Este documento describe máquinas eléctricas como transformadores y motores. Explica el funcionamiento de los transformadores, incluyendo su clasificación, estructura interna, principio de funcionamiento, relación de transformación y circuito equivalente. También analiza las pérdidas y el rendimiento de los transformadores.

1. MÁQUINAS ELÉCTRICAS I
ELECTROTÉCNIA
Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN
Departamento de Tecnología
IES Cap de Llevant – MAÓ

2. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
 Análisis de las aplicaciones de electromagnetismo
en nuestro entorno y en la generación,
transformación y utilización de la energía eléctrica.
 Transformadores. Funcionamiento. Constitución.
Pérdidas. Rendimiento. Tipos y aplicaciones.
 Máquinas de corriente continua. Funcionamiento.
Tipos. Conexiones.
 Máquinas de corriente alterna. Funcionamiento.
Tipos. Conexiones.
2

3. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Máquinas eléctricas I

4. MÁQUINAS ELÉCTRICAS
4

5. 5
CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (I)
Generan energía eléctrica a partir de energía
mecánica
Transforman la corriente eléctrica variando alguna
de sus características (I, V)
GENERADORES
TRANSFORMADOR
ES
MOTORES Aprovechan la energía eléctrica para transformarla
en energía mecánica
MÁQUINA ELÉCTRICA

6. 6
CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (II)
Generadores Motores Transformadores
MÁQUINAS
ELÉCTRICA
S
 DE CORRIENTE CONTINUA
 DE CORRIENTE ALTERNA:
monofásicos o trifásicos.
 UNIVERSALES
 DINAMOS: generan
corriente continua
 ALTERNADORES:
generan corriente
alterna
 MONOFÁSIC
OS
 TRIFÁSICOS

7. CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (III)
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
DE CORRIENTE
CONTINUA
DE CORRIENTE ALTERNA
SÍNCRONAS
ASÍNCRONA
S O DE
INDUCCIÓN
 Un convertidor es una máquina que transforma la corriente alterna en
corriente continua
 Un inversor es una máquina que transforma la corriente continua en
corriente alterna

8. CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS (IV)
8
MÁQUINAS
ELÉCTRICAS
ROTATIVAS
MOTORES
GENERADORES
ESTÁTICAS
TRANSFORMADORES
CONVERTIDORES
INVERSORES

9. 9
RÉGIMEN DE FUNCIONAMIENTO DE LAS
MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS
Cuando no está conectado a un circuito exterior
Trabaja en las condiciones para las que ha sido
diseñado. No hay peligro de calentamientos o
roturas
EN VACÍO
RÉGIMEN NOMINAL
PLENA CARGA Cuando trabaja exactamente a su valor nominal
MÁQUINA ELÉCTRICA
ROTATIVA
SOBRECARGA Cuando trabaja a una potencia mayor a la nominal

10. PÉRDIDAS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
ROTATIVAS
De fricción o ventilación, debidas al rozamiento de
las diferentes piezas móviles y la circulación de
aire para refrigeración
Pérdidas en el cobre debido a efecto Joule
MECÁNICAS
ELÉCTRICAS
MAGNÉTICAS
Pérdidas en el hierro debidas a las variaciones en
los campos magnéticos y a la frecuencia con la
que lo hacen
PÉRDIDAS DE UNA
MÁQUINA ELÉCTRICA
ROTATIVA
10

11. RENDIMIENTO EN LAS MÁQUINAS
ELÉCTRICAS ROTATIVAS
11
 El rendimiento de una máquina es la relación que hay entre
la energía total que consume y el trabajo que produce
alim
perdalim
alim
salida
P
PP
P
P
η

12. TRANSFORMADORES
Máquinas eléctricas I

13. EL TRANSFORMADOR
13

14. FUNCIONES DE LOS TRANSFORMADORES
Las principales funciones de los transformadores son:
 Elevar el voltaje
 Disminuir el voltaje
 Protección de circuitos por aislamiento (separación
física)
 Sensores de posición y movimiento inductivos
 conectar dos sistemas de transmisión de tensiones
diferentes (autotransformadores)
14

15. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES
15
TRANSFORMADOR
ES
DE POTENCIA
(variar valores de
tensión)
ELEVADORES
REDUCTORES
AUTOTRANSFORMADORE
S
DE MEDIDA
(reducir grandes
tensiones o
intensidades para
poder medirlas)
DE INTENSIDAD
DE TENSIÓN

16. SIMBOLOGÍA DE LOS TRANSFORMADORES
16

17. ESTRUCTURA INTERNA DE LOS
TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS
núcleo ferromagnético: es un bloque formado por
chapas de un material ferromagnético (acero y silicio)
aisladas entre sí para evitar corrientes parásitas. Las
chapas verticales se llaman columnas y las
horizontales yugos. Es el encargado de canalizar al
máximo el flujo electromagnético entre los bobinados
bobinados: Están fabricados con hilo de cobre
barnizado para aislarlas eléctricamente. En la bobina
primaria se aplica la tensión de entrada y en la
bobina secundaria se inducen las corrientes que
alimentan a la carga
17
 Los transformadores monofásicos están formados por dos partes:

18. POSICIÓN DE LAS BOBINAS
Devanado simétrico: cada bobina enrollada en una
columna
Devanado concéntrico: la bobina de alta tensión se
coloca sobre la de baja perfectamente aislada. Se
favorece así el aislamiento del núcleo y de la bobina de
alta tensión
Devanado alterno: bobinas concéntricas pero en las dos
columnas
Devanado acorazado: núcleo de tres columnas y
bobinas concéntricas en la central
18

19. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (I)
19
 La bobina primaria está conectada a una tensión Vp que genera una
corriente Ip por ella; ésta genera a su vez un campo magnético de flujo Φ
que recorre el núcleo induciendo una tensión Vs en la bobina secundaria
y una corriente Is cuando se conecta a una carga
 La tensión Vs en la bobina secundaria se induce gracias a que el flujo
magnético no es constante, sino que varia en el tiempo al ser debido a
una tensión sinusoidal (Ley de Faraday)
l)Bxv(N
Δt
ΔΦ
ε

pp Vε

20. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO (II)
20
 Es difícil conocer la polaridad de la tensión de salida Vs ya que habría
que comparar los sentidos de enrollamiento de los dos bobinados. Por
este motivo se define el convenio de puntos

21. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (I)
21
 La relación de transformación
es el principal parámetro que
define a un transformador, y
es la relación que hay entre
las fuerzas electromotrices en
el primario y secundario
Δt
ΔΦ
Nε pp
Δt
ΔΦ
Nε ss
s
p
s
p
t
N
N
ε
ε
mr

22. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (II)
22
 Suponiendo un transformador ideal, sin pérdidas, la relación de
transformación será la relación entre las tensiones en el primario y
secundario
s
p
s
p
t
N
N
V
V
mr

23. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (III)
23
Δt
ΔΦ
N
Δt
ΔΦ
Nε
pdisp,
p
c
pp
 Si el transformador es real, con pérdidas (por histéresis, por corrientes
parásitas y/o por pérdidas en el cobre por efecto joule), no todo el flujo
creado en el primario se transmite por el núcleo; sino que una parte de
flujo se pierde, es el flujo de dispersión. Lo mismo ocurrirá en el
secundario
pdisp,cp ΦΦΦ
Δt
ΔΦ
N
Δt
ΔΦ
Nε
sdisp,
s
c
sssdisp,cs ΦΦΦ
sdisp,cpdisp,c ΦΦyΦΦcon
s
p
s
p
t
V
V
N
N
r

24. COMPORTAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR
MONOFÁSICO CON CARGA (I)
24
Δt
ΔΦ
Nε
p
pp
 La corriente que se induce en el secundario genera una fuerza
magnetomotriz (FMM=N· I), equivalente a la fuerza electromotriz en los
circuitos eléctricos, que provoca una variación del flujo magnético en el
núcleo.
Esta variación del flujo debería provocar una variación de εp ya que
sspptotal ININFMM
p
s
s
p
t
I
I
N
N
mr
 Pero εp =cte porque εp =Vp que lo es. En realidad lo que ocurre es que
se modifica ligeramente el valor de la corriente en el primario para
compensar la variación del flujo debido a la del secundario

25. COMPORTAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR
MONOFÁSICO CON CARGA (II)
25
 Un transformador monofásico tiene una relación de transformación de
230/110V. Si trabaja en condiciones nominales , suministra una
potencia a la carga de 200W con un factor de potencia de 0.85.
Determina el valor de las corrientes en el primario y en el secundario
2.09
110V
230V
V
V
r
s
p
t
___EJERCICIO___
2.14A
110V·0.85
200W
cosV
P
I
s
s
1.02A
2.09
2.14AI
I
t
s
p
r

26. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO
Máquinas eléctricas I

27. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR
MONOFÁSICO
27

28. PÉRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS (I)
pérdidas en el cobre (Rp, Rs): debidas a las resistencia eléctrica
tanto en el primario como en el secundario
pérdidas por corrientes parásitas (Rc): debidas a la resistencia
en el núcleo ferromagnético. La corriente de pérdida Ife será
proporcional a la tensión aplicada en el núcleo, que está en fase
con la aplicada en el primario, por lo que equivale a una
resistencia eléctrica Rc en paralelo con la bobina primaria
28

29. PÉRDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS (II)
pérdidas por histéresis (Xm): debidas al diferente recorrido de las
líneas de campo magnético en cada semiciclo de la señal
sinusoidal aplicada. La corriente de magnetización Im será
proporcional a la tensión aplicada a en el núcleo, pero desfasada
90º, por lo que equivale a una reactancia inductiva Xm en paralelo
pérdidas a causa de los flujos de dispersión (Xp, Xs): debidas a
los flujos de dispersión tanto en el primario como en el
secundario. Se representan por sendas bobinas en serie con los
bobinados de reactancias Xp y Xs respectivamente
29

30. CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO DE UN
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO
30
 Para simplificar el circuito equivalente, se pueden suprimir las ramas
de excitación ya que las corrientes por ellas son despreciables frente a
la corriente de carga
 Otra simplificación consiste en desplazar la rama de excitación de
entrada a la salida, con lo que pueden sumarse las resistencias y las
reactancias inductivas del primario con las del secundario
speq
speq
XXX
RRR

31. 31
DIAGRAMA VECTORIAL DE UN
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO CON CARGA (I)
 Una vez hallado el circuito equivalente de un transformador monofásico,
veremos como se comporta al ponerle cargas de diferente naturaleza.
Nos interesa conocer como son las FEM en el primario y secundario
comparadas con las tensiones Vs y Vp . (idealmente serán iguales al no
existir pérdidas)

32. 32
DIAGRAMA VECTORIAL DE UN
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO CON CARGA (II)
 Con carga inductiva: Is está retrasada respecto de Vs un ángulo φs .
Entonces la FEM generada en el secundario será mayor que la tensión
de salida
ss Vε
ssssss IXIRVε

pppppp IXIRVε

 Con carga capacitiva: Is está adelantada respecto de Vs un ángulo φs .
Entonces la FEM generada en el secundario será mayor o menor que la
tensión de salida en función de los valores

33. 33
DIAGRAMA VECTORIAL DE UN
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO CON CARGA (II)
 Con carga resistiva: Is y Vs están en fase. Entonces la FEM generada
en el secundario será mayor que la tensión de salida
ss Vε
ssssss IXIRVε


34. 34
DIAGRAMA VECTORIAL DE UN TRANSFORMADOR
MONOFÁSICO CON CARGA (III)
 Normalmente se representa en
un mismo diagrama vectorial
tanto el primario como el
secundario
 En la imagen vemos el caso de
una carga inductiva, donde:
 Los factores de potencia
en el primario y en el
secundario son diferentes
 εs> Vs y Vp > εp
 εs y εp están relacionadas
a través de rt

35. REGULACIÓN DE VOLTAJE EN LOS
TRANSFORMADORES
35
 A la vista de los diagramas vectoriales de un transformador monofásico
real con carga, podemos comprobar como la tensión de salida Vs varía
en función del valor de la carga aunque la tensión de entrada Vp
permanezca constante.
 Se define la regulación de voltaje (RV) como la relación entre las
tensiones de salida en vacio Vso y con carga Vspc
(%)100
V
VV
RV
spc
spcso
 Interesa que sea pequeña para que sean lo más parecidas posible

36. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (I)
36
 Se aplica una tensión nominal Vpo en el primario y se deja el secundario
en circuito abierto.
 Sólo existe corriente Ip, mientras que Is = 0
 Rp y Xp son despreciables frente a Rc y Xm por lo que se miden Vpo , Ipo y
la potencia de entrada, con lo que se puede calcular el factor de potencia
(cosφp) y la impedancia de las ramas de excitación (que será Rc y Xm )
 La potencia consumida corresponde a las pérdidas magnéticas (por
histéresis y corrientes parásitas)
ENSAYO EN VACÍO
 Se usan para determinar los parámetros del modelo de un transformador.
Existen dos tipos de ensayo: en circuito abierto o en vacío y en
cortocircuito

37. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (II)
37
 Se deja el secundario en cortocircuito y se aplica una tensión nominal
Vpcc en el primario que se regula hasta que por las bobinas circulan las
corrientes nominales
 Se miden Vp , Ip y la potencia de alimentación. La Vp es muy baja y la
impedancia de las ramas de excitación es muy grande, por lo que las
corrientes por Rc y Xm son despreciables y la caída de tensión en el
transformador es debida a Rp, Xp , Rs y Xs
 Se puede calcular la impedancia total de los elementos en serie
 La potencia consumida corresponde a las pérdidas en el cobre. Son
proporcionales a la corriente de carga Is (o a la potencia aparente)
ENSAYO EN CORTOCIRCUITO

38. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (III)
 Se ensaya en cortocircuito un transformador monofásico de 12KVA,
6200/230V y 50Hz. Las medidas leídas son: 245V, 172W y 1.93A.
Determina la intensidad nominal en el primario, la tensión en
cortocircuito expresada como porcentaje de la nominal, la resistencia,
impedancia y reactancia en cortocircuito y el factor de potencia en este
ensayo
38
___EJERCICIO___
245VVcc
A93.1
6200V
12000VA
V
S
I
pn
n
n
3.95%0.0395
6200V
245V
V
V
V
pn
cc
cc

39. ENSAYOS DE UN TRANSFORMADOR (IV)
 Se ensaya en cortocircuito un transformador monofásico de 12KVA,
6200/230V y 50Hz. Las medidas leídas son: 245V, 172W y 1.93A.
Determina la intensidad nominal en el primario, la tensión en
cortocircuito expresada como porcentaje de la nominal, la resistencia,
impedancia y reactancia en cortocircuito y el factor de potencia en este
ensayo
39
___EJERCICIO___
126.9 Ω
1.93A
45V2
I
V
Z
pn
cc
cc
46.1 Ω
A1.93
172W
I
P
R 222
pn
cc
cc
118.23Ω46.1126.9RZX 222
cc
2
cccc
Ω36.0
245V·1.93A
172W
IV
P
c
pncc
cc
os

40. 40
EFICIENCIA DE UN TRANSFORMADOR (I)
 El rendimiento o eficiencia de un transformador será la relación
entre la potencia útil y la potencia total consumida .
núcleocobresal
sal
sal
sal
ent
sal
PPP
P
P
P
P
P
η
pérdidas
ssssal cosIVP
pppent cosIVP
2
seq
2
ss
2
ppcobre IRIRIRP
núcleocobre PP El rendimiento es máximo cuando

41. EFICIENCIA DE UN TRANSFORMADOR (II)
 Un transformador monofásico de 53KVA trabaja a plena carga con una
carga inductiva y un factor de potencia de 0.86. En el ensayo de vacío
consume 800W, y en el de cortocircuito 1300W a la intensidad nominal.
Determina la potencia suministrada por el secundario, la absorbida en
el primario y el rendimiento cuando trabaja a plena carga
41
___EJERCICIO___
45.58KW8653000VA·0.ScosIVcosPs
47.68KW0.8KW1.3KW45.58KWPPPP núcleocobresp
95.6%η0.956
47.68KW
45.58KW
P
P
η
p
s

