Maq_Electricas_II

1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO SANTIAGO MARIÑO
EXTENSIÓN CIUDAD OJEDA
TRANSFORMADOR IDEAL Y REAL, TRANSFORMADOR MONOFÁSICO Y
TRIFÁSICO, CIRCUITOS EQUIVALENTES, ENSAYOS Y TIPOS DE
REFRIGERACIÓN
AUTOR:
YOAN ANDRADE
C.I.13.746.958

2. TRANSFORMADOR IDEAL Y REAL.
El transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de un
cierto nivel de voltaje, en energía eléctrica 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 si eléctricamente por lo general y arrolladas
alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. El arrollamiento
que recibe la energía eléctrica se denomina arrollamiento de entrada, con
independencia si se trata del mayor (alta tensión) o menor tensión (baja
tensión). El arrollamiento del que se toma la energía eléctrica a la tensión
transformada se denomina arrollamiento de salida. En concordancia con ello,
los lados del transformador se denominan lado de entrada y lado de salida.
El arrollamiento de entrada y el de salida envuelven la misma columna del
núcleo de hierro. El núcleo se construye de hierro porque tiene una gran
permeabilidad, o sea, conduce muy bien el flujo magnético.
En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales:
de vista eléctrico -y esta es su misión principal- es la vía
por que discurre el flujo magnético. A través de las partes de la culata
conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a
otra.
Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos que en
él se apoyan.
Para generar el flujo magnético, es decir, para magnetizar el núcleo de hierro
hay que gastar energía eléctrica. Dicha energía eléctrica se toma del
arrollamiento de entrada. El constante cambio de magnetización del núcleo
de hierro origina pérdidas. Estas pérdidas pueden minimizarse eligiendo tipos
de chapa con un bajo coeficiente de pérdidas. Además, como el campo
magnético varía respecto al tiempo, en el hierro se originan tensiones que
dan orígenes a corrientes parásitas, también llamadas de Foucault. Estas
corrientes, asociadas con la resistencia óhmica del hierro, motivan pérdidas
que pueden reducirse empleando chapas especialmente finas, de unos 0.3
mm de espesor, aisladas entre sí (apiladas). En cambio, en un núcleo de
hierro macizo se producirían pérdidas por corrientes parásitas excesivamente
grandes que motivarían altas temperaturas. Una vez descritos los dos
principales componentes, va a tomar conocimiento del principio de la
transformación: El flujo magnético, periódicamente variable en el tiempo,
originado por la corriente que pasa a través del arrollamiento de entrada
induce en el arrollamiento de salida una tensión que varía con la misma
frecuencia. Su magnitud depende de la intensidad y de la frecuencia del flujo
así como del número de vueltas que tenga el arrollamiento de salida, como
se ve en la siguiente formula (ley de la inducción).

3. E = 4.44 * 10-8 * aC * B * f * N
En la que aC = sección del núcleo en pulgadas cuadradas, B = densidad
máxima del flujo en líneas por pulgada cuadrada, E = tensión eficaz, f =
frecuencia en Hz y N = número de espiras del devanado, o bien 10-9 * aC *
B * f * N, expresando aC y B en cm2.
Todo lo anterior se analiza con más detalle en las siguientes lecciones.
Transformador, dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable
situada junto a una o varias bobinas más, y que se utiliza para unir dos o más
circuitos de corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre
las bobinas. La bobina conectada a la fuente de energía se llama bobina
primaria. Las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un
transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama
transformador elevador. Si el voltaje secundario es inferior al primario este
dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El producto de
intensidad de corriente por voltaje es constante en cada juego de bobinas, de
forma que en un transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina
secundaria viene acompañado por la correspondiente disminución de
corriente.
TRANSFORMADOR IDEAL
Un transformador ideal es un artefacto sin pérdidas, con una bobina de
entrada y una bobina de salida. Las relaciones entre los voltajes de entrada y
de salida, y entre la corriente de entrada y de salida, se establece mediante
dos ecuaciones sencillas. En el transformador que se muestra tiene NP
espiras de alambre sobre su lado primario y NS de espiras de alambre en su
lado secundario. La relación entre el voltaje VP(t) aplicado al lado primario
del transformador y el voltaje VS(t) inducido sobre su lado secundario es
VP(t) / VS(t) = NP / NS = a
En donde a se define como la relación de espiras del transformador
a = NP / NS
La relación entre la corriente ip(t) que fluye en el lado primario del
transformador y la corriente is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del
transformador es
NP * iP(t) = NS * iS(t)
iP(t) / iS(t) = 1 / a
En términos de cantidades fasoriales, estas ecuaciones son
VP / VS = a
IP / IS = 1 / a

