Es un trabajo que abarca un resumen de la historia desarrollo y evolución en los transformadores así como sus perdidas en el cobre y en el hierro

1. Maquinas Eléctricas 1
PERDIDAS DE POTENCIA Y EFICIENCIA EN LOS
TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS
Erika Poveda
epoveda@est.ups.edu.ec
Libio Calle
lcalle@est.ups.edu.ec
Introducción fabricar este tipo de focos de una manera
muy eficiente y con este invento se abrió
Como ya aviamos mencionado
un campo extraordinario de aplicación
anteriormente un transformador no es
que creó la necesidad de construir
más que una maquina eléctrica que
generadores eficientes de electricidad.
convierte cierta tensión que ingresa al
transformador ya se aumentándola o
disminuyéndola a la salida pero estas
maquinas eléctricas no son ideales es
decir tienen perdidas de potencia y
eficiencia debido algunos factores que se
mencionara a continuación.
Historia del transformador
Una vez que la electricidad pudo ser
generada y distribuida para la
iluminación, se aprovechó para ser
utilizada como fuerza motriz por medio
de motores eléctricos. Se puso así a
disposición de la industria y de los
transportes un nuevo medio universal y
barato de distribución de energía que dio
Transformador de 1866
un gran impulso a la utilización de los
En octubre de 1879, después de muchas motores eléctricos. Así se creó la
experiencias infructuosas y de haber industria eléctrica pesada. Como se
gastado la considerable cantidad para puede apreciar la industria eléctrica, en
ese entonces de 40 000 dólares, el contraste con otras más antiguas, tuvo
estadounidense Thomas Alva Edison un carácter científico desde sus inicios.
(1847-1931) logró construir una lámpara A pesar de los extraordinarios logros de
incandescente en la que un filamento de Edison hubo problemas con la corriente
carbón emitía luz al hacerle pasar una eléctrica que utilizaba, que como vimos
corriente eléctrica por más de 40 horas. era corriente directa. Esto ocasionó
El famoso inventor colocó su filamento problemas. En efecto, en primer lugar, la
dentro de un bulbo de vidrio que estaba utilización de circuitos en paralelo
al vacío en su interior. Edison logró requirió que los cables fueran muy

2. Maquinas Eléctricas 1
gruesos, lo cual generaba costos altos. de la corriente cambia en un segundo es
En segundo lugar, y de mas importancia, la frecuencia de la corriente y se mide en
al aumentar la demanda de iluminación hertz (Hz); así, una corriente de 60 Hz es
se necesitaron cargas cada vez más aquella que varía 60 veces en un
altas que implicaban corrientes eléctricas segundo. En 1888 Nikola Tesla obtuvo
enormes. Por lo tanto, se estaba ante la una patente por un generador polifásico
alternativa de enviar corrientes muy altas alterno que producía gran potencia
a través de grandes cables de cobre, lo eléctrica; muy pronto este tipo de
cual era muy ineficiente, o de construir máquina fue la más usada. Hoy en día se
muchas plantas generadoras de emplean generadores que son versiones
electricidad cercanas a los usuarios, con muy mejoradas del generador polifásico
el respectivo aumento considerable de de Tesla. Los primeros generadores
los costos. fueron diseñados para que produjeran
corrientes que tenían diferentes valores
Además, rápidamente quedó en
de sus frecuencias: los de 25, 33.5, 40,
evidencia que el sistema de corriente
50, 60, 90, 130, 420 Hz fueron los más
directa que se ramificaba dos kilómetros
usados. Con el tiempo se ha convenido
fuera de la planta estaba cerca de su
en utilizar 60 Hz
límite de crecimiento.
Por otro lado, la transmisión de corriente
eléctrica de alto voltaje a largas El primer transformador fue, de hecho,
distancias, por medio de alambres construido por Faraday cuando realizó
relativamente delgados, podría ser muy los experimentos en los que descubrió la
eficiente. La objeción era que un inducción electromagnética. Lo que usó
generador de corriente directa produce fueron dos bobinas enrolladas una
corriente con un voltaje determinado que encima de la otra Al variar la corriente
no se puede modificar y por tanto, no que circulaba por una de ellas, cerrando
habría forma de reducir el voltaje al valor o abriendo el interruptor, el flujo
que se necesitara, en particular en el uso magnético a través de la otra bobina
doméstico. Hemos de mencionar que variaba y se inducía una corriente
cuando hablamos de alto voltaje nos eléctrica en la segunda bobina. Pues
referimos a decenas de miles de volts, bien, este dispositivo es precisamente un
mientras que los valores para los transformador. Faraday no puso mayor
usuarios son de 125 a 250 volts. atención en este aparato ya que estaba
interesado en otras cuestiones. En el
La solución a estos dilemas se encontró
transcurso de los años varios
con la construcción de generadores de
experimentadores trabajaron con
corriente alterna por un lado, y la
diferentes versiones de transformadores.
invención del transformador por el otro.
Estos dos dispositivos basan su
funcionamiento en la ley de inducción de
Faraday. Veamos un poco de su historia.
Desde que Faraday descubrió la
inducción electromagnética se
construyeron los primeros generadores
que producían corriente eléctrica que
variaba o alternaba al transcurrir el 1831 - Transformador de Faraday
tiempo; el número de veces que el valor

