procedemos a colocarle el núcleo. Hay que tener en
cuenta que las placas son individuales por tanto hay
que colocar una por una e intercaladas con
intercaladas nos referimos a que se coloca una en
forma de E por un extremo de la formaleta y luego
otra por el otro extremo y así sucesivamente hasta
que ya no entren más placas. En los espacios
sobrantes colocamos las placas en forma de I con el
cuidado que no quede ningún espacio sin palca.
8. Por último procedemos a realizar el acabado
ajustando las palcas del núcleo con las tuercas,
arandelas y escuadras metálicas. Ya una vez
ajustado todo, procedemos a realizarle un acabado
final pintando las palcas con pintura a base de
aceite que sirve como aislante.
Y de esa manera obtenemos nuestro transformador hecho en
casa.
PRUEBAS DE LABORATORIO Y CÁLCULOS DE
LOS PARÁMETROS
Las pruebas de laboratorio realizadas para el transformador
se llevaron a cabo en el laboratorio de alta tensión de la
Universidad Industrial de Santander, ya que allí podíamos
encontrar todos los implementos y equipos necesarios para
realizar las pruebas necesarias.
Relación de transformación: teóricamente tenemos que el
transformador tiene la siguiente relación de
Transformación.
a = N1/N2=V1/V2
Teniendo en cuenta que con el subíndice 1 nos referimos al
lado de alta, primario y con el 2 al lado de baja, secundario,
siendo N el número de vueltas
a =360/171=120/57 = 40/19
Experimentalmente, alimentando el transformador a tensión
un poco por debajo de la nominal 118,5 [V] obtenemos una
salida por tap central de 26,49 [V] y en total en el
secundario de 52,92 [V]. Como
a = V1/V2 = 118,5/52,92 = 1975/883
Porcentaje de error = [(1975/883)-(40/19)]/(40/19)
E% = 6,2429%

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Prueba de vacío y de corto circuito:
Con la prueba de vacío y de cortocircuito caracterizamos los
parámetros del transformador.
Rc, Xm, Re, Xe.
- Prueba de vacío sin carga: se deben realizar
mediciones de potencia, corriente y voltaje. Con
esta prueba determinamos Rc y Xm.
Esta prueba se realizo alimentando por el lado de baja
tensión a un voltaje de 57 [V] valor nominal con la que se
obtuveron los siguientes valores:
- Corriente I = 0,173 [mA]
- Potencia = 4, 20 [W]
- Prueba de corto circuito: de igual manera
realizamos mediciones de corriente, voltaje y
potencia. Con esta prueba determinamos Re y Xe.
Esta prueba se realizó alimentando por el lado de alta
tensión a un valor de voltaje con el que se obtuviera una
corriente de alimentación un valor cercano a la nominal. (En
los cálculos recordemos que se encontró que la máxima
corriente a circular es de 1,425 [A], pero recordemos que lo
máximo que puede circular por el alambre de cobre es 1,6
[A], por tanto tomamos este valor como el nominal y se hizo
la prueba con un valor de 1,60 [A]. se obtuvieron los
siguientes valores:
- Voltaje = 12, 1 [V]
- Potencia = 19,51 [W]
Ya obtenidos los valores necesarios para caracterizar el
transformador procedemos a realizar los cálculos para
encontrar dichos parámetros.
120/57 [V] Voltaje
[V]
Corriente
[A]
Potencia
[W]
Prueba
circuito
abierto
57 0,173 4,20
Prueba corto
circuito
12,1 1,63 19,51
Cálculos con la prueba de vacío
Rcl = Voc2
/Poc = 572
/4,2 = 773,5714 [Ω]
Qocl = ((Voc*Ioc)2
– (4,2)2
)1/2
= 8,9218 [VAR]
Xml = Voc2
/ Qoc = 364,1623 [Ω]
Referidos al lado de alto voltaje
a= 120 / 57
Rch = a2
x Rcl = (120/57)2
*(773,5719) = 3428,5714 [Ω]
Xmh= a2
x Xmh = (120/57)2
*(364,1623) = 1614,0157 [Ω]
Cálculos con la prueba de corto circuito
Reh = Pcc/Icc2
= 19,51/1,632
= 7,3431 [Ω]
Zeh = Vcc/Icc = 12,1/1,63 = 7,4233 [Ω]
Xeh = ((Zeh)2
-(Reh)2
)1/2
= 1,088
Circuito equivalente referido al lado de alta tensión
Cálculo de la eficiencia máxima encontrada con el circuito
equivalente referido al lado de alta:
La eficiencia máxima de un transformador se da cuando las
pérdidas magnéticas son iguales a las pérdidas en el cobre.
