REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

“FRANCISCO DE MIRANDA”AREA: TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO: MECANICA Y TECNOLOGIA DE LA PRODUCCIONING. INDUSTRIAL, QUIMICA Y MECANICA

PUNTO FIJO –EDO- FALCON

Tema 2: TRANSFORMADORES

INTEGRANTES:CORTEZ DIEGO; CI-25.177.994

ROGGER ZAVALA; CI-20.786.095LUIS BRACHO

FECHA SECCION “51”16/09/2015 PROF. ING. URBINA DANNY

1

INTRODUCCION

El primer sistema de distribución de potencia en los Estados Unidos fue un

sistema de corriente continua a 120 V inventado por Thomas Alba Edison para

suministrar potencia a las bombillas incandescentes, este sistema género y

transmitió potencia en tan bajos voltajes que eran necesarias unas corrientes muy

altas para suministrar una cantidad de potencia significativa, esta problemática es

que radica para la invención del transformador.

Un transformador es un dispositivo utilizado para convertir energía eléctrica

de un nivel de voltaje a energía eléctrica de otro nivel de voltaje mediante la acción

de un campo magnético, el transformador cumple con un papel fundamental y de

extrema importancia en la vida moderna, ya que es quien hace posible la

transmisión de energía eléctrica entre largas distancias de manera económica. La

aplicación de un voltaje al primario del transformador produce un flujo en el núcleo,

este flujo también produce la inducción de un voltaje en el devanado secundario,

ya que los núcleos de los transformadores poseen una gran impermeabilidad.

El transformador con un comportamiento ideal es estudiado para tener el

máximo rendimiento o la máxima eficiencia de un nuevo prototipo ya realmente no

se pueden fabricar. Un transformador real tiene flujos dispersos que solo

atraviesan los devanados primarios o secundarios, pero nunca los dos, además

estos poseen pérdidas de energía por histéresis, perdidas en el cobre y corrientes

parasitas los cuales son tomados en cuenta en el circuito equivalente del

transformador.

Un autotransformador se diferencia de un transformador ya que los devanados

del autotransformador están interconectados en uno de los lados, el voltaje de

este es el que pasa por un solo devanado,

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INDICE

Pág.

Introducción………………………………………………………….…………2

EL Transformador………………………………………………………….……...4

Constitución de un transformador………………………………………….…....5

Principio del Funcionamiento del transformador………………………….…...7

El Transformador Monofásico……………………………………………….…...8

Relaciones Fundaméntales……………………………………………………..10

Tipos de Transformadores……………………………………………………...12

Circuitos Equivalentes de un Transformador…………………………………15

Circuito equivalente de un transformador real………………………………..16

Ensayos a Circuito Abierto y Ensayos a Cortocircuito……………………....28

Capacidad Nominal de un transformador……………………………………..21

Eficiencia de un transformador………………………………………………....24

Aplicaciones de un transformador……………………………………………..25

El Autotransformador…………………………………………………………....25

Ventajas y Desventajas del Autotransformador……………………………...26

Aplicaciones de un autotransformador……………………………...………...28

Anexos……………………………………………………………………………29

Conclusión……………………………………………………………………......36

Bibliografía………………………………………………………….………….....37

3

EL TRANSFORMADOR

Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Károly Zipernowsky, Ottó

Bláthy y Miksa Déri, de la compañía Ganz, de ese país, crearon en Budapest el

modelo de transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y

Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto).

Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:

Vp(t)Vs (t)

=NpNs

Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra transformador, que

había sido acuñada por Bláthy Ottó. En 1885, George Westinghouse compró las

patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la

construcción de un transformador de tipo ZBD para uso comercial. Este diseño se

utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

Es un dispositivo que cambia potencia eléctrica alterna de un nivel de

voltaje a potencia eléctrica alterna a otro nivel de voltaje mediante la acción de un

campo magnético. Constan de dos a más bobinas de alambre conductor

enrollados alrededor de un núcleo ferromagnético común. Estas no están

usualmente conectadas en forma directa. La única conexión entre las bobinas es

el flujo magnético común que se encuentra dentro del núcleo.

Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de

energía eléctrica alterna y el segundo suministra la energía eléctrica a las cargas.

El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama

devanado primario o devanado de entrada y el devanado que se conecta a la

carga se llama devanado segundario y el devanado de salida Puestos que los

transformadores operan sobre los mismos principios que los generadores y los

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motores, dependiendo de la acción de un campo magnético para llevar a cabo el

cambio del nivel del voltaje.

Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir la

energía de corriente alterna en energía de corriente continua o viceversa, bajo

estos dos principios para los transformadores:

Un conductor que porta corriente produce un campo magnético a su

alrededor.

Un campo magnético variable con el tiempo induce un voltaje en una

bobina de alambre si pasa a través de esta.

La energía eléctrica es una fuente de energía limpia y eficiente, fácil de

controlar y transmitir a largas distancias. Un motor eléctrico no requiere ventilación

ni combustible constante, a diferencias de los motores de combustión interna; por

esta razón es el adecuado en ambientes donde no son deseables los residuos

contaminantes de la combustión. Además, la energía calorífica o la energía

mecánica pueden ser convertidas en energía eléctrica en sitios lejanos y esta

puede ser transmitida a largas distancias hasta cualquier hogar, oficina o fábrica

donde se requiera. Los trasformadores ayudan a este proceso reduciendo las

pérdidas de energía entre el sitio de generación de energía eléctrica y el de

utilización de esta.