3. Maquinas Eléctricas 1
Edison y sus asociados pelearon contra Esquema de un sistema de distribución
la utilización de la comente alterna tanto de electricidad, desde la planta
en la prensa como en los tribunales. Sin generadora hasta los diversos
embargo, su lucha estaba perdida. Muy consumidores. Este sistema es posible
pronto la corriente directa cedió su lugar gracias a los transformadores.
a la alterna debido a su flexibilidad,
En el transcurso del presente siglo ha
conveniencia y bajo costo. Tres años
habido una gran actividad de trabajo
después del éxito con su planta Edison
científico y desarrollo tecnológico para
quedó desplazado.
mejorar la eficiencia del funcionamiento
En la década de 1890 el crecimiento de de los transformadores. Este trabajo ha
los sistemas de corriente alterna fue muy estado centrado en desarrollar mejores
vertiginoso. En las cataratas del Niágara, materiales para los núcleos, a fin de
EUA, se instalaron generadores evitar pérdidas de energía que ocasionan
inmensos que iniciaron su servicio en el calentamiento del transformador.
1895 y alimentaron de electricidad a Ahora bien, al aumentar la temperatura
lugares bastante lejanos, algunos las características del material
situados a centenares de kilómetros. De ferromagnético cambian y a la larga deja
esta manera muy pronto se establecieron de ser ferromagnético, con lo que el
sistemas de transmisión en muchos núcleo del transformador ya no funciona
países, tendencia que continúa hasta la eficientemente. Es por esto que se hizo
fecha. un gran esfuerzo científico y técnico para
evitar este calentamiento, lo cual se logró
En la figura 13 se presenta el esquema
al sumergirlo en un líquido, por ejemplo,
de un sistema de distribución de energía
aceite.
eléctrica que nace de una planta
generadora y que va hasta una ciudad Las pérdidas en un
muy alejada. A la salida de la planta un transformador
transformador eleva el voltaje para iniciar
la distribución. En la cercanía de la meta Ninguna maquina eléctrica es ideal, es
se inicia el descenso del voltaje por decir siempre tienen algún tipo de
medio de transformadores que se perdida al realizar un trabajo, siendo
encuentran en subestaciones, descenso estas estáticas o dinámicas
que se va realizando de manera gradual
para poder alimentar a usuarios con
diferentes necesidades.
Figura 13.