Siendo I1 la corriente que pasa por la resistencia de
magnetización e I2 la corriente que pasa por la reactancia de
magnetización tenemos:
I1 = V1/Rch= 120/3428,5714 = 0,035 [A]
I2 = V1/Xmhj 120/1614,0157= 0,07435<-90o
[A]
Siendo Pm las pérdidas magnéticas tenemos:
Pm= Im2
xRch= (0,035)2
x3428,5713 = 4,2
Entonces tenemos que Im es la corriente a la cuál se da la
eficiencia máxima:
Im =(4,2/7,3431)1/2
=0,7562 [A]
Por tanto la eficiencia máxima del transformador es:

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N = V1xIm /(V1xIm+2xPm)
N= (120x0,75628)/(120x0,75628+4,2x2)
N=91,53%
Cálculo de la eficiencia del transformador conectándole una
carga:
Conectándole una carga y alimentado el transformador a un
poco menos del voltaje nominal Vin = 118,7 [V] obtenemos
los siguientes valores:
N = (Pout/Pin) x100% eficiencia
Potencia de entrada Pin = Vin x Iin
Potencia de salida Pout = Vout2
/ R
Posición
de la
carga
Valor de
Resistencia
R [Ω]
Voltaje
de
salida
Vout
[V]
Corriente
de
entrada
Iin [mA]
Potencia
[W]
N
%
Pin Pout
0 0 53,4 - - - -
1 840 53,4 83 9,85 3,39 34
2 600 53,2 97 11,51 4,75 41
3 350 53,1 114 13,53 8,09 60
4 240 53,0 142 16,86 11,75 70
5 150 52,7 175 20,77 18,51 89
6 120 52,4 240 28,48 22,88 80
7 97 52,3 274 32,52 28,20 87
Cálculo de la eficiencia del transformador conectándole dos
cargas en paralelo:
Dejando una carga en la posición 7 y variando la otra
obtenemos los siguientes resultados.
Posición
de la
carga en
paralelo
Valor de
Resistencia
del paralelo
R [Ω]
Voltaje
de
salida
Vout
[V]
Corriente
de
entrada
Iin [mA]
Potencia
[W]
N
%
Pin Pout
0 97 52,3 274 32,52 29,39 90
1 86,95 52,1 300 35,61 31,21 88
2 83,50 52,0 310 36,78 32,38 88
3 75,95 51,8 344 40,83 35,33 87
4 69,08 51,7 364 43,20 38,69 89
5 58,90 51,6 400 47,48 45,20 95
6 53,64 51,5 450 53,42 49,44 93
7 48,5 51,4 488 57,93 54,47 94
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
- A pesar de que es nuestra primera vez diseñando y
construyendo un transformador podemos observar
que los porcentajes de error encontrados al
comparar lo esperado teóricamente con las pruebas
experimentales que se le realizaron fueron errores
pequeños y no tan considerables, estos errores
posiblemente se nos presentaron en el momento de
la construcción del transformador, comenzando por
que al devanar a mano podemos perder la cuenta de
las vueltas en el embobinado y esto hace que
obtengamos más o de pronto menos vueltas de las
que necesitamos, respecto a las medidas ya que
dichas medidas no son comerciales hay que hacer
aproximaciones de tal manera que se puedan
conseguir todos los materiales esta variación de las
medidas le añade un poco de imprecisión a nuestro
transformador.
- Respecto a la eficiencia al momento de realizar las
pruebas con carga podemos observar que nuestro
transformador trabaja con una alta eficiencia para
cargas menores a los 150 [Ω] aproximadamente,
esto se debe a que por falta de experiencia en la
construcción de transformadores utilizamos
materiales que de pronto están presentado una alta
resistencia y por ende están disipando o
consumiendo bastante potencia de tal manera que
la potencia a la salida es un poco alejada respecto a
la de entrada por tanto al colocarle cargas
demasiado grandes la eficiencia del transformador
es muy baja de tal manera que se hace inservible
para cargas demasiado grande.
- Respecto a los valores nominales tenemos que
según los valores calculados tenemos ciertos
valores nominales pero según los materiales
conseguidos estos presentan unos valores un poco
más altos de los nominales por ejemplo la corriente
de entrada según los cálculos, el máximo valor de
corriente con el que se puede alimentar el
transformador es de 1,425 [A] pero según los
materiales el máximo valor es de 1,6 [A].
BIBLIOGRAFÍA
- MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y
TRANSFORMADORES, Bhag S. Gurú, Huseyin
R. Hiziroglu, Tercera Edición, Editorial
Alfaomega.
- http://construyasuvideorockola.com/transform
ador.php.