Transformadores (2017) parte i

1
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
TRANSFORMADORES
PARTE I
Jorge Patricio Muñoz Vizhñay

2
1.- Introducción
2.- Aspectos constructivos
3.- Principio de funcionamiento de un transformador ideal
4.- Funcionamiento de transformador real
5.- Circuito equivalente de un transformador
TRANSFORMADORES

4
Transformador elemental
Se utilizan en redes eléctricas para convertir
tensiones o voltajes (monofásicas o trifásicas)
en otros valores de mayor o menor tensión e
igual frecuencia.
El transformador ideal considera nula las
pérdidas de potencia y energía, con lo cual:
Potencia entrada  Potencia salida
El número de espiras de las bobinas o
devanados son directamente proporcionales a
las tensiones e inversamente proporcionales a
las intensidades.
Cuando el transformador es elevador:
V2>V1; I2<I1
Cuando el transformador es reductor:
V2<V1; I2>I1
Los valores nominales que definen a un transformador son:
Potencia aparente (S), Tensiones (U), Corrientes (I) y frecuencia (f)
Secundario
I1
I2
Núcleo de chapa
magnética aislada
Primario
Flujo magnético
Introducción
Es una máquina eléctrica estática destinada a
funcionar en corriente alterna, constituida por
dos arrollamientos, primario y secundario.

5
El silicio (Si) incrementa la resistividad del material
y reduce las corrientes parásitas. En la fabricación
de transformadores de distribución se usa acero
silicio de grano orientado.
En la construcción del núcleo se utilizan chapas de
acero aleadas con silicio (Si) entre el 1-6%, de muy
bajo espesor (0,3 mm) aprox.
Aspectos constructivos:
a) Núcleo - circuito magnético
Dispone de:
a) Núcleo
b) Devanados o bobinados
c) Sistema de refrigeración
d) Aisladores pasantes y otros elementos
Las chapas se aíslan mediante un tratamiento
químico (Carlite) y se obtiene por laminación en
frio: aumenta la permeabilidad.
El material más utilizado es la chapa de silicio de
grano orientado por la capacidad que tiene para
orientar el campo electromagnético sin que se
produzcan grandes calentamientos por perdidas.

6

7
En los transformadores de gran potencia se intercalan
entre las chapas canales de ventilación para evacuar el
calor.
Mediante este procedimiento se obtienen factores de relleno del 95-98%
Otro aspecto característico constituyen las secciones
transversales de las columnas. En transformadores
pequeños se construyen en forma cuadrada y en
mayores potencias con la bobina circular la sección es
tipo "cruciforme ".
Columna
Culata
Ventana

Montaje de láminas de silicio en un transformador de
pequeña potencia.

10
1
2
3
4
5
El núcleo puede
tener sección
cuadrada. Pero
es más frecuente
aproximarlo a la
circular
Montaje chapas núcleo
Corte a 90º Corte a 45º

1
2
3
4
5
Montaje de láminas de silicio en un transformador

12
Fabricación núcleo:
chapas magnéticas
Columna
Culata
Juntas

13
Fabricación núcleo:
chapas magnéticas

14
600-5000 V
4,5 - 60 kV
> 60 kV
Diferentes formas constructivas de devanados según
tensión y potencia
Se realizan mediante conductores de cobre en forma de hilos
redondos para diámetros inferiores a 4 mm y sección rectangular
para mayores secciones.
Los conductores de los devanados están aislados entre sí con una
capa de barniz para secciones circulares o con fibra de algodón o
cinta de papel impregnado en aceite para secciones (pletinas)
rectangulares.
b) Devanados

15
Estructura de
devanados de
transformadores
Los devanados pueden ser concéntricos o alternados.
Los devanados concéntricos tienen forma de cilindros coaxiales, el de BT generalmente
esta más cercano del núcleo por la facilidad de aislar.
En los devanados alternados se subdividen en secciones o "galletas" de tal forma que las
partes de AT y BT se suceden alternativamente.
b) Devanados

16
Estructura
devanados:
transformador
monofásico
Núcleo con 2 columnas Núcleo con 3 columnas
Secundario
Primario
Primario
Secundario Aislante
Concéntrico
Secundario
Aislante
Primario
Primario
Aislante
Alternado
Secundario
b) Devanados

17
Estructura
devanados:
transformador
trifásico
Núcleo con 3 columnas
Primario
Secundario
Aislante
Núcleo acorazado
b) Devanados