4. Maquinas Eléctricas 1
En el caso del transformador estas
pérdidas son estáticas
En un trasformador se producen perdidas
esencialmente por las siguientes causas:
por ciclos de histéresis
por corrientes parasitas (corrientes de
Foucault)
(Estas dos llamadas también perdidas en
el hierro)
pedidas en el cobre del bobinado
Perdidas en el hierro
Fig.2 Ciclo de Histéresis
Como se menciono anteriormente de
forma breve las perdidas en el hierro son
las perdidas por histéresis y por De igual forma que en las corrientes
corrientes parasitas parasitas el ciclo de histéresis dependerá
esencialmente del tipo de material
La histéresis magnética
Para calcular numéricamente las
Es el fenómeno que se produce cuando perdidas por histéresis podemos usar la
la imantación de los materiales ferro siguiente igualdad
magnéticos no solo depende del flujo
magnético, sino de los estados
magnéticos anteriores.
En el caso de los transformadores al
someter un material magnético a un flujo
variable se produce una imantación que
se mantiene al cesar el flujo variable, lo
que provoca una perdida de energía
En la fig.2 podemos ver de una forma
más clara lo que se trata de explicar.
Y por lo tanto se puede concluir que las
pérdidas en el hierro son la suma de las
perdidas por ciclos de histéresis y las
perdidas por corrientes parasitas.
Las corrientes parasitas
Se producen en cualquier material
conductor cuando se encuentran

5. Maquinas Eléctricas 1
sometidos a una variación de flujo
magnético, como los núcleos de los
transformadores están hechos de
materiales magnéticos y estos materiales
son buenos conductores se genera una
fuerza electromotriz inducida que origina
corrientes que circulan en el mismo
sentido dando lugar a el denominado
efecto Joule
Las perdidas por corrientes parasitas
dependerán del material con el que está
construido el núcleo magnético del
transformador
Para reducir en parte estas pérdidas de
potencia es necesario que el núcleo del
transformador que esta bajo un flujo
variable no sea macizo, es decir el
núcleo deberá estar construido con
chapas magnéticas de espesores muy
delgados, colocadas una enzima de otra Fig.3 Chapas del nucleo
y aisladas entre si
Al colocar las chapas magnéticas lo que En la siguiente tabla (tabla 1) se expresa
conseguimos es que la corriente eléctrica las características de construcción los
no pueda circular de una chapa a otra y valores magnéticos para determinar las
se mantenga independientemente en pérdidas de potencia en el hierro en
cada una de ellas con lo que se induce función del espesor, la aleación y la
menos corriente y disminuye la potencia inducción
perdida por corrientes parasitas o
corrientes de Foucault
En la fig.2 podemos observar primero un
flujo en un núcleo macizo y por
consiguiente una gran cantidad de
pérdidas de energía que derivaran en
perdidas inevitables de potencia
En cambio en la siguiente fig.3 podemos
observar la función de las chapas en el
núcleo reduciendo las corrientes
inducidas y por lo tanto menos perdidas Para realizar un cálculo numérico de las
de potencia pérdidas en el hierro por las corrientes
parasitas recurrimos a la siguiente
formula:

6. Maquinas Eléctricas 1
También en este ensayo mencionaremos
los métodos prácticas para medir las
perdidas en un transformador.
Método práctico para medir las
pérdidas en el hierro de un
transformador
Método de prueba al vacío
Al usar este método a través de la
medición de la tensión, intensidad de
Perdidas en el cobre corriente y potencia solamente en el
bobinado primario y dejando el bobinado
secundario abierto es decir el bobinado
secundario no será recorrido por ninguna
Es la suma de las potencias pérdidas en intensidad y de esta manera obtenemos
los bobinados de un transformador. Se directamente la potencia perdida en
deben a la disipación de calor que se hierro
producen en los devanados. El valor de
esta potencia depende del cuadrado de Las pérdidas en el hierro las podemos
las intensidades de corriente de carga y medir fácilmente, leyendo la entrada en
a la resistencia de los bobinados, la cual vatios por medio de un vatímetro fig.4.
varía mucho desde el funcionamiento en
vacío a plena carga.
Estas pérdidas las podemos calcular
numéricamente atreves de la siguiente
fórmula:
Fig.4 Ciclo de Histéresis
Es conveniente controlar la tensión
aplicada al bobinado del transformador
por ejemplo usando un
autotransformador variando la tensión
desde cero hasta el valor de la tensión
nominal.
Método para determinar las
pérdidas en el cobre