4. La relación de espiras del transformador ideal afecta las magnitudes de los
voltajes y corrientes, pero no sus ángulos. Las ecuaciones anteriores
describen la relación entre las magnitudes y los ángulos de los voltajes y las
corrientes sobre los lados primarios y secundarios del transformador, pero
dejan una pregunta sin respuesta: dado que el voltaje del circuito primario es
positivo en un extremo especifico de la espira, ¿cuál seria la polaridad del
voltaje del circuito secundario?. En los transformadores reales seria posible
decir la polaridad secundaria, solo si el transformador estuviera abierto y sus
bobinas examinadas. Para evitar esto, los transformadores usan la
convección de puntos. Los puntos que aparecen en un extremo de cada
bobina en la figura1 muestran la polaridad del voltaje y la corriente sobre el
lado secundario del transformador. La relación es como sigue:
1.- Si el voltaje primario es positivo en el extremo punteado de la bobina con
respecto al extremo no punteado, entonces el voltaje secundario será
también positivo en el extremo punteado. Las polaridades de voltaje son las
mismas con respecto al punteado en cada lado del núcleo.
2.- Si la corriente primaria del transformador fluye hacia dentro del extremo
punteado de la bobina primaria, la corriente secundaria fluirá hacía afuera del
extremo punteado de la bobina secundaria.
POTENCIA EN UN TRANSFORMADOR IDEAL
La potencia suministrada al transformador por el circuito primario se expresa
por medio de la ecuación
Pent = VP * IP * cos ð P
En donde ð p es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundaria. La
potencia que el circuito secundario suministra a sus cargas se establece por
la ecuación:
Psal = VS * IS * cos ð S
En donde ð s es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundarios. Puesto
que los ángulos entre el voltaje y la corriente no se afectan en un
transformador ideal, ð p=ð s=ð . Las bobinas primaria y secundaria de un
transformador ideal tienen el mismo factor de potencia.
¿Cómo se compara la potencia que va al circuito primario del transformador
ideal, con la potencia que sale por el otro lado?
Es posible averiguarlo por medio de las ecuaciones de voltaje y corriente. La
potencia que sale de un transformador es:
Psal = VS *IS* cos ð
Aplicando las ecuaciones de relación de espiras nos resulta Vs = Vp / a y Is
= a * Ip así que

5. Psal = (VP/a) * a * IP * cos ð
Psal = VP * IP * cos ð = Pent
De donde, la potencia de salida de un transformador ideal es igual a su
potencia de entrada.
La misma relación se aplica a la potencia reactiva Q y la potencia aparente S.
Qent = VP *IP *sen ð = VS *IS *sen ð = Qsal
Sent = VP *IP = VS *IS = Ssal
Los transformadores ideales pueden ser monofásicos, trifásicos, multicircuito
o especiales, pero todos tienen en común las siguientes propiedades:
a) r = 0 Arrollamientos sin resistencia.
b) PFe = 0 Núcleo sin pérdidas.
c) µFe = ∞ Permeabilidad relativa del núcleo infinita.
d) C = 0 Capacidades parásitas nulas.
REPRESENTACIÓN:
Un transformador ideal monofásico se acostumbra a representar
esquemáticamente como un circuito acoplado,
Los transformadores ideales son formas idealizadas de los transformadores
reales, son elementos de circuito, como también los son las resistencias,
inductancias y capacitancias que sonformas idealizadas de los elementos
reales resistores, inductores y capacitores.
Estos transformadores ideales aparecen en los modelos circuitales, o
circuitos equivalentes, delos transformadores reales y de otras máquinas
eléctricas.

6. En los transformadores reales no se cumplen las premisas que definían a los
ideales, pero se les aproximan mucho, especialmente en las unidades de
gran potencia, en efecto, se tiene que:
Características de los transformadores reales.
DIFERENCIAS
Si bien estas diferencias son pequeñas, en la mayoría de los casos, deben
ser tenidas en cuenta. El rendimiento, aunque muy elevado, resulta menor
que la unidad y además se producirán caídas de tensión, en general muy
pequeñas.
Las diferencias entre el transformador real y el ideal están basadas en los
componentes que integran el transformador real y las pérdidas por
calentamiento, lo cual se traduce en una pérdida de potencia del
transformador real.
Los transformadores reales tienen pérdida en las bobinas, debido a que
estas bobinas tienen una resistencia, algo con lo que no se contaba a la
hora de analizar al transformador ideal.
Los núcleos de las bobinas no son infinitamente permeables, al contrario del
transformador ideal. el flujo manejado por la bobina primaria, no es
completamente capturado por la bobina secundaria en el caso práctico de un
transformador real.
TRANSFORMADOR REAL
Se está representado un transformador real en carga, con núcleo de hierro.
Aunque hay un buen acoplamiento debido al núcleo de hierro, además del
flujo mutuo, m, se producen unos pequeños flujos
de dispersión en los arrollamientos del primario y del secundario, 1 y 2.
El flujo de dispersión primario, 1, produce una reactancia inductiva primaria,
XL1. El flujo de dispersión secundario, 2, produce una reactancia inductiva
secundaria, XL2. además, los arrollamientos del primario y del secundario

