Este documento presenta los objetivos y el marco teórico de un laboratorio sobre el ensayo en vacío de transformadores monofásicos. Explica el circuito equivalente de un transformador real y cómo determinar la corriente de magnetización, la resistencia y reactancia magnética. También describe el equipo e instrumental utilizado, el circuito del laboratorio y los pasos para realizar las mediciones y cálculos requeridos.

1. UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELÉCTRICA E INGENIERÍA ELECTRÓNICA
ORURO • BOLIVIA
LABORATORIO N°1
ENSAYO EN VACÍO DE
TRANSFORMADORES
MONOFASICOS
NOMBRE: CHIPANA TOLA RICARDO GABRIEL
MATERIA: MAQUINAS ELÉCTRICAS II
SIGLA: ELT-2731
PARALELO: A
DOCENTE: ING. VICTOR HUGO FLORES ARANCIBIA.
HORARIO: MARTES 10:30 – 12:00
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2. LABORATORIO N° 1
ENSAYO EN VACIO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS
1. Objetivos.- Los objetivos del presente laboratorio son:
 Consideraciones del transformador ideal y real.
 Conocer la corriente de magnetización de un transformador real.
 Conocer el circuito equivalente del transformador.
 Determinar la relación de transformación.
 Determinar los parámetros del circuito magnético de un transformador.
 Conocer las partes de un transformador.
2. Marco teórico.-
2.1.El transformador ideal.-
Un transformador ideal es un dispositivo sin pérdidas que tiene un devanado de
entrada y un devanado de salida. Las relaciones entre el voltaje de entrada y el de
salida, y entre la corriente de entrada y salida, se describen en las siguientes
ecuaciones:
+
-
ip(t)
vp (t)
+
-
is(t)
vs (t)
NP NS
𝑣𝑝(𝑡)
𝑣𝑠(𝑡)
=
𝑁𝑝
𝑁𝑠
= 𝑎
𝑎 es igual a la relación de vueltas del transformador.
La relación entre la corriente que fluye 𝑖𝑝(𝑡) en el lado primario y la corriente 𝑖𝑠(𝑡)
que sale del lado secundario del transformador es:
𝑁𝑝𝑖𝑝(𝑡) = 𝑁𝑠𝑖𝑠(𝑡)
𝑖𝑝(𝑡)
𝑖𝑠(𝑡)
=
1
𝑎
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3. En términos de cantidades fasoriales, se tienen las siguientes relaciones:
𝑉
𝑝
𝑉
𝑠
= 𝑎
𝐼𝑝
𝐼𝑠
=
1
𝑎
Con el siguiente circuito, realizamos el análisis de la transformación de la impedancia a
través de un transformador:
+
-
VP
+
-
VS ZL
IP IS
La impedancia en términos fasoriales, es igual a:
𝑍𝐿 =
𝑉𝐿
𝐼𝐿
Luego la impedancia de la carga en el lado secundario del transformador, tiene la
siguiente relación:
𝑍𝐿 =
𝑉
𝑠
𝐼𝑠
La impedancia aparente del circuito primario del transformador, tiene la siguiente
relación:
𝑍𝐿
´
=
𝑉
𝑝
𝐼𝑝
El voltaje y la corriente en el primario se puede expresar como:
𝑉
𝑝 = 𝑎𝑉
𝑠
𝐼𝑝 =
𝐼𝑠
𝑎
Entonces la impedancia aparente del primario, será:
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4. 𝑍𝐿
´
=
𝑉
𝑝
𝐼𝑝
=
𝑎𝑉
𝑠
𝐼𝑠
𝑎
= 𝑎2
𝑉
𝑠
𝐼𝑠
Finalmente:
𝑍𝐿
´
= 𝑎2
𝑍𝐿
2.2.Operación del transformador real.-
+
-
VP
IP
+
-
Vs
IS
M
DP DS
M
El flujo en la bobina primaria del transformador se puede dividir en dos componentes:
un flujo mutuo que permanece en el núcleo y une ambos devanados y un flujo
disperso mínimo que pasa a través del devanado primario pero regresa a través del
aire, sin cruzar por el devanado secundario, teniendo la siguiente relación:
∅𝑃 = ∅𝑀 + ∅𝐷𝑃
Donde:
∅𝑃 = Flujo promedio primario total
∅𝑀 = Flujo entre las bobinas primarias y secundarias
∅𝐷𝑃 = flujo disperso en el devanado primario
De igual manera se procede para la bobina secundaria:
∅𝑆 = ∅𝑀 + ∅𝐷𝑆
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5. 2.3.Corriente de magnetización en un transformador real.-
Al conectar una tensión de corriente alterna a un transformador, circula una corriente
en el circuito primario, incluso si el circuito secundario está abierto. Esta corriente es la
que se requiere para producir flujo en un núcleo ferromagnético real y consta de dos
componentes:
a) Una corriente de magnetización 𝑖𝑀, que es la requerida para producir el flujo en el
núcleo del transformador.
b) Una corriente de pérdidas en el núcleo 𝑖ℎ , que es la requerida para compensar la
histérisis y las pérdidas de corrientes parásitas.