18
Bobinado de conductores:
devanados
b) Devanados

19
b) Devanados

20
b) Devanados

21
b) Devanados

22
c) Sistemas de refrigeración
• El transformador tiene una serie de pérdidas de
potencia y energía que se transforman en calor
contribuyendo al calentamiento.
• La refrigeración evita la elevación de
temperaturas que puedan afectar la vida de los
aislamientos de los devanados.
• En transformadores pequeños la superficie
externa de la máquina es suficiente para lograr
evacuar el calor, dando lugar a los
transformadores en seco.
• Transformadores con potencias superiores se
emplea como medio refrigerante el aceite,
resultando los transformadores en baño
(sumergidos) de aceite.

23
• El aceite tiene doble misión de refrigerar y aislar.
• El aceite mineral procede de un subproducto de
la destilación fraccionada del petróleo.
• Actualmente se impulsa el uso de aceites de
siliconas con reducido impacto ambiental.
• El aceite mineral pude envejecer lo que significa
que se oxida y polimeriza formado lodos. Esta
oxidación se debe a la elevación de temperatura,
humedad y contacto con el oxigeno.

24
1 Núcleo
1’ Prensaculatas
2 Devanados
3 Cuba
4 Aletas refrigeración
5 Aceite
6 Depósito expansión
7 Aisladores (BT y AT)
8 Junta
9 Conexiones
10 Nivel aceite
11 - 12 Termómetro
13 - 14 Grifo de vaciado
15 Cambio tensión
16 Relé Buchholz
17 Cáncamos transporte
18 Desecador aire
19 Tapón llenado
20 Puesta a tierra
• El depósito de expansión (cuba) tiene por finalidad mantener la cuba principal del transformador
lleno y absorber las dilataciones del aceite al calentarse.
• La cuba expulsa y absorbe aire lo que se dice "respira".
• Para evitar la humedad en la entrada del aire se coloca un desecador de cloruro cálcico o un gel de
sílice.

25
Secciones de transformadores en aceite y secos
Seco
En aceite
Seco

26
Seco

27
Seco

28
El relé Buchholz es un dispositivo que se monta en algunos transformadores (de potencia) en
baño de aceite que van equipados con un depósito externo de expansión en su parte superior.
El relé Buchholz se usa como dispositivo de protección contra fallos del dieléctrico en el interior
del equipo por la descomposición química del aceite. Los gases que fluyen hacia el conservador
de aceite o la onda expansiva generada por la formación rápida de gases activa el sistema de
alarma del relé de Buchholz.
Si el nivel de aceite en el conservador queda por debajo de un valor determinado o sea si el
conservador pierde aceite, el relé de Buchholz toma la función de un indicador del nivel de
aceite.

29

30
El bifenilo ploriclorado (PCB) es un aceite de compuesto químico
formado por cloro, carbón e hidrógeno. El PCB es resistente al fuego,
muy estable, no conduce electricidad y tiene baja volatilidad a
temperaturas normales. Éstas y otras características han hecho ideal
para los transformadores. Pero estas cualidades hacen al PCB
peligroso para el ambiente, especialmente su resistencia extrema a la
ruptura química y biológica a través de procesos naturales.

31
Estudios del PCB determinan los efectos que produce en la salud
de los seres humanos. Los científicos convienen en que es poco
probable que la baja exposición a los PCBs, a corto plazo, genere
lesiones serias. Sin embargo, la mayoría coincide sobre los
efectos adversos provocados por la exposición a largo plazo,
incluso en concentraciones bajas.

32
Transformadores en baño de aceite
Un transformador en baño de aceite con circulación natural por convección refrigerado
por aire con movimiento natural se designa ONAN. Si el movimiento del aire se hace con
ventiladores se denomina ONAF.

33
Transformador seco
OFAF

34
5 MVA
Baño de
aceite
2,5 MVA
Baño de aceite
1,250 MVA
Baño de aceite
10 MVA
Sellado con N2
10 MVA
Sellado con N2

35
10 MVA
Sellado con N2
10 MVA
Sellado con N2
El aceite circula alrededor de los devanados hacia los radiadores donde el calor es cedido
al exterior.
Para potencias elevadas, se pasa aire forzado producido por ventiladores sobre los
radiadores.
En transformadores de varios MVA’s se puede refrigerar mediante un intercambiador de
calor aceite-agua. El aceite caliente se bombea a través de un serpentín en contacto con
el agua fría.