7. están devanados con cobre que tiene una cierta resistencia. La resistencia
interna del arrollamiento primario es r1 y la del secundario es r2.
Las resistencias y reactancias de los arrollamientos del primario y del se-
cundario, respectivamente, producen caídas de tensión dentro del
transformador como resultado de las corrientes del primario y del secundario.
Aunque estas caídas de tensión son internas, es conveniente representarlas
externamente en serie con un transformador ideal. El transformador ideal se
supone que no tiene caídas de tensión resistivas ni reactivas en sus
arrollamientos. Se ha tenido en cuenta la dispersión mediante la caída de
tensión del primario I1Z1 y la caída de tensión en el secundario, I2Z2. Como
se trata de caídas de tensión inductivas, podemos decir que la impedancia
interna primaria del transformador es:
Z1=r1+jXL1 en la que todos los términos se han definido.
Y la impedancia interna del secundario del transformador es:
Z2=r2+jXl2 en la que todos los términos se han definido.
Ahora resulta posible ver la relación entre las tensiones de bornes y las fem
inducidas en el primario y en el secundario, respectivamente. Las fem
inducidas en el primario y en el secundario pueden calcularse a partir de una
relación fundamental.
E1=4,44fN1BmA*10(exp)-8 v
E2=4,44fN2BmA*10(exp)-8 v
En la que todos los términos ya se han definido anteriormente.
CIRCUITOS EQUIVALENTES PARA UN TRANSFORMADOR DE
POTENCIA REAL.
La resolución y las comparaciones evidencian la posibilidad de utilizar
transformaciones de impedancia para obtener un circuito equivalente del
transformador real. Tal circuito equivalente es útil para la resolución de
problemas relacionados con el rendimiento y la regulación de tensión de un
transformador.
El circuito puede verse con la impedancia de carga y la resistencia y
reactancia interna del secundario referidas al primario. Obsérvese que la
intensidad en el primario, I1, es la suma de la corriente magnetizante, Im, y
de la corriente de carga I1'. Esto está de acuerdo con las relaciones
vectoriales de un transformador en carga indicadas. Además, Rm representa
las pérdidas en el hierro del transformador equivalente, como consecuencia
de la corriente magnetizante, Im.
Rm está en paralelo con XLm que representa la reactancia del transformador
(en vació).

8. La representación del transformador que satisface tanto la condición de
carga como la de vacío. Si el secundario del transformador está en vacío,
I'1=0, y sólo circula Im(I1= Im) que produce una pequeña caída de tensión
interna debido a la impedancia del primario Z1. Como la impedancia del
primario Z1 y la caída de tensión del primario l1Z1 son relativamente
pequeñas, es posible obtener un circuito equivalente aproximado colocando
directamente la rama en paralelo L-R. a los bornes de la alimentación, V1.
Esto nos permite agrupar las resistencias y reactancias internas de los
circuitos primario y secundario, respectivamente.
Si el transformador está en carga, la corriente, I'1, es mayor que la corriente
magnetizante Im, y ésta puede considerarse despreciable, como puede verse
en el equivalente simplificado. Esta figura permite establecer algunas
consideraciones en las que interviene el rendimiento del transformador y la
regulación de tensión, así como el cálculo de la corriente del primario (y del
secundario).
Identificación de fases y polaridad de los arrollamientos de un trans-
formador
Además de los ensayos de vacío y de cortocircuito usados para determinar la
regulación, el rendimiento y el rendimiento diario de los transformadores
comerciales, se suelen realizar otros ensayos antes de poner un trans-
formador en servicio. Dos de tales ensayos tratan de la identificación de
fases y la polaridad, respectivamente, del transformador construido. La
identificación de fases es el proceso mediante el cual se identifican los
terminales individuales que constituyen los devanados de cada una de las
bobinas del transformador.
La polaridad instantánea se codifica mediante un subíndice. En el código
particular que se usa un subíndice número impar para designar la polaridad
instantánea positiva de cada arrollamiento. Obsérvese que el subíndice de
número impar se corresponde también con el punto que representa la fem
inducida positiva en cada arrollamiento. Así, en el caso de que las bobinas
deban conectarse ya sea en paralelo o en serie para obtener distintas
relaciones de tensión, puede hacerse adecuadamente la conexión teniendo
en cuenta las polaridades instantáneas. El lector comprobará por sí mismo la
manera cómo se asigna un punto (o un número impar) a los arrollamientos.
Supóngase que el primario H1-H2 esté en tensión y que H1 esté conectado
en un instante dado al terminal positivo de la alimentación. El flujo mutuo, m,
en el núcleo, tiene en este instante el sentido de las agujas del reloj,
indicado. De acuerdo con la ley de Lenz, las fem inducidas en los restantes
devanados tienen el sentido que se ve. Otro método para comprobar la
convención de puntos consiste en comparar la manera cómo están
devanadas las bobinas sobre el núcleo. Las bobinas H1-H2 y X3-X4 están
devanadas en el mismo sentido, por tanto el punto está en el terminal