7. Maquinas Eléctricas 1
Método del corto circuito por 1.1 para obtener la resistencia
efectiva a la C.A, fig.6.
Con este método en corto circuito
conseguimos las intensidades nominales De esta manera tenemos la corriente y la
en los dos bobinados, aplicando una resistencia que tiene cada debando y
pequeña tensión al bobinado primario y podemos determinar la potencia perdida
cortocircuitando el bobinado secundario
con un amperímetro (como se indica en
la siguiente fig.5)
Fig.5 Ciclo de Histéresis
Fig.6Medición de la resistencia de los
devanados.
El método consiste en aplicar
progresivamente una tensión voltio a
voltio, hasta llegar a las intensidades Rendimiento de un transformador
nominales en los bobinados
La tensión aplicada, una vez alcanzada
El rendimiento de un transformador se
la intensidad nominal en el secundario,
define como la relación entre la potencia
recibe el nombre de tensión de corto
de salida y la potencia absorbida de la
circuito. Esta tensión supone un valor
red por el transformador
bajo con respecto a la tensión nominal
aplicada al transformador cuando está en
carga
Estas pérdidas las podemos determinar
directamente con el vatímetro
conectándolo en el bobinado primario Para determinar el rendimiento de un
transformador de una madera rápida y
directa podemos medir con un vatímetro
Midiendo la resistencia de los la potencia del bobinado primario y de
bobinados igual forma con otro vatímetro la potencia
del bobinado secundario, de tal forma
Se aplica a cada devanado un voltaje de
que el rendimiento del transformador
corriente continua de valor bajo, por
vendrá determinado por el coeficiente
ejemplo 120 Voltios, se mide la corriente
que resulte entre estos dos valores
y el voltaje del devanado en cuestión, se
aplica la ley de Ohm y se obtiene la Otra manera de calcular la eficiencia en
resistencia efectiva en C.C, se multiplica un transformador es determinado el
cociente de la potencia de salida y la

8. Maquinas Eléctricas 1
potencia de entrada, sumándole las chapas, en forma invertida, una con
perdidas en el cobre y en el hierro respecto a la siguiente, según se observe
en la figura. De esta forma se evita el
entrehierro o espacio de aire que como
hemos podido comprobar en nuestro
estudio son un grave problema ya que
disminuyen la permeabilidad magnética
del circuito, lo cual se traduce en una
pérdida en la intensidad o densidad del
campo magnético, que. Lo cual
DISEÑOS PARA EVITAR PÉRDIDAS desemboca en pérdidas de potencia
Anteriormente se menciona que para A continuación se muestra una tabla con
evitar las corrientes parasitas y reducir las medidas de chapas disponibles
en cierta forma las pérdidas de potencia fig.9en el mercado con su respectiva
se utiliza chapas muy delgadas en el explicación grafica
núcleo, pero como debe ser estas
chapas?
El tipo de chapas más utilizado es el que
adopta la forma de E, tal como se puede
apreciar en la fig.7
Fig.8 Chapas
Fig.7 Tipo de chapas
De igual forma en la fig.8 podemos
observar la manera de armar o construir
el núcleo. Al construir de esta manera en
núcleo aprovechamos casi es su
totalidad el flujo magnético, evitándose
las pérdidas por dispersión, este núcleo
recibe el nombre de "núcleo acorazado".
La forma correcta de armar un
transformador consiste en montar las

9. Maquinas Eléctricas 1
Fig.9 Tabla de láminas monofásicas
Efectos de la temperatura
Como he mencionado varios veces en
este ensayo gran parte de las pérdidas Solución al efecto Joule
que tienen los transformadores se
convierten en energía calorífica, por eso
se menciona en este punto cómo El efecto Joule se puede contrarrestar
reaccionan los materiales ferro mediante un mejor uso del conductor, es
magnéticos a cambios en la temperatura decir, usando conductores de mejor
eficiencia y colocándolos de tal forma
La energía térmica hace que los dipolos
que la sección que produce dicho efecto
magnéticos de un material
sea mínima. A continuación se presenta
ferromagnético sufran una desalineación
las consideraciones de dichos
en su configuración normal como vemos
conductores para alta y baja tensión:
en la fig.10
Conductores en Baja Tensión
El conductor se usa generalmente para
potencias pequeñas y tiene diámetros no
superiores a 3 ó 3.5 mm. El aislamiento
de los conductores, cuando Joson
cilíndricos, pueden ser de algodón y de
papel, y más raramente conductor
esmaltado en caso de que los
transformadores no sean enfriados con
aceite.
Fig.10 magnetización por saturación Vs
temperatura
Conductores en Alta Tensión
Al llegar a un límite de temperatura el
ferromagnetismo de los materiales La corriente que circula por ellos es
ferromagnéticos desaparece relativamente baja, por lo que son de
completamente, y el material se toma conductor de cobre de sección circular
paramagnético. con diámetro de 2.5 a 3.0 mm A
continuación se muestran tablas en las
Esta temperatura se denomina que se encuentran las principales
temperatura de Curie características de los conductores así
En la siguiente tabla se indica el valor de como sus equivalentes en awg.
la temperatura de Curie para algunos Elección de materiales magnético
materiales
Al construir un transformador y elegir el
material del núcleo debemos tener en