36
Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva.

37
Secciones de transformadores secos
Seco

38
Transformador seco
OFAF

39
Transformador seco
OFAF

40
Transformador seco
d) Aisladores pasantes
Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba
mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.
Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.

41
Transformador seco

42
Transformador seco

43
Transformador seco

44
Transformador seco

45
Transformador seco
e) Potencias comerciales
Monofásicos
(kVA)
Trifásicos
(kVA)
5 15
10 25
15 30
25 45
37,5 50
50 75
75 100
112,5
Transformadores de Distribución
Monofásicos
(kV)
Trifásicos
(kV)
13,2 / √3 13,2
13,8 / √3 13,8
22 / √3 22
2 x 120 V (BT) 3x210 V o 3 x 220 V (BT)

46
Transformador seco
potencias comerciales
Placas de Transformadores de Distribución

47
Transformador seco

48
Transformador seco
Símbolos empleados para designar un transformador

49
Transformador seco
V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
 (t)
R devanados = 0
Principio de funcionamiento
de un transformador ideal
Debido a la variación periódica del flujo se crean fem’s inducidas en los arrollamientos
que de acuerdo a la ley de Faraday se tiene:
dt
dφ
Ne
dt
dφ
Ne
22
11


El transformador ideal asume lo
siguiente:
1) Los devanados tienen resistencias
óhmicas despreciables lo que no hay
pérdidas Joule y no existen caídas de
tensión resistivas.
2) No existen flujos de dispersión y
todo el flujo magnético esta
confinado en el núcleo enlazando el
devanado primario y secundario.

50
Transformador seco
V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
 (t)
R devanados = 0
e1(t) representa la fcem porque se opone a
la tensión aplicada U1(t) y limita la
corriente del primario.
e2(t) representa la fem inducida por efecto
del primario.
Se parte de un flujo senoidal:
Derivando y reemplazando:
Lo que indica que las tensiones y fem´s van adelantadas 90 respecto al flujo, siendo sus
valores eficaces.
Dividiendo una expresión para la otra resulta: m
N
N
E
E
V
V
2
1
2
1
2
1

m2
m2
22
m1
m1
11
φN*f*4,44
2
ωφN
EV
φN*f*4,44
2
ωφN
EV


tcosωωφNve
tcosωωφNev
m222
m111


)90tcos(wφtsenωφφ o
mm 

V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
 (t)
R devanados = 0
La I0 tiene dos componentes, una activa IFe y
otra reactiva Iᵤ
IFe
I
V1=E1
V2=E2

V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
 (t)
R devanados = 0
El transformador ideal sin carga o en vacío se comportará como una bobina con núcleo
de hierro, en este caso el transformador absorberá una corriente de vacío I0, cuya
misión es producir el flujo magnético y vencer las pérdidas en el hierro a través de sus
componentes IFe e Iµ.
La corriente I0 forma un ángulo φ0 con la tensión aplicada V1. De esta manera la
potencia absorbida en vacío P0, será igual a las pérdidas en el hierro PFe, cumpliéndose:
001Fe0 cosIVPP 

53
V2(t)V1(t)
I1(t) I2(t)
P2P1
P=0
Considerando el transformador
ideal donde la conversión se
realiza sin pérdidas:
Pot entrada  Pot salida
P1  P2
V1*I1 = V2*I2
Considerando que la tensión del
secundario con carga es la
misma que en vacío:
V2vacío  V2carga
Las relaciones de
tensiones y
corrientes son
INVERSAS
El transformador no modifica la potencia que se transfiere, tan
solo altera la relación entre tensiones y corrientes
 (t)
Principio de funcionamiento de un transformador ideal
Relación entre corrientes
1
2
2
1
I
I
V
V
m 
m
I
I 2
1 

54
V2(t)V1(t)
I1(t) I2(t)
P2P1
Pnúcleo
Considerando las pérdidas en el
transformador, la corriente primaria
será:
Relación entre corrientes
 (t)
m
2
0201
I
IIII  ,
Ecuación que expresa la relación
entre la corriente primaria I1, de
vacío I0 y secundaria I2.
La corriente I1 tiene dos componentes:
1. La corriente de excitación o vacío I0 produce el flujo magnético en el núcleo y vence las
pérdidas a través de sus componentes IFe e Iᵤ.
2. La corriente de carga I2’ que equilibra o contrarresta la acción desmagnetizante de la
fmm secundaria para que el flujo en el núcleo permanezca constante e independiente de
la carga.