9. izquierdo. Las bobinas X1-X2 y H3-H4 están devanadas en igual sentido, que
es opuesto al de H1-H2. Estas bobinas deben tener el punto en el terminal
derecho para significar polaridad positiva y polaridad opuesta a H1-H2.
Desgraciadamente, es imposible examinar un transformador real y deducir el
sentido en que están devanadas sus espiras, ya sea para identificar las fases
o determinar la polaridad relativa de los terminales de las bobinas. Un
transformador con varios devanados puede tener como mínimo 5 o como
máximo 50 conexiones, que llegan a la caja de terminales. Si fuera posible
examinar los conductores desnudos de las bobinas, el diámetro de los hilos
podría indicar qué conexiones o terminales están asociados con las bobinas
de alta o con las de baja tensión. Las bobinas de baja tensión tendrán
conductores de sección mayor que la de las bobinas de alta tensión. Las
bobinas de alta tensión también pueden tener un aislamiento superior que las
de baja tensión. Sin embargo, este examen físico no proporciona ninguna
indicación relativa a la polaridad o desfase de las tomas de la bobina o de los
terminales de la bobina asociados con las bobinas individuales que están
aisladas entre sí.
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO Y TRIFÁSICO.
TRANSFORMADOR MONOFÁSIO
Se habla de monofásico cuando se dispone únicamente de una tensión
alterna. El circuito funciona con 2 hilos y la corriente que circula por ellos es
siempre la misma. La onda de corriente alterna básica viene del giro de una
bobina dentro de un campo magnético.
Los transformadores de distribución se encargan de reducir el voltaje de
media o alta tensión a baja tensión para usar la electricidad en casas e
industrias. Los voltajes de media tensión van de los 7,2 kV a los 36 kV, y los
de baja tensión van desde los 110 hasta los 690 V. Los transformadores
tienen un lado primario conectado a la AT y un lado secundario de donde
sale la BT.

10. Para el Transformador Monofásico: Se conectan sus dos hilos del primario a
la línea trifásica de media tensión y del secundario salen 3 hilos, una toma
media que hace de neutro y los dos extremos que hacen de fase. Entre fases
hay el doble de voltaje que entre fase y neutro. Se utiliza sobretodo en
América en zonas aisladas. Los voltajes que da este tipo de transformador
suelen ser de 110/220 V o de 120/240 V.
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
Cuenta con 2 bobinas y se le conoce como conexión en V-V. Se le puede
añadir una toma media a uno de los dos bobinados, como si fuera un
transfomador monofásico.
Hay una versión a la que se le añade un transformador más y se le conoce
como conexión delta o triangulo.

11. Los voltajes que da este sistema es de sólo 1 si se aprovechan las 3 fases,
puede ser de 220 a 240 y 400 a 480 V. Con la toma media de uno de las
bobinas se tiene la mitad de voltaje entre la toma media y una fase que entre
fases, mientras que entre la toma media y la 3ª fase hay un voltaje raíz
cuadrada de 3 más elevada que el voltaje que hay entre la toma media y sus
dos fases, que no se suele usar. Los voltajes son 110/220 a 120/240 y
240/480 V.
Casi todos los sistemas importantes de generación y distribución de potencia
del mundo son, hoy en día, sistemas de ca trifásicos. Puesto que los
sistemas trifásicos desempeñan un papel tan importante en la vida moderna,
es necesario Para el análisis de su circuito equivalente, conviene representar
cada uno de los transformadores monofásicos que componen un banco
trifásico por un circuito equivalente. Como los efectos de las capacidades de
los devanados y de los armónicos de las corrientes de excitación suelen ser
despreciables, podrá utilizarse cualquiera de los circuitos equivalentes
deducidos para el caso de los monofásicos.
El transformador está representado, como en el teorema de Thévenin, por su
impedancia en cortocircuito en serie con su tensión en circuito abierto; la
razón de las tensiones en circuito abierto está representada por un
transformador ideal; y las características de excitación están representadas
por la admitancia en circuito abierto.
Los valores de los parámetros pueden obtenerse a partir de los datos de
diseño o ensayos en circuito abierto o en cortocircuito tomados a uno u otro
lado del transformador, y estos valores se pueden emplear, sin modificación,
o en el circuito equivalente de la figura 1a (en el cual se coloca la admitancia
de excitación en el lado primario) o en el circuito equivalente de la figura 1b
(en el cual se coloca la admitancia de excitación en el lado del secundario)
En muchos problemas, los efectos de la corriente de excitación son tan
pequeños que puede despreciarse por completo la corriente de excitación y
representarse el transformador por su impedancia equivalente en serie con