42. OTROS TIPOS DE
TRANSFORMADORES DE
POTENCIA
Máquinas eléctricas I

43. TRANSFORMADOR CON DERIVACIÓN
43

44. AUTOTRANSFORMADOR (I)
44

45. 45
AUTOTRANSFORMADOR (II)
 En un autotransformador se habla de lado de alta y lado de baja.
 El autotransformador puede ser elevador o reductor.
csH
cL
VVV
VV
cHL
sH
III
II

46. 46
AUTOTRANSFORMADOR (III)
 El autotransformador tiene la desventaja de que su impedancia
interna es menor que la de un transformador, por lo que es difícil
limitar la corriente que lo atraviesa en caso de cortocircuito
s
c
s
c
N
N
V
V
c
s
s
c
N
N
I
I
sc
c
L
H
H
L
NN
N
I
I
V
V
sc
c
t
NN
N
mr

47. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (I)
47

48. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (II)
El núcleo tiene tres columnas, siendo la central el doble de ancha
ya que por ella pasa todo el flujo magnético mientras que por las
laterales solo la mitad
Sobre cada columna se monta concéntricamente el primario y el
secundario de una fase respectivamente; pudiendo estar los tres
primarios y los tres secundarios en triángulo o estrella. Por lo que
habrá cuatro posibles conexiones: estrella-estrella, estrella-
triángulo, triángulo-estrella y triángulo-triángulo
48

49. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (III)
49

50. 50
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (IV)
 Veamos como relacionamos la relación de transformación
compuesta con las relaciones de transformación de cada
transformador para cada una de las configuraciones
LS
LP
ctc
V
V
mr
 Se denomina relación de transformación compuesta (rtc) al
cociente entre las tensiones de línea del primario y las del
secundario cuando el transformador trabaja en vacío

51. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (V)
51

52. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (VI)
52

53. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (VII)
 Un transformador trifásico conectado en triángulo estrella tiene tres
bobinas primarias de 100 espiras cada una y tres secundarias de 200
espiras cada una. Si la tensión de línea es de 400V 50Hz, ¿Cuales
serán las tensiones de línea y fase en el secundario?
53
___EJERCICIO___
5.0
200
100
N
N
s
p
tr
800V
0.5
400V
r
V
V
t
p
s
1385V3800V3VV sLS
400V)V(Vporque FL

54. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (VIII)
 Se conecta a un transformador trifásico triángulo-estrella de 50KVA,
6000/380V y 50Hz una carga trifásica equilibrada inductiva con un
factor de potencia de 0.8. Determina las intensidades nominales de
línea y de fase en el primario y en el secundario, y la potencia activa
que suministra
54
___EJERCICIO___
estrellaunaseral
78.51
380V
6000V
V
V
r
Ls
Lp
tc
A81.4
36000V·
50000VA
3V
S
I
Lp
Lp
75.96AII Lss
A77.2
315.78
75.96A
3r
I
r
I
I
tc
s
t
s
p
A96.75
3380V·
50000VA
3V
S
I
Ls
Ls
)rI(I tcLpLs
40KWVA·0.800005ScosIVcos3P

55. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (IX)
 Se conecta a un transformador trifásico estrella-triángulo de 50KVA,
6000/380V y 50Hz una carga trifásica equilibrada inductiva con un
factor de potencia de 0.8. Determina las intensidades nominales de
línea y de fase en el primario y en el secundario, y la potencia activa
que suministra
55
___EJERCICIO___
estrellaunaseral
78.51
380V
6000V
V
V
r
Ls
Lp
tc
A81.4
36000V·
50000VA
3V
S
I
Lp
Lp
A81.4II Lpp
43.84A
3
84.81A·15.7
3
r
IrII tc
ptps
A96.75
3380V·
50000VA
3V
S
I
Ls
Ls
)rI(I tcLpLs
40KWVA·0.800005ScosIVcos3P

56. TRANSFORMADORES DE MEDIDA
Máquinas eléctricas I

57. TRANSFORMADOR POTENCIAL
57

58. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE
58