55
 (t)
Flujo de dispersión: se cierra por el aire
V2V1
I2(t)=0I0
Representación simplificada del flujo
de dispersión en el devanado primario.
El flujo producido por la bobina se
reparte en una parte en el aire y otra
en el núcleo.
En vacío no circula
corriente por el
secundario y, por tanto,
no produce flujo de
dispersión.
En serie con el
bobinado primario
se colocará una
resistencia interna
del devanado y una
reactancia de
dispersión que será
la que genere el
flujo de dispersión.
I2=0
V2V1
 (t)
I0 R1 Xd1
Flujo de
dispersión
Resistencia
interna
e1(t)
de un transformador real
)jX(RIEeIjXIRV d110110d1011 

56
V1
 (t)
I1
R1 Xd1
Flujo de
dispersiónResistencia
interna
e1(t) V2
R2
Resistencia
interna
Xd2
Flujo de
dispersión
I2e2(t)
El bobinado secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia de
dispersión como el primario. Donde e1 y e2 son las fem’s, resulta E1 y E2 en valores eficaces
(donde øm es el flujo máximo que circula por le circuito magnético):
de un transformador real con carga
m2
m1
φNf4,44
φNf4,44


2
1
E
E
2222
1111
IIEV
IIEV


22
11
jXR
jXRA Xd1 y Xd2 se ha denominado con X1 y X2
denominadas reactancias de dispersión.
dt
dφ
Ne
dt
dφ
Ne
22
11



57
V1
 (t)
I1
R1 X1
Flujo de
dispersiónResistencia
interna
e1(t) V2
R2
Resistencia
interna
X2
Flujo de
dispersión
I2e2(t)
de un transformador real con carga
22
11
EV
EV


m
N
N
E
E
2
1
2
1

m
V
V
2
1

La relación entre los valores
eficaces será:
Las caídas de tensión a plena carga en las
resistencias y reactancias parásitas son muy
pequeñas del orden del 1,0 al 10% de V1 por lo
que las relaciones se convierten en:

58
Se tiene la ventaja de desarrollar circuitos eléctricos equivalentes de máquinas eléctricas
para aplicar el potencial de la teoría de los circuitos eléctricos.
El circuito equivalente se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras.
Generalmente se reduce el secundario al primario y se marca a los elementos del secundario
referido al primario con una tilde.
X1
V2’V1
R1 R2’X2’
I2’
I1
X
I
RFe
IFe
I0
Circuito equivalente de un transformador real
Circuito equivalente
de un transformador
22 VV  m,
m
2
2
I
I ,
2
2
2 RmR ,
2
2,
2 XmX  L
2,
L ZZ  m

59
X1
V2’V1
R1
R2’=m2 R2X2’=m2 X2
I2’
I1
X
I
RFe
IFe
I0
Circuito equivalente de un transformador real
El circuito equivalente
permite calcular todas las
variables incluidas pérdidas y
rendimiento.
Los elementos del
circuito equivalente se
obtienen mediante
ensayos o pruebas.
Una vez resuelto el circuito
equivalente los valores reales
del lado secundario pueden ser
obtenidos pasando del primario
al secundario con la relación de
transformación.
La importancia de la reducción de los devanados al haber elegido la igualdad N2’=N1 radica en
que se puede obtener el transformador sin función de transformación, es decir se sustituye los
devanados acoplados magnéticamente por un circuito eléctrico acoplado eléctricamente.
de un transformador

60
En la práctica, debido al reducido valor de I0 frente a las corrientes I1 e I2 se suele trabajar con
un circuito equivalente aproximado que se obtiene trasladando la rama en paralelo a los
bornes de entrada del primario.
Circuito equivalente aproximado de un
transformador reducido al primario
R1 X1 R2
’X2
’
V1
V2’
I1
I2’I0
de un transformador

61
De esta manera el circuito resultante tendrá una impedancia serie: Rcc + j Xcc (resistencia y
reactancia de cortocircuito).
Circuito equivalente aproximado de un
transformador reducido al primario
Rcc Xcc
V1 V2’
I1(t)
I2’(t)I0
'
21cc
'
21cc
XXX
RRR


de un transformador

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