12. un transformador ideal. Si se quiere, las impedancias equivalentes y
admitancias de excitación
CIRCUITOS EQUIVALENTES.
Un circuito equivalente es un circuito que conserva todas las características
eléctricas de un circuito dado. Con frecuencia, se busca que un circuito
equivalente sea la forma más simple de un circuito más complejo para así
facilitar el análisis. Por lo general, un circuito equivalente contiene elementos
pasivos y lineales. Sin embargo, también se usan circuitos equivalentes más
complejos para aproximar el comportamiento no lineal del circuito original.
Estos circuitos complejos reciben el nombre de macromodelos del circuito
original. Un ejemplo de un macromodelo es el circuito de Boyle para el
amplificador operacional 741.
Hay dos circuitos equivalente que son muy reconocidos:
1. Equivalente de Thévenin
2. Equivalente de Norton
Bajo ciertas condiciones, los circuitos de cuatro terminales, se pueden
establecer como un cuadripolo. La restricción de la representación de los
circuitos de cuatro terminales es la de un puerto: la corriente entrante de
cada puerto debe ser la misma que la corriente que sale por ese puerto. Al
linealizar un circuito no lineal sobre su corriente de polarización, se puede
representar como un cuadripolo.
Los circuitos equivalentes también pueden describir y modelar las
propiedades eléctricas de los materiales o sistemas biológicos como
la membrana celular. Este último es modelado como un condensador en
paralelo con una combinación de una batería y una resistencia.
Teorema de Thevenin
En la teoría de circuitos eléctricos, el teorema de Thévenin establece que si
una parte de un circuito eléctrico lineal está comprendida entre dos
terminales A y B, esta parte en cuestión puede sustituirse por un circuito
equivalente que esté constituido únicamente por un generador de tensión en
serie con una impedancia, de forma que al conectar un elemento entre los

13. dos terminales A y B, la tensión que cae en él y la intensidad que lo atraviesa
son las mismas tanto en el circuito real como en el equivalente.
Cálculo de la tensión de Thévenin
Para calcular la tensión de Thévenin, Vth, se desconecta la carga (es decir, la
resistencia de la carga) y se calcula VAB. Al desconectar la carga, la
intensidad que atraviesa Rth en el circuito equivalente es nula y por tanto la
tensión de Rth también es nula, por lo que ahora VAB = Vth por la segunda ley
de Kirchhoff.
Debido a que la tensión de Thévenin se define como la tensión que aparece
entre los terminales de la carga cuando se desconecta la resistencia de la
carga también se puede denominar tensión en circuito abierto.
Teorema de Norton
Establece que cualquier circuito lineal se puede sustituir por una fuente
equivalente de intensidad en paralelo con una impedancia equivalente.
Al sustituir un generador de corriente por uno de tensión, el borne positivo del
generador de tensión deberá coincidir con el borne positivo del generador de
corriente y viceversa.
Cálculo del circuito Norton equivalente
El circuito Norton equivalente consiste en una fuente de corriente INo en
paralelo con una resistencia RNo. Para calcularlo:
1. Se calcula la corriente de salida, IAB, cuando se cortocircuita la salida,
es decir, cuando se pone una carga (tensión) nula entre A y B. Al
colocar un cortocircuito entre A y B toda la intensidad INo circula por la
rama AB, por lo que ahora IAB es igual a INo.