10. Maquinas Eléctricas 1
cuanta algunos aspectos, de esta
manera optimizamos los recursos 75 Ni-5
evitando posibles perdidas Cu-2 Cr-
0,8 0,012 30.000
18 Fe
Materiales blandos (Mumetal)
El uso de estos materiales está centrado
en núcleos para transformadores, +79 Ni-5
motores, generadores, equipos de Mo-15 Fe-
comunicación de alta sensibilidad debido 0,5 Mn 0,78 0,004 100.000
a que son fácilmente imantar y (Supermall
desimantar, presentando curvas de oy)
histéresis de apariencia estrecha con
bajos campos coercitivos y alta 48% MnO-
saturación, y teniendo por tanto altas Fe2O3,
permeabilidades magnéticas (figura 9 a). 52% ZnO-
0,36 1000
Fe2O3
Propiedades magtiéticas de materiales (ferrita
blandos suave)
Inducció
Camp
n Permeabili
o Materiales duros
Material y dad
de
composici coerci
saturaci relativa Los materiales magnéticos duros se
ón vo, H¡,
ón, caracterizan por una alta fuerza
inicial µi
A/cm coercitiva Hc y una alta inducción
BS,T
magnética remanente Br; de este modo,
los ciclos de histéresis de estos
Hierro materiales son anchos y altos (figura 9 b)
magnético
2,15 0,8 250 Propiedades magnéticas seleccionadas
, chapa de
0,2 cm de materiales magnéticos duros
M36 Si-Fe
laminado
2,04 0,36 500
en frío
(aleatorio)
M6 (110)
[001],
3,2% Si- 2,03 0,06 1.500
Fe Tabla 5
(orientado
45 Ni-55
Fe (45 1.6 0,024 2700
Permalloy)

11. Maquinas Eléctricas 1
una maquina eléctrica con menos
perdidas y con una alta eficiencia
optimizando nuestro trabajo y evitando
perdidas económicas
Bibliografía
Archivo PDF "estudios del transformador
monofásico", AUTOR NN
PaginaWeb "Wiquipedia enciclopedia
libre", transformado monofásico
Imagen 9
Pagina web "monografías.com"
materiales magnéticos
Conclusiones Pagina web"monografía.com" diseño
Al finalizar este ensayo puedo mencionar transformadores
las siguientes conclusiones Imágenes 1, 2, 4 tomadas de Archivo
Las principales perdidas que existen en PDF "estudios del transformador
un transformador monofásico son monofásico", AUTOR NN
causadas por flujos de histéresis, Imágenes 3,5 tomadas de Archivo PDF
corrientes parasitas, y perdidas en el "perdidas en el transformador en vacio",
cobre AUTOR Luis Alberto arcos Salazar
Podemos reducir estas pérdidas de Imágenes 8,9 tomadas de Pagina web
potencia en el transformador y "monografías.com" materiales
mejorando su eficiencia tomando en magnéticos
cuanta varios aspectos a la hora de la
construcción de un transformador tales Tabla 5, 4,3 tomadas de Pagina web
aspectos pueden ser, el uso de chapas "monografías.com" materiales
en el núcleo, la selección adecuada del magnéticos
material magnético a utilizar, entre otros http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Electri
El transformador es una gran cidadCronol.htm
herramienta en la vida humana, y si
tomamos en cuenta los aspectos http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ci
mencionados en este ensayo a la hora encia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec_11
de construir un transformador, tendremos .htm