La corriente de vacio total en el núcleo, se llama corriente de excitación del
transformador y es igual a:
𝑖𝑒𝑥 = 𝑖𝑀 + 𝑖ℎ
Entonces, se tiene el siguiente circuito equivalente de un transformador monofásico:
RP jXP
RN jXM NP
+
-
VP NS
RS jXS
+
-
VS
IP
IS
TRANSFORMADOR
IDEAL
Iex
Ih IM
2.4.Circuitos equivalentes de un transformador referidos al primario y secundario.-
+
-
aVS
+
VP
IP
RN jXM
ReqP jXeqP
IS/a
-
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6. 𝑅𝒆𝒒𝑷 = 𝑅𝑷 + 𝑎2
𝑅𝑆
𝑋𝒆𝒒𝑷 = 𝑋𝑷 + 𝑎2
𝑋𝑆
+
-
VS
+
aIP
RN/a2 jXM/a2
ReqS jXeqS
IS
VP/a
-
𝑅𝒆𝒒𝑺 =
𝑅𝑃
𝑎2
+ 𝑅𝑺
𝑋𝒆𝒒𝑺 =
𝑋𝑃
𝑎2
+ 𝑋𝑺
2.5.El ensayo en vacio del transformador.-
Tiene como fin el de determinar la corriente en vacio, la potencia en vacio, que
representa las pérdidas en vacio del transformador las cuales resultan de la suma de
las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo y el factor de potencia en
vacio. Esta prueba se puede efectuar alimentando indiferentemente el devanado
primario o secundario del transformador, manteniendo el devanado no utilizado
abierto.
Mediante este ensayo se consigue el valor de las pérdidas en el hierro del
transformador. La relación de la potencia en vacio es la siguiente:
𝑃𝒐 = 𝐼𝒐
𝟐
𝑅𝑃 + 𝑃𝐹𝐸
Puesto que las pérdidas en el devanado primario son muy pequeñas frente a las
pérdidas en el hierro (núcleo) se tiene que la potencia medida en la prueba que
corresponde a las pérdidas en vacio son aproximadamente iguales a las pérdidas en el
hierro, entonces:
𝑃𝑜 ≅ 𝑃𝐹𝐸
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7. La forma de obtener los valores de la resistencia 𝑅𝑁 y la reactancia 𝑋𝑀, consiste en
estimar en calcular la admitancia de la rama de excitación. La conductancia del resistor
de pérdidas en el núcleo tiene la siguiente relación:
𝐺𝑁 =
1
𝑅𝑁
La susceptancia del inductor de magnetización, tiene la siguiente relación:
𝐵𝑀 =
1
𝑋𝑀
Como los dos elementos están en paralelo, se suman sus admitancias y la admitancia
de excitación total tiene la siguiente relación:
𝑌𝐸 = 𝐺𝑁 − 𝑗𝐵𝑀 =
1
𝑅𝑁
− 𝑗
1
𝑋𝑀
La magnitud de la admitancia de excitación, tiene la siguiente relación:
𝑌𝐸 =
𝐼𝑜
𝑉
Con la lectura del vatímetro, se puede estimar el factor de potencia en vacio, con la
siguiente relación:
cos 𝜑𝑜 =
𝑃𝑜
𝑉 𝐼𝑜
𝑦 𝜑𝑜 = 𝑐𝑜𝑠−1
[
𝑃𝑜
𝑉 𝐼𝑜
]
Tomando en cuenta que el factor de potencia siempre está en retraso en un
transformador real, por lo que el ángulo de la corriente está en retraso con respecto al
ángulo de voltaje, entonces la admitancia, será igual a:
𝑌𝐸 =
𝐼𝑜
𝑉
⌊−𝜑
𝑌𝐸 =
𝐼𝑜
𝑉
⌊−𝑐𝑜𝑠−1
[
𝑃𝑜
𝑉𝐼𝑜
] =
1
𝑅𝑁
− 𝑗
1
𝑋𝑀
Con esta última relación es posible determinar los valores de 𝑅𝑁 y 𝑋𝑀.
3. Equipo e instrumental para laboratorio.-
Para el presente laboratorio, se utilizara el siguiente equipo, instrumental y material:
 Un transformador monofásico, que tiene las siguientes características:
o Tensión nominal: Vn = 400 – 230 (V)
o Corriente nominal: In = 6,25 – 10,9 (A)
o Potencia nominal: S = 2,5 (kVA)
o Frecuencia nominal: f = 50 (Hz)
 Un variador de tensión, con las siguientes características:
o Tensión: V = 0 – 240 (V)
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8. o Capacidad S = 1000 (VA)
 Instrumentos de medición: voltímetros, amperímetros.
 Un vatímetro.
 Cable para conexión.
4. Circuito para el laboratorio. –
5. Descripción del laboratorio. -
 Realizar el circuito de laboratorio como se indica en el punto 4
 Realizar la lectura de datos, comenzando con la tensión más reducida.
 Incrementar sucesivamente la tensión aplicada, registrando todas las lecturas.
 Cabe mencionar que este ensayo se ejecuta en el lado de menor voltaje, con el circuito de
alto voltaje abierto, con el cuidado respectivo
6. Lecturas obtenidas en el laboratorio. -
Lectura N° 𝑉 (𝑉) 𝐼 (𝐴) 𝑃 (𝑊) 𝑉 (𝑉) 𝑎 =
𝑉
𝑉
1 220 0.30 45 380 1.73
7. Cálculos y gráficos. –
7.1. Gráficos. –
Figura 7.1. Montaje del experimento
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9. 7.2. Cálculos. -
Hallamos la suceptancia:
𝑌 =
𝐼
𝑉
=
0.30
220
= 0.00136
1
Ω
Factor de potencia:
cos 𝜑 =
𝑃
𝑉 ∗ 𝐼
=
45
220 ∗ 0.30
= 0.682 => 𝜑 = 47°
Por lo tanto:
𝑌 = 0.00136⌊−47° = (0.000928 − 𝑗0.000995)
1
Ω
Hallamos la conductancia:
𝐺 =
1
𝑅
=> 𝑅 =
1
𝐺
=
1
0.000928
= 1078 (Ω)
Hallamos la suceptancia:
𝐵 =
1
𝑋
=> 𝑋 =
1
𝐵
=
1
0.000995
= 1005 (Ω)
Perdidas en el fierro:
𝑃 =
𝑃
𝑃
× 100%
Potencia activa
cos 𝜑 =
𝑃
2500 (𝑉𝐴)
=> 𝑃 = 2500 ∗ 𝐶𝑜𝑠 47° = 1705 (𝑊)
𝑃 % =
𝑃
𝑃
× 100% =
45
1705
× 100% = 2.64%
8. Análisis de resultados. –
a) Que es la resistencia y reactancia magnética en transformadores
Generalmente, tanto los bobinados primarios como los secundarios de transformador de energía
eléctrica están hechos de cobre. El cobre es un muy buen director de actual pero no un
superconductor. En realidad, tanto el superconductor como la superconductividad son
conceptuales, prácticamente no están disponibles.
La resistencia del transformador se define como la resistencia interna de los devanados primarios
y secundarios. En un transformador real, los devanados primario y secundario tienen cierta
resistencia representada por R1 y R2 y las reactancias por X1 y X2. Sea K la relación de
transformación. Para facilitar los cálculos, las resistencias y las reactancias pueden transferirse a
cualquier lado, lo que significa que todos los términos primarios se refieren al lado secundario, o
todos los términos secundarios se refieren al lado primario.
Las caídas resistivas y reactivas en el lado primario y secundario se representan como sigue:
 Caída resistiva en el lado secundario: 𝐼 𝑅
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10.  Caída reactiva en el lado secundario: 𝐼 𝑋
 Caída resistiva en el lado primario: 𝐼 𝑅
 Caída reactiva en el lado primario: 𝐼 𝑋
b) Opinión del valor obtenido de las perdidas en el fierro del transformador de laboratorio
Al analizar el valor de las perdidas en el hierro, se puede determinar que es un valor muy bajo
con respecto a la potencia activa del transformador, pero que a la larga llega a ser un valor muy
significativo, ya que siempre estará presente a lo largo de la vida útil del transformador, y la única
forma de mejorar estas pérdidas seria mejorar la conductividad del bobinado en el
transformador, y también debido a esas pérdidas se genera calor en el fierro del transformador
que ocasiona otro tipo de perdidas debido a la diferencia de temperatura generada, pero ya que
es un transformador pequeño no se necesitaría de ningún tipo de aislante especial más que el
aire.
c) Perdidas en el fierro en transformadores
Está determinado por las pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas (Focault).
 Perdidas por histéresis: Se tiene un material ferromagnético originalmente desmagnetizado
y a dicho material se imanta y desimanta sucesivamente, entonces, intrínsecamente el
material desarrolla el denominado ciclo de histéresis.
Ya que las pérdidas por histéresis dependen mucho del tipo de material del cual está hecho
el transformador, y el proceso de magnetización y des magnetización del mismo, la perdidas
por histéresis se pueden clasificar por el tipo de material del cual está hecho el imán:
i. Materiales magnéticos duros: Materiales magnéticos duros: se caracterizan por una
alta fuerza coercitiva y una alta inducción magnética remante, de tal modo los ciclos
de histéresis de estos materiales son anchos y altos. Estos materiales, una vez se
imantan, son difíciles de desimanar, por ello son para fabricar imanes artificiales.
Fig. 8.1. curva de histéresis para un material duro
ii. Materiales magnéticos blandos: se imanan y desimanan fácilmente. Por lo que
tienen permeabilidades magnéticas altas. Su uso es para transformadores, motores,
generadores, etc.
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11. Fig. 8.2. curva de histéresis para un material blando
 Perdidas por corrientes parasitas: Se producen en cualquier material conductor que se
encuentre sometido a una variación del campo magnético, como núcleos de los
transformadores. Están hecho de materiales magnéticos y estos materiales son buenos
conductores que genera una fuerza electromotriz inducida que origina corrientes que
circulan en el mismo sentido ocasionado el efecto Joule. Las pérdidas por corrientes
parásitas dependerán del material con el que está construido el núcleo magnético del
transformador. Para reducir estas pérdidas de potencia es necesario que el núcleo del
transformador no sea macizo, por lo que el núcleo deberá estar construido por chapas
apiladas de espesores muy delgados, colocadas una encima del otro y aisladas entre sí. Al
realizar ello, conseguimos que la corriente eléctrica no pueda circular de una chapa a otra y
se mantenga independiente en cada una de ellas con lo que se induce menos corriente y
disminuye la potencia de pérdidas por las corrientes parásitas.
Fig. 8.3. composición del núcleo por las corrientes parasitas
d) Refrigeración para transformadores
I. Clasificación de sistemas de refrigeración de transformadores
Los transformadores pequeños se enfrían mediante aire natural por dentro y por fuera, mientras
aumenta la potencia los sistemas se vuelven más complejos que pueden ser con agua, gas, liquido
sintético y aceite mineral (lo más comunes).
En la norma internacional (IEC 60076) de diseño, fabricación y pruebas de transformadores de
aislamiento, distribución y potencia; Están categorizados (9 categorías) y codificado por cuatro
letras, de la siguiente manera.
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12. Fig. 8.4. orden para la designación de símbolos para la refrigeración de transformadores
II. Sistemas de refrigeración para transformadores
Los tipos de transformadores de enfriamiento de transformadores son muy
importantes, ya que la disipación del calor influye en el tiempo de vida y capacidad
de carga de los transformadores eléctricos, así como en la instalación y el costo de
ellos.
El siguiente cuadro indica los medios refrigerantes, el tipo de circulación y por
último el sistema de refrigeración
Fig. 8.5. modos de refrigeración de transformadores
o Sistemas de refrigeración tipo AN: Se utiliza para enfriar los transformadores de hasta
1.5 MVA de potencia nominal, en este método, Air Natural, el calor generado por el
transformador es regulado por la circulación natural de aire. También se conoce como
un método de auto-enfriamiento.
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13. o Sistemas de refrigeración tipo AF: El método de circulación de aire forzado, se apoya en
ventiladores para circular el aire a velocidad por el núcleo y los debandados del
transformador para regular su temperatura. Siempre que la temperatura interior
supera el estándar normal, mediante sensores estos ventiladores son activados para
enfriar el transformador. Método utilizado en transformadores de hasta 15MVA.
o Sistemas de refrigeración tipo ANAN y ANAF: Estos métodos basan su ventilación en
los métodos mencionados anteriormente, pero son envueltos en material metálico para
su protección.
o Sistemas de refrigeración tipo ONAN: Mediante proceso de convección natural, este
método regula la temperatura del transformador mediante el movimiento del aceite
hacia arriba, esto provocado por la subida de la temperatura del núcleo y devanado que
calienta el aceite y provoca su subida, el aceite empieza a transportarse por el tanque,
donde se enfría y vuelve a bajar a las aletas y al núcleo.
Este tipo de sistema se emplea en transformadores menores a 30 MVA.
o Sistemas de refrigeración tipo ONAF: Al igual que en el método ONAN, este
enfriamiento se basa en la convección del aceite para disipar el calor mediante un
movimiento natural, pero ese enfriamiento se ve apoyado por ventiladores de aire
externos para el enfriamiento en las aletas del trasformador.
El costo se eleva debido a la adición de estos ventiladores adicionales que se le agrega a
este método.
o Sistemas de refrigeración tipo OFAF: Aceite forzado Aire Forzado, como su nombre lo
indica, tanto en el aire como el aceite el enfriamiento es forzado por una bomba que
hace circular el aceite caliente por un intercambiador de calor, así mismo mediante los
ventiladores lleva el aire a alta velocidad hacia el intercambiador de calor.
Este sistema funciona con un sistema ONAN, pero cuando la temperatura sube por un
aumento de potencia, los sensores se disparan activando las bombas y ventiladores que
llevan tanto al aceite como al aire hacia el intercambiador y encienda el sistema OFAF.
o Sistemas de refrigeración tipo ONWF: Método de aceite natural y agua forzada, en este
método el núcleo del transformador está sumergido en el aceite y mediante la
convención de este el aceite se traslada hacia un radiador de agua instalado a un lado
del equipo y es enfriado por el agua circulante en este.
o Sistemas de refrigeración tipo OFWF: Se instala un intercambiador de calor, que
mediante el uso de bombas tanto el agua como el aceite son trasladados hasta este
punto, el aceite pasa por encima del agua, para evitar que el agua se filtre hacia el
aceite.
Este tipo de sistemas se utiliza principalmente en centrales hidroeléctricas con
transformadores de alta capacidad o en banco de transformadores.
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14. e) Partes de un transformador teoría y gráficos, realizar en cuadros comprensivos
N° Nombre Teoría Representación
1 NUCLEO
El núcleo de un
transformador es la zona
por la que circula el campo
magnético entre los
devanados primario y
secundario. Dependiendo
de la finalidad del
transformador, puede
tener varias formas y estar
constituido por diferentes
materiales.
2 BOBINADO
Las bobinas tienen como
componente principal el
cobre, tanto para el
bobinado primario, como
el secundario, los
devanados de alta tensión
se fabrican con alambres
esmaltados, mientras que
las bobinas de baja tensión
se construyen con láminas
de cobre o pletinas de
cobre forradas de papel
3 AISLAMIENTO
los conductores se aíslan
con papeles especiales
como es kraft presspan
con clase de aislamiento
tipo A del tipo DPP que
contiene rombos de resina
epoxica la cual permite
mejor adherencia del
conductor con el papel
aislante
4 PARTE ACTIVA
La unidad conformada por
el núcleo, las bobinas y las
bridas de ensamble se le
conoce como la parte
activa, las configuraciones
más utilizadas son las
conformadas por dos
núcleos y una bobina para
transformadores
monofásicos, o cuatro
núcleos y tres bobinas
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15. para transformadores
trifásicos
5 BUSHING
Los bushing son accesorios
que permiten energizar el
transformador desde la
red primaria y se
dimensionan a partir de la
clase de voltaje que va a
ser utilizado en el
transformador, y mientras
más alto el voltaje mayor
será el aislamiento
6
TANQUE DEL
TRANSFORMADOR
Los tanques de
transformadores son
diseñados y construidos
de forma circular en acero
laminado al frio, con
refuerzos que le permites
soportar presiones
internas producidas por el
aumento de temperatura
o esfuerzos mecánicos en
el manejo e instalación del
equipo
7
MEDIO
REFRIGERANTE
El líquido mineral aislante
y refrigerante utilizado en
transformadores de
distribución monofásico es
el aceite mineral inhibido,
según lo indica la norma
NTE INEN 2133-98
9. Documentos de referencia. –
 https://www.electronicafacil.top/transformador/principios-transformador/resistencia-y-
fuga-reactancia-o-impedimento-del-transformador/
 http://www.citeenergia.com.pe/wp-content/uploads/2020/12/Ing.-Victor-Gonzales-
Zamora_compressed-7.pdf
 https://transformadoressiosac.com/sistemas-de-refrigeracion-para-
transformadores/#:~:text=Los%20transformadores%20peque%C3%B1os%20se%20enfr%C3
%ADan,mineral%20(lo%20m%C3%A1s%20comunes).
 https://rte.mx/tipos-de-enfriamiento-en-transformadores
 https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/15473/1/UPS-GT002092.pdf
 https://prezi.com/xcij6t2e8oqo/partes-de-un-transformador-monofasico/
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