14. 2. Se calcula la tensión de salida, VAB, cuando no se conecta ninguna
carga externa, es decir, cuando se pone una resistencia infinita entre
A y B. RNo es ahora igual a VAB dividido entre INo porque toda la
intensidad INo ahora circula a través de RNo y las tensiones de ambas
ramas tienen que coincidir ( VAB = INoRNo ).
Circuito Thévenin equivalente a un circuito Norton
Para analizar la equivalencia entre un circuito Thévenin y un circuito Norton
pueden utilizarse las siguientes ecuaciones:
RTh=RNo
Vth=INo.RNo
ENSAYOS Y TIPOS DE REFRIGERACIÓN
Al igual que en todas las demás máquinas eléctricas, las pérdidas por
dispersión en el núcleo y en los devanados del transformador durante su
funcionamiento se convierten en energía térmica y calientan las partes
correspondientes del transformador. Bajo el efecto de los gradientes térmicos
el calor se dirige desde el lugar de su origen hacia los sitios en los que puede
ser transferido al medio refrigerante, o sea, al aire o agua, según el método
de refrigeración del transformador. La difusión del calor transcurre de la
misma forma que en las máquinas eléctricas, es decir, por radiación y
convección. La capacidad de carga de un transformador está limitada por la
temperatura máxima admisible en el interior de los arrollamientos y en el
fluido refrigerante.
Un valor excesivo de la temperatura de los arrollamientos provoca la
carbonización lenta de los aislamientos en contacto con el cobre; por otra
parte, el aceite calentado mucho tiempo por encima de ciertos límites, se
descompone formando sobre los arrollamientos, depósitos de reacción ácida,
que impiden la evacuación del calor y elevan extraordinariamente la
temperatura interior del transformador. Por todas estas razones, se han
establecido normas nacionales e incluso internacionales para fijar los
calentamientos admisibles en los arrollamientos y en los fluidos refrigerantes.

15. Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite y
cualquier método de enfriamiento empleado debe ser capaz de mantener una
temperatura de operación suficientemente baja y prevenir “puntos clientes”
en cualquier parte del transformador. El aceite se considera uno de los
mejores medios de refrigeración que tiene además buenas propiedades
dieléctricas
La selección del método de enfriamiento de un transformador es muy
importante, ya que la disipación del calor, como ya se mencionó antes,
influye mucho en su tiempo de vida y capacidad de carga, así como en el
área de su instalación y su costo. De acuerdo a las normas americanas (ASA
C57-1948) se han normalizado y definido algunos métodos básicos de
enfriamiento y son los siguientes:
Tipo AA.
Transformadores tipo seco con enfriamiento propio, estos transformadores
no contienen aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el
medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas, por lo general se fabrican
con capacidades inferiores a 2000 kVA y voltajes menores de 15 kV.
Tipo AFA.
Transformadores tipo seco con enfriamiento por aire forzado, se emplea para
aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la
posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores.
Tipo AA/FA.
Transformadores tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por
aire forzado, es básicamente un transformador tipo AA al que se le adicionan
ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor.
Tipo OA
Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, en estos
transformadores el aceite aislante circula por convección natural dentro de
una tanque que tiene paredes lisas o corugadas o bien provistos con tubos
radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50 kVA
con voltajes superiores a 15 kV.
Tipo OA/FA
Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con
enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador OA con la
adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en
las superficies de enfriamiento.

16. Tipo OA/FOA/FOA.
Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio/con
aceite forzado - aire forzado/con aceite forzado/aire forzado.
Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de
operación (carga) de transformador tipo OA por medio del empleo combinado
de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos
pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las
bombas con lo que se logra aumentar en 1.33 veces la capacidad del tipo
OA, con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y
bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA.
Se fabrican en capacidades de 10000 kVA monofásicos 15000 kVA trifásicos.
Tipo FOA.
Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire
forzado. Estos transformadores pueden absorber cualquier carga de pico a
plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite
trabajando al mismo tiempo.
Tipo OW.
Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por agua, en estos
transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los
cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena
por gravedad o por medio de una bomba independiente, el aceite circula
alrededor de los serpentines por convección natural.
Tipo FOW.
Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento de aceite
forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo de transformadores es
prácticamente igual que el FO, sólo que el cambiador de calor es del tipo
agua - aceite y se hace el enfriamiento por agua sin tener ventiladores.
La eficiencia de la refrigeración es un factor fundamental, determinando la
seguridad operacional y el periodo de vida útil de un transformador natural.
La eliminación del calor provocado por las pérdidas, es necesario para evitar
una temperatura interna excesiva que podría acortar la vida del aislamiento.
Las flexibles paredes corrugadas de la cuba hacen posible una refrigeración
suficiente del transformador, compensando las variaciones del volumen de
aceite durante su explotación. Una ventaja de los transformadores
herméticamente cerrados es que el aceite nunca está en contacto con la
atmósfera, haciendo de este modo innecesario los análisis periódicos del
aceite.