CONSTITUCION DE UN TRANSFORMADOR

Un transformador está constituido por dos circuitos eléctricos acoplados

mediante un circuito magnético. Los circuitos eléctricos están formados por

bobinas de hilo conductor, normalmente cobre. Estas bobinas reciben el nombre

de devanados y, comúnmente se les denomina devanado primario y secundario

del transformador. El bobinado primario con espiras es aquel por el cual entra la

energía y el secundario con “espiras es aquel por el cual se suministra dicha

energía. Estos bobinados están aislados entre sí, y con el núcleo. Los materiales

aislantes para el bobinado, o para colocar entre capas, son: papel barnizado, fibra,

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micanita, cinta impregnada, algodón impregnado, etc., para transformadores con

bobinados al aire, y para los sumergidos en baños de aceite, se utilizan los

mismos materiales sin impregnarse; debe evitarse el uso del caucho en los

transformadores en baño de aceite, pues este lo ataca, y tiene efectos nocivos

también sobre la micanita y aun sobre los barnices. Las piezas separadoras entre

bobinados, secciones, o entre estas y el núcleo pueden ser de madera,

previamente cocida en aceite, aunque actualmente se prefieren los materiales

duros a base de papel o similares (pertinax, etc.). Si se usa madera, no debe

interpretarse como que se dispone de aislación, sino solamente de un separador.

En cuanto a los conductores para hacer bobinas, su tipo depende de la

sección, pues hasta 6mm² pueden usarse alambre y más arriba de ese límite se

usan cables de muchos hilos, o bien cintas planas, para facilitar el bobinaje. El

aislamiento para los conductores puede ser algodón, que luego se impregnará si

no se emplea baño de aceite. La disposición de los devanados en los

transformadores, debe ser hecha de tal forma, que se concilien en la mejor forma

las dos exigencias, el aislamiento y de la menor dispersión del flujo. La primera

requiere de la mayor separación entre devanados, en tanto que la segunda,

requiere que el primario se encuentre los más cercano posible del secundario. En

la práctica, se alcanza una solución conveniente del problema con la siguiente

disposición de los devanados:

Concéntricos: En el tipo concéntrico, cada uno de los devanados está

distribuido a lo largo de toda la columna, el devanado de tensión más baja

se encuentra en la parte interna (más cercana al núcleo) y aislado del

núcleo, y del de tensión más elevada, por medio de tubos aislantes (cartón

baquelizado, baquelita, etc.). En la disposición de concéntrico doble, el

devanado de tensión más baja se divide en dos mitades dispuestas

respectivamente al interior y al exterior uno de otro.

Alternados: En el llamado tipo alternado, los dos devanados están

subdivididos.

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En los núcleos magnéticos de los transformadores tipo columna se

distinguen dos partes principales: las columnas y los yugos. En las columnas se

alojan los devanados y los yugos unen entre sí a las columnas para cerrar el

circuito magnético.

Debido a que las bobinas se deben montar bajo un cierto procedimiento y

desmontar cuando sea necesario por trabajos de mantenimiento, los núcleos que

cierran el circuito magnético, terminan al mismo nivel en la parte que está en

contacto con los yugos, o bien con salientes, en ambos casos los núcleos se

arman con juegos de laminaciones para columnas y yugos que se arman por

capas de arreglos "pares" e "impares". Cuando se han armado los niveles a base

de juegos de laminaciones colocadas en "pares" e "impares" el núcleo se sujeta

usando tornillos opresores y separa por medio de los tornillos tensores. En los

transformadores pequeños se colocan las chapas una a una, alternando las

juntas, para dar más solidez al conjunto y evitar piezas de unión entre partes del

núcleo. En los grandes, las dos cabezas quedan separadas, y deben sujetarse con

pernos roscados.

En los transformadores de gran potencia suele ser necesario formar

conductos de refrigeración en la masa del núcleo, para aumentar la superficie de

disipación del calor se colocan entonces separadores aislantes, de espesor

conveniente para la circulación del aceite.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR

El funcionamiento del transformador se basa en los fenómenos de

inducción electromagnética. Un transformador elemental está formado por un

núcleo de chapas magnéticas, al que rodean los devanados primario y secundario.

Al conectar el devanado primario a una red de c.a., se establece un flujo alterno en

el circuito magnético, en los dos devanados del transformador.

En Vacío:

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Al aplicar una tensión alterna en el primario (con secundario abierto), circula

una corriente alterna por él y establece que flujo alterno, induce el secundario, por

estar en vacío. En el primario, se autoinduce (fuerza contra electromotriz), que se

opone a la tensión aplicada. La reluctancia que le presenta el hierro en comparación

al aire, sigue en su mayoría, el circuito ferromagnético. Las líneas de campo que se

cierran a través del aire (espacios entre el núcleo y las bobinas) y que no aportan al

flujo principal, constituyen el flujo disperso. La corriente está compuesta por una

corriente alterna magnetizante, en fase con el flujo principal que produce y una

corriente en cuadratura, por perdidas magnéticas en el hierro.

En Carga:

Al cerrar el secundario a través de una carga, circulará la corriente generando

en el arrollamiento secundario un flujo, oponiéndose a la causa que lo produce o sea,

al flujo principal, por lo que tenderá a disminuirlo y por consiguiente, esta disminución

de la fuente primaria origina un aumento en la corriente primaria, donde la corriente

referida o reflejada en el primario.

EL TRANSFORMADOR MONOFASICO

Transformador eléctrico monofásico de núcleo cerrado de acero al silicio,

donde se muestran dos devanados o enrollados de alambre de cobre desnudo,

protegido con barniz aislante. Uno de esos corresponde al “enrollado primario” o

de entrada de la corriente alterna y el otro al “enrollado secundario” o de salida de

la propia corriente, una vez que el valor de la tensión ha sido aumentado o

disminuido, de acuerdo con el tipo de transformador que se utilice, es decir, si es

reductor de tensión o si, por el contrario, es elevador de tensión.

Es un transformador real, es decir, que posee de dos o más bobinas de

alambre enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético, entender la operación

de un transformador muy complicado, en un transformador con dos bobinas de

alambre enrollados alrededor del núcleo. El primario del transformador está

conectado a la fuente de potencia alterna, y el devanado segundario está abierto.

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La base de operación del transformador puede derivarse de la ley de

Faraday:

e ind=dλdt

Dónde:

λ: es el flujo ligado a la bobina a través de la cual se induce el voltaje. El

flujo ligado a λ es la suma del flujo que pasa por cada vuelta de la bobina

tomadas todas las vueltas de la bobina:

λ=∑i=1

N

θi

El flujo ligado total través de la bobina no es justamente Nθ .

Dónde:

N: es el número de vueltas de la bobina.

Puesto que el flujo que pasa atreves de cada vuelta de la bobina es

ligeramente diferente al de las demás, dependiendo de la posición de la

vuelta dentro de la bobina.

Sin embargo, es posible definir el flujo en una bobina. Si el flujo ligado total

en todas las vueltas de la bobina es λy si hay N vueltas, entonces el flujo medido

por vuelta está dado por:

θ= λN

Y la ley de Faraday puede escribirse como:

e ind=Ndθdt

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Corriente de Magnetización en un Transformado Real:

Cundo una fuente de potencia alterna se conecta a un transformador, la

corriente fluye en su circuito primario, aun cuando el circuito segundario este

abierto. Esta corriente es la requerida para producir flujo en el núcleo

ferromagnético.

Esta corriente tiene dos componentes:

La Corriente de Magnetización: Requerida para producir el flujo en el

núcleo del transformador.

La Corriente de Pérdidas en el Núcleo: Requerida por el fenómeno de

histéresis y por las corrientes parasitas.

RELACIONES FUNDAMNETALES

Relación de Voltaje en el Transformador:

Si el voltaje de la fuente esta aplicado directamente a través de las bobinas

del devanado primario del transformador, la reacción del transformador es

explicado mediante la ley de Faraday, en la cual el flujo medio en el devanado es

proporcional a la integral del voltaje aplicado al devanado y la constante de

proporcionalidad es el inverso del número de vueltas del debando primado.

Este flujo está presente en la bobina primaria del trasformador, por lo cual el

efecto de este en la bobina segundaria del transformador, depende de cuánto flujo

llega a bobina segundaria ya que no todo el flujo producido en la bobina primaria

atraviesa la bobina segundaria puesto que algunas líneas de flujo abandonan el

núcleo de hierro y pasan atreves del aire.

El flujo de la bobina primaria del transformador puede dividirse en dos

componentes:

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Flujo Mutuo: que permanece en el núcleo y liga ambos devanados.

Flujo Disperso: que pasa atreves de la bobina primaria pero retorna a ella

a través del aire, sin cruzar por la bobina segundaria.

El flujo de la bobina segundaria también se divide en flujo mutuo y flujo

ligado, que pasa a través del devanado segundario pero retorna al a través del

aire sin tocar el devanado primario.

La ley de Faraday establece que el voltaje primario y segundario debido a

los flujos mutuos esta n dados por:

e p (t )=Np dθmdt

;es (t )=Ns dθmdt

Por lo cual se simplifica a:

ep (t)es(t)

=NpNs

Y se deduce que flujo muto causado tanto por el voltaje primario como por

el segundario, es igual a la relación de vueltas del transformador, y que cuanto

menores sean los flujos dispersos en este, más exacta será la aproximación a la

relación de vueltas del transformador ideal.

Relación de Corriente en un Transformador y Convención de

Puntos:

Los puntos de convención ayudan a determinar la polaridad de los voltajes

y corrientes sin tener que recurrir a la inspección física de los devanados. El

significado físico de convención de puntos es que una corriente que fluye hacia el

devanado por su extremo marcado con punto, produce una fuerza magnetomotriz

positiva, en tanto que una corriente que fluye hacia dentro del devanado, por el

extremo marcado con punto, produce una fuerza magnetomotriz negativa.

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Si dos corrientes que fluyen hacia dentro, por los extremos marcados con

puntos en sus respectivos devanados, produce una fuerza magnetomotriz que se

suma. Si una corriente fluye hacia dentro de un devanado, por el extremo marcado

con punto, y otra fluye hacia afuera del devanado, por el extremo marcado con

punto, las fuerzas magnetomotriz se restan. De esta forma se puede estimar la

fuerza magnetomotriz neta en el núcleo.

La fuerza magnetomotriz neta debe producir el flujo neto en el núcleo y

debe ser igual al flujo de reluctancia del núcleo del transformador. Puesto que la

reluctancia del núcleo de un transformador bien diseñado es muy pequeña, hasta

tanto el núcleo este saturado, entonces las fuerzas son aproximadas.

Fnet=N pi p−N si s≈0

Con el núcleo saturado:

N p i p≈ N sis

TIPOS DE TRANFORMADORES

Los transformadores se utilizan para otros propósitos ejemplo:

Para mostrar voltajes.

Para mostrar corrientes.

Para transformar impedancias.

El Transformador de Potencia:

Se construyen de dos maneras. Un tipo de transformador consta de una

pieza de acero rectangular, laminada, con los devanados enrollados sobre dos de

los lados rectángulos, estos tipos de construcción conocido como transformador

tipo núcleo. El otro consta de un tipo laminado de tres columnas, cuyas bobinas

están enrolladas en la columna central. Este tipo de construcción se conoce como

transformador de tipo acorazado. En todo caso el núcleo se construye con

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delgadas láminas aisladas eléctricamente unas de las otras para minimizar las

corrientes parasitas.

En un transformador las bobinas de primario y el segundario están

físicamente enrolladas una sobre la otra; la bobina de menor voltaje está situada

en la parte interna de manera que está más cercana al núcleo esta disposición

cumple dos objetivos:

Simplifica el problema del aislamiento del devanado de alta tensión desde

el núcleo.

Resulta menor flujo disperso que en caso de disponer los dos devanados

en el núcleo separados.

Los transformadores de potencia reciben variedad de nombres,

dependiendo de su utilización en los sistemas de potencia:

Un transformador conectado a la salida de un generador utilizado para

elevar el voltaje hasta niveles de transmisión es decir de 110kV y mayor,

también llamado transformador de unidad.

El transformador situado en el otro extremo de la línea de transmisión, que

reduce el voltaje de los niveles de distribución (desde 2,3 a 34,5 kV), se

denomina transformador de subestación.

El transformador reduce el voltaje final a que se utiliza la potencia (110;

208; 220 V, etc.) es llamado transformador de distribución.

Estos dispositivos son esencia los mismos la única diferencia entre ellos en

la utilización que les des. Además de los varios tipos de transformadores de

potencia existen dos tipos de transformadores para propósitos especiales

utilizados con máquinas eléctricas y sistemas de potencia para hacer mediciones

los cuales son:

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El Transformador de Potencial:

Es un dispositivo diseñado para mostrar un voltaje alto y producir un voltaje

segundario bajo, directamente proporcional aquel. Este tiene devanados

especiales:

El primario para alto voltaje.

El segundario para bajo voltaje.

Este transformador tiene muy baja capacidad de potencia y su único

propósito es tomar el voltaje del sistema para mostrarlo a los instrumentos que los

monitorean, dado este propósito el transformador debe ser muy exacto para que

distorsione en forma apreciable los verdaderos valores de voltaje. Se pueden

adquirir transformadores de varias clases de exactitud, dependiendo de cuanta

exactitud deben tener lecturas para determinar aplicación.

El Transformador de Corriente:

Toma la corriente de la línea y la reduce a un nivel seguro y medible, este

consta de un devanado segundario enrrollado alrededor de un anillo de material

ferromagnético en que la línea a medir actúa como primario y atraviesa el centro

de anillo. El anillo ferromagnético capta y concentra una pequeña parte del flujo de

la línea primaria, este flujo induce un voltaje y una corriente en el devanado

segundario.

En un transformador de corriente los devanados están débilmente

acoplados, en el de corriente a diferencia de todos los demás transformadores, el

flujo mutuo es menor al flujo disperso, debido al acoplamiento débil las relaciones

de voltaje y de corriente no se aplican al transformador de corriente. Sin embargo

en un transformador de corriente, la corriente segundaria es directamente

proporcional a la primaria más grande y puede proveer una muestra precisa de la

corriente de la línea, para propósito de la medida.

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Los valores nominales para los transformadores de corriente están dados

como relaciones de la corriente primaria a la segundaria. Una relación típica

podría ser 600: 5; 800: 5 ó 1000: 5, una corriente de 5ª en el segundario de un

transformador de corriente.

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR

Las pérdidas que ocurren en los trasformadores reales deben tenerse en

cuenta en cualquier modelo aproximado del transformador. Los principales ítems

que deben tenerse en cuenta para la construcción de tal modelo son:

Perdidas del Cobre (I2R): son perdidas por calentamiento resistivo en los

devanados primario y segundario del transformador, son proporcionales al

cuadrado de la corriente en los devanados.

Perdidas por Corriente Parasitas: perdidas por calentamiento resistivo

en el núcleo del transformador, son proporcionales al cuadrado del voltaje

aplicado al transformador.

Perdidas por Histéresis: están relacionadas con los reordenamientos de

los dominios magnéticos en el núcleo durante cada semiciclo, son una

función compleja no lineal del voltaje aplicado al transformador.

Flujo Disperso.

Esta fuga de flujos produce a una autoinductancia en las bobinas primaria y

segundaria, y sus efectos deben tenerse en cuenta.

Los modelos de transformadores son con frecuencia, más complejos que lo

requerido en la práctica para obtener buenos resultados, uno de los principales

inconvenientes es que la rama de excitación del modelo añade otro nodo al

circuito en análisis, lo cual hace que su solución sea más compleja de lo

necesario. La rama de excitación tiene una corriente muy pequeña comparada con

la corriente de carga de los transformadores. En efecto es tan pequeña que en

condiciones normales causa una caída de voltaje despreciable Rp y Xp, por esta

causa se ha elaborado un circuito equivalente simplificado que opera casi tan bien

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como el original. Solo se ha movido la rama de excitación hacia la entrada del

circuito, dejando en serie la impedancia primaria y segundaria, en ciertas

aplicaciones la rama de excitación puede omitirse por completo sin ocasionar

graves errores.

Circuito Equivalente de un Transformador Ideal:

Un transformador ideal es un dispositivo sin pérdidas, donde la relación

entre el voltaje de entrada y salida y la corriente de entrada y salida, están dadas

por las siguientes ecuaciones sencillas:

Vp(t)Vs (t)

=NpNs

=a

Donde a es la relación de vueltas del transformador:

a=NpNs

La relación entre la corriente que fluye en el lado primario del transformador

y la corriente que sale del transformador por el secundario es

N PiP (t )=N S iS (t )óiP(t )iS (t)

=1a

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR REAL

Es posible elaborar un circuito equivalente que tenga en cuenta las

principales imperfecciones de los transformadores reales, se considera cada una

de estas imperfecciones y sus efectos se incluyen en el modelo de transformador.

El efecto más sencillo de modelar son las pérdidas en el cobre: se modelan

disponiendo un resistor RP en el circuito primario y un resistor RS en el circuito

segundario del transformador.

El flujo disperso del devanado primario y segundario producen voltajes,

puesto que mucho recorrido del flujo disperso es por el aire, y dado que la

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reluctancia del aire es constante y mucho mayor que la del núcleo, el flujo es

directamente proporcional a la corriente primaria iP y el flujo disperso del

devanado segundario es directamente proporcional a la corriente segundaria iS.

θLP=(PN P ) iP

θLS=(PN S ) iS

Dónde:

P : permanecia del camino del flujo.

Sustituyendo la ecuación de flujo en la de flujos dispersos se obtiene que:

eLP ( t )=N Pddt

(P N P ) iP=N P2 Pdi pdt

eLS (t )=N Sddt

(P N S ) iS=N P2 Pdisdt

Las constantes de estas ecuaciones pueden agruparse; entonces

eLP ( t )=LPdi Sdt

eLS (t )=LSdiPdt

Dónde:

LP = N2P P : es la autoinductancia de la bobina primaria.

LS = N2S P : es la autoinductancia de la bobina secundaria.

Por consiguiente el flujo disperso será modelo por inductancia en el primario

y el secundario.

17

Los efectos de excitación en el núcleo pueden modelarse por una

reactancia XM conectada a la fuente de voltaje primario, ya que la corriente de

magnetización es proporcional al voltaje aplicado al núcleo y atrasa al voltaje

aplicado en 90º. La corriente de pérdidas en el núcleo es proporcional al voltaje

que está en fase con el aplicado, tal que puede ser modelado por una resistencia

conectada a través de la fuente de voltaje primario.

ENSAYOS A CIRCUITO ABIERTO Y ENSAYOS A CORTOCIRCUITO

Es posible determinar experimentalmente los valores de las resistencias e

inductancias del modelo del transformador, una aproximación adecuada para

estos valores se puede lograr con solo dos ensayos.

La Prueba de Circuito Abierto:

Se deja abierto el devanado segundario del transformador y el devanado

primario se conecta al voltaje pleno nominal. En las condiciones descritas toda la

corriente de entrada debe fluir a través de la rama de excitación del transformador.

Las componentes en serie RP y XP, son tan pequeñas comparadas con RC y XM,

para ocasionar una caída significativa del voltaje que esencialmente todo el voltaje

de entrada cae en rama de excitación.

La forma más fácil de calcular los valores de RC y XM, consisten en estimar

primero la admitancia de la rama de excitación. La conductancia de la resistencia

de pérdidas en el núcleo está dado por:

GC=1RC

Y la susceptancia de la inductancia de magnetización es:

BM= 1XM

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Puesto que los dos elementos están en paralelo, sus admitancias se suman

y la admitancia total de la excitación es:

Y E=GC− jBM= 1RC

− j1XM

La magnitud de la admitancia de excitación (referido al circuito primario)

puede calcularse con base los valores de voltaje y corriente de la prueba de

circuito abierto:

|Y E|=IOCV OC

El ángulo de la admitancia puede encontrarse a partir del factor de potencia.

El factor de potencia a circuito abierto (PF) está dado por:

PF=cosθ=POC

V OC IOC

Y el ángulo θ del factor de potencia es:

θ=cos−1POC

V OC IOC

El transformador de potencia esta siempre en atraso para un transformador

real, de modo que el ángulo de corriente siempre atrasa al voltaje en θ grados. Por

tanto, la admitancia YE es:

Y E=IOCV OC

∠−θ=IOCV OC

∠−cos−1PF

La Prueba de Cortocircuito:

Los terminales del segundario del transformador se cortocircuita y los del

primario se conectan a una fuente adecuada de voltaje, el voltaje de entrada se

ajusta hasta que la corriente de los devanados cortocircuitados sea igual a su

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valor nominal (asegurándose de mantener el voltaje primario en un nivel seguro),

de nuevo se mide el voltaje, la corriente y la potencia de entrada.

Puesto que el voltaje de entrada está pequeño durante la prueba, la

corriente que fluye por la rama de excitación es despreciable. Si la corriente de

excitación se ignora, toda la caída de voltaje en el transformador puede ser

atribuida a los elementos del circuito en serie. La magnitud de las impedancias en

serie, referidas al lado primario del transformador es:

|ZSE|=V SC

I SC

El factor de potencia es:

PF=cosθ=PSC

V SC I SC

Y está en atraso. El ángulo de la corriente es negativo y el ángulo θ de la

impedancia total es positivo:

θ=cos−1=PSC

V SC I SC

Entonces,

ZSE=V SC∠−θI SC∠−θ

=V SC

I SC∠θ

La impedancia en serie, ZSE, es igual a:

ZSE=Req+ jX eq=(RP+a2 RS )+ j(XP+a2 XS)

Es posible determinar la impedancia total al lado primario utilizando esta

técnica, pero no hay un camino fácil para dividir las impedancias serie en sus

componentes primario y segundario. Por fortuna, esta separación no es necesaria

para la solución de los problemas normales.

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Estas pruebas también pueden ser realizadas en el lado segundario del

transformador, si conviene hacerlo así debido a los niveles de voltaje u otras

razones. Si las pruebas se hacen en el lado segundario, los resultados darán las

impedancias del circuito equivalente, referidas al secundario del transformador y

no al primario.

CAPACIDA NOMINAL DE UN TRANSFORMADOR

También llamado valor nominal, de los cuales los transformadores

presentan se encuentran a continuación y también se suele considerar los

interrogantes sobre la corriente de irrupción.

Valores Nominales de Voltaje y Frecuencia de un

Transformador:

El voltaje nominal de un transformador cumple con dos funciones

principales:

La primera es evitar la perforación del aislamiento de los devanados del

transformador debido a la aplicación de un voltaje excesivo, esta no es la

limitante más seria de los transformadores prácticos.

La segunda función se requiere a la curva y a la corriente de magnetización

del transformador.

Si se aplica un voltaje en estado estacionario:

V (t) = Sen wt V

Al devanado primario del transformador, el flujo en el transformador está

dado por:

θ (t )= 1Np∫V (t )dt= 1

Np∫VmSenwt dt=Vmw Np

coswt

Si el voltaje aplicado v(t) en 10%, el flujo máximo resultante en el núcleo

también se incrementa en 10%. Sin embargo, por encima de cierto punto de la

21

curva de magnetización, un incremento de 10% en el flujo requiere un incremento

mucho mayor que 10% en la corriente de magnetización. Cuando se incrementa el

voltaje las corrientes de altas llegan rápidamente a ser inaceptables, así, que el

voltaje máximo aplicado queda fijado por la máxima corriente de magnetización

aceptable en el núcleo.

La frecuencia y el voltaje están relacionados de manera recíproca, si se

debe mantener constante el flujo máximo:

θmax=Vmaxw Np

Por lo cual, si un trasformador de 60 Hz se debe operar a 50 Hz, el voltaje

que se le aplique debe reducirse también en un sexto o el flujo máximo en el

núcleo será demasiado alto. Esta reducción de voltaje, aplicada con frecuencia, es

llamada derrateo. Igualmente un transformador de 50 Hz puede operarse con un

voltaje 20% más alto a 60 Hz, si esta acción no ocasiona problemas en su

aislamiento.

Potencia Aparente Nominal:

El propósito principal del valor nominal de la potencia aparente del

transformador es que juntamente con el del voltaje nominal, fijan el valor de flujo

de corriente en los devanados del transformador. La corriente en los devanados es

importante ya que controla las pérdidas en el cobre del transformador, las cuales a

su vez controlan el calentamiento de las bobinas, puesto que el calentamiento en

las bobinas es crítico ya que si se sobrecalientan, se acorta la drásticamente la

vida de su aislamiento.

Un transformador puede tener más de un valor nominal real en

voltamperes, en los transformadores reales puede haber un valor nominal en

voltamperes para el transformador y otro mayor para el transformador con

ventilación forzada, la idea de esto respecto a la potencia nominal es que la

temperatura del punto caliente de los devanados del transformador debe ser

22

limitada para proteger la vida del mismo. Por tanto, si el voltaje del trasformador se

reduce por alguna razón (por ejemplo, si se opera a una frecuencia menor que la

nominal), el valor de potencia nominal del transformador debe reducirse en igual

cantidad, si no se hace esta corrección, la corriente en los devanados del

transformador excederá la corriente máxima permisible causando sobre

calentamiento.

La Corriente de Irrupción:

Esto ocurre cuando se energiza un transformador por primera vez. Un

problema relacionado con el nivel de voltaje en el transformador es la corriente de

irrupción en el arranque. Se aplica en el momento en el que el transformador se

conecta por primera vez a la línea de potencia. La máxima altura alcanzada en el

ciclo en el primer semiciclo del voltaje aplicado depende de la fase del voltaje en el

momento de su aplicación. Si el voltaje inicial es V (t) = Vmax Sen (wt+θº), con

ángulo de 90º, el flujo inicial en el núcleo es cero, el máximo flujo sobre el primer

semiciclo será justamente igual al flujo máximo de estado estacionario:

θmax=Vmaxw Np

Puesto que este nivel de flujo es justamente el flujo de estado estacionario,

porque no causa problemas especiales. Sin embargo, si el voltaje aplicado ocurre

para V (t)=Vmax Sen wt, con Angulo igual a 0º, el flujo máximo para el primer

semiciclo está dado por:

θ=2Vmaxw Np

En este el flujo máximo es dos veces el flujo normal de estado estacionario.

Para cualquier otra fase del voltaje aplicado entre 90º, para el cual no hay

problema, 0º que constituye el peor de los casos, hay algún exceso en la corriente

que fluye. Dado que el Angulo de fase del voltaje no es controlado normalmente

en la primera energización, por lo cual se pueden presentar enormes corrientes de

23

irrupción durante varios de los primeros de los primeros ciclos después de

conectar el transformador a la línea. Tanto el transformador como el sistema de

potencia al cual se encuentra deben de ser capaces de soportar estas corrientes.

EFICIENCIA DE UN TRANSFORMADOR

Debido a que un transformador real tiene impedancia serie dentro de él, su

voltaje varía con la carga, aunque el voltaje de entrada permanezca constante.

Los transformadores son comparados y juzgados por su eficiencia. La eficiencia

de un aparato está dada por la ecuación

n=PoutP¿×100%

n=Pout

PoutPloss×100%

Estas ecuaciones se aplican a motores, los generadores y también a los

transformadores. Existen tres tipos de pérdidas que afectan el rendimiento de un

transformador como son: las pérdidas en el cobre, perdidas por histéresis y

perdidas por corrientes parasitas. También dependen estos factores:

Del valor de la potencia suministrada.

La forma del transformador.

De la calidad de los materiales con los que fue construido (núcleo y

bobinados).

El rendimiento, por ser un dato relativo (un dato de potencia medida

depende del otro dato de potencia medido). Se expresa en porcentaje.

Teniendo en cuenta estos factores se puede expresar la eficiencia de un

transformador como

n=V S I SCosθ

PCu+Pnicleo+V S I SCosθ×100%

24

La regulación de voltaje a plena carga es una cantidad que compara el

voltaje de salida del transformador sin carga (en vacío) con el voltaje de salida del

transformador a plena carga. Para un transformador ideal la regulación de voltaje

es igual a 0%, aunque no siempre es una buena idea tener una baja regulación de

voltaje ya que a veces, se utilizan adrede transformadores de alta impedancia y

alta regulación de voltaje, para reducir las corrientes De falla en un circuito.

APLICACIONES DE UN TRANSFORMADOR

El transformador incorpora componentes para protección del sistema de

distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas

internas en el transformador, para esto posee fusibles de alta tensión y disyuntor

de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y

disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador

está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque. En

instalaciones ferroviarias para suministras las grandes potencia de voltaje y

corriente que hace que estos funcionen.

EL AUTOTRANSFORMADOR

En ocasiones es necesario cambiar los niveles de voltajes únicamente en

una pequeña cantidad, ejemplo se puede necesitar cambiar de 110 a 120 V ó de

13,2 a 13,8 KV. Estos incrementos pequeños pueden ser necesarios debido a las

caídas de voltaje que ocurren en sistemas de potencia alejados a los generadores,

en estas circunstancias es muy costoso elaborar un transformador con dos

devanados independientes dimensionados para casi el mismo voltaje, por lo cual

se utiliza un tipo de transformador llamado autotransformador.

Las bobinas de transformador se muestran de manera convencional, la

relación entre el voltaje del devanado primario y el devanado secundario está dada

por la relación de vueltas del transformador. Sin embargo en la salida del

transformador, el voltaje completo es la suma del voltaje en el primer devanado y

el voltaje en el segundo devanado.

25

El primer devanado se denomina devanado común debido a que su voltaje

aparece en ambos lados del transformador.

El devanado más pequeño se denomina devanado serie, porque está

conectado en serie con el devanado común.

El lado primario de autotransformador, es decir, el lado por donde el cual

entra la potencia, puede ser el de alto o el de bajo voltaje dependiendo de si el

autotransformador actúa como reductor o como elevador, los voltajes y las

corrientes de las bobinas se relacionan por las ecuaciones.

V C

V SE

=NC

N SE

NC IC=NSE I SE

Los voltajes de los devanados se relacionan con los voltajes de los

terminales mediante las ecuaciones

V L=V C

V H=V C+V SE

Y las corrientes de los devanados se relacionan con las corrientes de los

terminales mediante las ecuaciones

I L=IC+ I SE

IH=I SE

VENTAJAS Y DESVENTAJES FRENTE AL TRANSFORMADOR

MONOFASICO

Si un transformador se reconecta como autotransformador, este puede

manejar mucha más potencia que la nominal definida originalmente.

Con respecto al valor nominal de potencia aparente de un

autotransformador sobre un transformador, la potencia aparente que entra

26

al primario y sale por el secundario del transformador mientras que la

potencia real que pasa a través de los devanados del transformador (la

restante pasa del primero al secundario si ser acoplada a través de los

devanados del transformador), notándose que cuanto menor sea el

devanado serie mayor será la ventaja de potencia.

Los devanados de un transformador suelen ser dimensionados a 5000kV

para hacer el mismo trabajo de un autotransformador de 1015kV. Por lo

cual es más provechoso construir autotransformadores con

transformadores entre dos voltajes muy cercanos.

A diferencia de los transformadores de corriente, hay una conexión física

directa entre los circuitos primarios y secundarios; de este modo se pierde

el aislamiento eléctrico de los dos lados.

Tamaños de núcleo más pequeños.

Más livianos, porque tiene un solo devanado.

Menos pérdidas de Potencia.

Más eficiencia.

Baratos.

Menos corriente para generar flujo en el núcleo.

Genera más potencia.

Resulta más fácil su construcción

Un solo Bobinando.

Se emplea menos cobre para su construcción.

Tiene menores reactancias de dispersión.

Menos pérdidas de Hierra.

Disminución de la corriente al Vacío.

Mejora de la refrigeración.

Colocar las tomas en baja tensión, requieren de tomas que estén

dimensionados para más corriente.

Tener impedancia reducida en caso de cortocircuito las corrientes serán

muy altas.

27

No tener el aislamiento entre la entrada y la salida, lo que vuelve insegura

su operación.

APLICACIONES DE UN AUTOTRANSFORMADOR

Los Autotransformadores son utilizados comúnmente en sistemas de

potencia en circuitos que necesitan ser conectados a diferentes voltajes. Como se

comentó en clase existe un autotransformador a la salida de la Hidroeléctrica

Paute (Azuay -Ecuador).

En la Industria se utiliza para conectar maquinarias fabricadas a tensiones

nominales que son diferentes de las fuentes como por ejemplo puede ser

un motor de 480V, o también pueden ser aplicados en electrodomésticos que

necesiten 100-130V o 220-250V.

En sistemas de distribución rural, donde las distancias son largas, se

pueden utilizar autotransformadores especiales con relaciones alrededor de 1:1,

aprovechando la multiplicidad de tomas para variar el voltaje de alimentación y así

compensar las apreciables caídas de tensión en los extremos de la línea. Se

utilizan autotransformadores también como método de arranque suave

para motores tipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandar una

alta corriente durante el arranque. Si se alimenta el motor conectándolo a la toma

menor de un autotransformador, el voltaje reducido de la alimentación resultará en

una menor corriente de arranque y por lo tanto en condiciones más seguras de

operación, tanto para el motor como para la instalación eléctrica.

Citaremos algunos ejemplos de aplicaciones de los autotransformadores.

28

Para enlazar redes de muy alta tensión con neutro puesto

a tierra (típicamente una red de 400 kV con una red de 220 kV).

Para enlazar redes de media tensión con neutro aislado (ambas), por

ejemplo una red de 20 kV de una compañía eléctrica con una red de 15 kV

de la misma compañía.

Como pequeños transformadores domésticos 220/127 V.

Para arranque de motores asíncronos.

ANEXOS

29

Transformador

Sin transformadores en el

extremos de la línea de

transmisión

30

Sistemas de potencias

Con transformadores en el

extremos de la línea de

transmisión

Curva de magnetización de la

corriente Real

Modelo de un transformador

real

31

Transformador real con carga

conectada al secundario

Curva de histéresis del

transformador

Diagrama de un Transformando

Ideal

Símbolos esquemáticos de un

Transformador

32

Curva de magnetización de un

transformador ideal

Construcción de un

transformador tipo núcleo

Construcción de un

Transformador tipo Acorazado

Corrientes de magnetización según

la frecuencia de operación

33

Flujos mutuo y disperso en

el núcleo

Problema de corriente de

irrupción

Diagrama de un transformador

de corriente

Ensayos a cortocircuito

34

Conexión para prueba de

circuito abierto

El Autotransformador

Conexión de un autotransformador

Aplicaciones de un

autotransformador

35

Conexión de autotransformador

como Reductor Placa característica de un

transformador

CONCLUSION

Los transformadores son aparatos que poseen un alto grado de complejidad en

su estructura, su función básicamente es el de transferir una potencia estable a

través de las transformación y regulación de energía eléctrica de cierto nivel de

voltaje. Los transformadores constituidos por bobinas de un tipo e alambre

conductor generalmente cobre que se encuentran arrollados alrededor de un

núcleo creando de esta manera un campo magnético , principio por el cual operan

estos tipos de aparatos eléctricos. La conexión que existe entre las bobinas de

este es el flujo magnético común que está dentro del núcleo.

Unos de las invenciones más productivas es el trasformador porque a pesar de

la sociedad no está muy relacionada con ella es fundamentas en la líneas

36

eléctricas que suministran energía eléctrica a todos los hogares, oficinas y todas

aquellos lugares donde sea necesario la energía eléctrica.

Entre los tipos de estudiar en transformador se tiene un comportamiento ideal

que claro está que en la realidad es imposible de que ocurra ya que dicho aparato

es perfecto y las entradas de voltaje o corrientes son muy exactas lo cual no

podemos controlar en su totalidad al momento de realizar pruebas con uno

verdadero. Por este motivo los transformadores utilizados en la vida diaria fuera de

un libro de texto como reales asociados a la realidad, aunque estudiarlos como

ideales nos ayuda a conocer sus máximos rendimientos a unas condiciones

perfecta. Los transformadores reales se encuentran afectados por las pérdidas de

voltaje y corriente que afectan de una manera mínima o máxima su eficiencia.

Los autotransformadores es un tipos de transformador se utilizan para

estabilizar los voltajes debido a las caídas de voltajes que ocurren en sistemas

de potencias alejados de la ubicación de los generadores.

La posición de los devanados de este aparato nos indica cómo se encuentra

conectado, lo cual radica como diferencia entre un transformador convencional y

un autotransformador.

BIBLIOGRARFIA

MAQUINAS ELECTRICAS, TERCERA EDICION, STEPHEN J. CHAPMAN.

http://www.cpraviles.com/fpblog/ELE/

ELECTROTECNIA_TRANSFORMADORES.pdf

http://html.rincondelvago.com/transformador-ideal.html

http://www.monografias.com

personales.unican.es/rodrigma/PDFs/autotrafos.pdf.

www.nichese.com/trans-auto.html es.wikipedia.org/wiki/Autotransformador

www.transformadores.net/productos/otros/autotransformadoes

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