17. El régimen térmico de un transformador en aceite depende en sumo grado
del modo de su enfriamiento. Existen transformadores:
Con refrigeración natural en baño de aceite
Con refrigeración forzada con aire por soplado
Circulación forzada de aceite o enfriamiento de este con auxilio del
refrigerante de aire o de agua.
El tipo de refrigeración utilizado con mayor frecuencia en unidades menores
es la refrigeración natural. El calor es absorbido por el aceite del
transformador y disipado en el aire que circula alrededor del radiador.
En un núcleo de hierro macizo se producirían pérdidas por corrientes
parásitas excesivamente grandes que motivarían altas temperaturas, es por
ello que se utilizan delgadas chapas de material ferromagnético para la
construcción del núcleo.
Refrigeración de los Transformadores en seco
Los transformadores secos de uso general se aplican en sistemas de
distribución de baja tensión donde parte de la carga tiene un voltaje diferente
al suministrado por la distribución general. Pueden ser sistemas de
iluminación, aire acondicionado, equipos médicos, etc.
• Se fabrican en capacidades desde 5 hasta 1000 kVA, con tensiones
primarias y secundarias clase 1.2 kV.
• Pueden ser fabricados como transformadores Reductores o Elevadores.

18. Los transformadores de aislamiento separan magnéticamente una carga
especial del sistema de distribución general, eliminando distorsiones de la
onda senoidal, garantizando una buena conversión de corriente alterna a
corriente directa.
Estos transformadores se fabrican en las mismas capacidades y tensiones
que los de uso general.
Calentamiento del núcleo y los devanados
Las pérdidas de los transformadores tanto en los devanados como en el
núcleo, se traducen en calor que llegan a disminuir el rendimiento, y en un
caso extremo pueden llegar a destruir el propio transformador.
La temperatura media de un devanado es la temperatura determinada
midiendo la resistencia en c.c. del devanado y comparándola con la medida
obtenida anteriormente para una temperatura conocida. El calentamiento
medio de un devanado por encima de la temperatura ambiente es
U=B+E+N+T
Donde, B = calentamiento efectivo en °C del aceite respecto del ambiente, E
= calentamiento medio en ° C del aceite respecto a la efectiva del aceite, N =
calentamiento en ° C de la superficie media de la bobina respecto a la
temperatura media del aceite, T = calentamiento en ° C del conductor
respecto a la superficie de la bobina, y U = calentamiento en ° C del
conductor medio respecto al ambiente
Cuba de aceite como refrigerante del Transformador
En la actualidad, los transformadores más sobresalientes son los de aceite
en los cuales el propio transformador, o la así llamada parte desmontable, es
decir, su núcleo con los devanados instalados en él, está sumergido en una
cuba llena de aceite. El aceite se calienta y circula dentro de la cuba
efectuando de este modo la refrigeración natural del transformador.
El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al
exterior, este medio puede ser aire o bien líquido. La transmisión de calor se
hace por un medio en forma más o menos eficiente, dependiendo de los
siguientes valores:
Masa volumétrica
El coeficiente de dilatación térmica.
La viscosidad.
El calor especificó.
La conductividad térmica.

19. Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite capaz de
mantener una temperatura de operación suficiente baja y prevenir “puntos
calientes” en cualquier parte del transformador.
El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeración que tiene
además buenas propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes
funciones:
Actúa como aislante eléctrico.
Actúa como refrigerante.
Protege a los aisladores sólidos contra la humedad y el aire.
La transferencia de calor en un transformador son las siguientes:
1) Convección.
2) Radiación.
3) Conducción.
CONVECCION: La transferencia de calor por convección se puede hacer en
dos formas:
a) Por convección natural.
b) Por convección forzada.
CONDUCCION Es un proceso lento por el cual se transmite el calor a través
de una sustancia por actividad molecular. La capacidad que tiene una
sustancia para conducir calor se mide por su “conductividad térmica”.
RADIACION
Es la emisión o absorción de ondas electromagnéticas que se desplazan a la
velocidad de la luz representan en temperaturas elevadas un mecanismo de
pérdidas de calor. En el caso de los transformadores, la transferencia de
calor a través del tanque y los tubos radiadores hacia la atmósfera es por
radiación.
La construcción de la cuba está relacionada estrechamente con el cálculo
calorífico del transformador.
Las cubas ordinarias de los transformadores de potencia son ovaladas. En
sentido mecánico la cuba debe resistir una sobre presión interior de 0,5 at. La
cuba se instala sobre un carro de rodillos que deben estar calculados para
resistir el peso total del transformador.
Las condiciones de refrigeración del transformador son tanto más duras,
cuanto mayor es su potencia. En correspondencia con esto varía la
construcción de la cuba del transformador, al saber:

20. Los transformadores de muy pequeña potencia (aproximadamente hasta 30
kv) tienen cuba lisa, que se consideran como el tipo de cuba más simple.
En los transformadores de mayor potencia (3000kva) se utilizan cubas
tubulares en cuya paredes están soldadas de tubos de aproximadamente 50
mm de diámetro dispuesto en una, dos, o tres filas. Las cubas de hierro
ondulado que se utilizaban antes ahora no se usan, puesto que en
comparación con las tubulares son mecánicamente menos resistentes y
enfría peor al transformador
Los transformadores de aproximadamente hasta 10000 kVA de potencia
tienen refrigeradores-radiadores con enfriamiento natural incorporados en las
paredes de la cuba.
La tapa de la cuba es un elemento esencial en la construcción de estas. En
la tapa esta alojada una serie de piezas entre las cuales las más importantes
son:
Los aisladores de la salida de los devanados de alta y baja tensión
El expansor de aceite para los transformadores de 100 Kva. y más de
potencia.
El tubo de escape (de seguridad) para transformadores de 1000kva y más de
potencia.
Refrigeración por Aire
Aquí los bobinados y el núcleo suelen ser visibles y la circulación del aire
(natural o forzado) retira de estos elementos el calor que se produce por las
pérdidas. Ejemplo de esta construcción son los transformadores chicos o los
que deban ser de poco peso (utilizados en aeronaves). TIPO AFA Tipo seco,
con enfriamiento por aire forzado. Para aumentar la potencia del
transformador AA, se usa el enfriamiento con aire forzado. El diseño
comprende un ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte
inferior del transformador.
Refrigeración por Aceite
En estos el conjunto de núcleo y bobinados se sumergen en una cuba que se
llena de un líquido refrigerante aislante que rodea y moja estos elementos. El
líquido que se calienta en contacto con el núcleo y bobinas tiene libertad de
movimiento y puede así llevar estas calorías a superficies adecuadas
previstas, en que transfieren su calor a una fuente fría (aire o agua) mediante
circulación natural o forzada del aceite (o del medio refrigerante).
Los principales medios refrigerantes que se utilizan, en contacto con los
arrollamientos, son el aire y aceite mineral (también sustituido a veces por
otros líquidos incombustibles como el pyraleno).

21. El uso del aceite, frente al aire, está justificado dado que tiene una mejor
conductividad térmica y posee un mayor calor específico. La función del
aceite es doble, actúa como aislante y como agente refrigerante. La rigidez
de los aceites usados suele ser del orden de los 200 kV/cm. Básicamente se
trata de una mezcla de hidrocarburos. El aceite cobra un especial interés en
los casos en el que el transformador se vea sometido a sobrecargas
pasajeras.
La parte activa del transformador suele ir sumergida en aceite, esta parte
está en el interior de un tanque o caja. Esta caja puede tener una superficie
de refrigeración considerable, compuesta por tubos, o con radiadores
adosados. Este sistema de refrigeración, puede efectuarse por convección
natural, o bien forzada (mediante ventiladores que activen la circulación en el
caso de refrigeración por aire, y de bombas en el caso del aceite, que
mediante un circuito cerrado puede a su vez enfriarse mediante la acción por
ejemplo de otra circulación de agua).
Las pérdidas en los devanados, en el núcleo, y en otros elementos motivan el
calentamiento del transformador, los cuales, hemos de evitar.
TIPO OA/FOA/FOA Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con
enfriamiento de aceite forzado-aire forzado, con enfriamiento aceite forzado-
aire forzado. El régimen del transformador tipo OA, sumergido en aceite
puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores.
En la construcción se usan los radiadores desprendibles normales con la
adición de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas de
aceite conectados a los cabezales de los radiadores. El aumento de
capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los
radiadores y la mitad de las bombas para lograr un aumento de 1.333 veces
sobre diseño OA; en el segundo se hace trabajar a la totalidad de los
radiadores y bombas con lo que se consigue un aumento de 1.667 veces el
régimen OA.
La potencia de un transformador viene limitada por su valor máximo de
calentamiento, por tanto, la ventilación forzada puede ser un medio eficaz
para aumentar la potencia. Sin embargo, el principal problema de la
refrigeración en los transformadores, y de las maquinas en general, aumenta
en dificultad a medida que crecen las potencias. A medida que aumentan las
potencias, la caja, los tubos de ventilación,... todo debe crecer. Existen
también transformadores indicados para aquellos casos en que la máxima
potencia sólo se suministra durante unas horas. En esas horas, se efectuará
una ventilación forzada, mientras, en horario de servicio normal, sólo se
necesita una ventilación natural.
Temperaturas máximas admisibles según los estándares
internacionales de fabricación relacionada con el aislamiento utilizado.

22. Para los límites permisibles de temperatura de sistemas de aislamiento que
se emplean comercialmente, se deben consultar las ultimas normas de ANSI,
IEEE, y NEMA.
Las tres clases NEMA de sistemas de aislamiento de mayor interés para las
maquinas industriales son la B, F Y H.
Los límites de calentamiento para los transformadores se dan a continuación: