trafoIEE

Ciclo Medio Pag. 27 Instalaciones de distribución “IND”

“Técnico en inst. elect.. y automáticas” © Juan González Caturla

1. GENERALIDADES 2. CONSTITUCIÓN 3. DESIGNACIÓN DE BORNES 4. FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN DE VACÍO 5. FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN DE CARGA 6. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES 7. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS TRANSFORMADORES

7.1. Potencia nominal

7.2. Tensión nominal primaria.

7.3. Tensión máxima de servicio

7.4. Tensión nominal secundaria

7.5. Intensidad nominal primaria

7.6. Intensidad nominal secundaria

7.7. Tensión de cortocircuito

8. TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

8.1. Grupos de conexión e índice horario

9. ACOPLAMIENTO EN PARALELO DE TRANSFORMADORES 10. ELEMENTOS DE PROTECCIÓN DE UN TRANSFORMADOR 11.- TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD

11.1. Particularidades de los transformadores de intensidad

11.2. Tipos y símbolos de transformadores de intensidad

12. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN 13. PÉRDIDAS EN UN TRANSFORMADOR 13.1 PÉRDIDAS EN EL COBRE “PCu” 13.2 PÉRDIDAS EN EL HIERRO “PFe” 14. ENSAYO DE VACÍO 15. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO 16. RENDIMIENTO 17. MEDIDA DE AISLAMIENTO BIBLIOGRAFÍA: Instalaciones eléctricas de enlace A. Guerrero – McGraw-Hill Mantenimiento máquinas eléctrica Paraninfo Pequeños transformadores R. Kühn – Marcombo Apuntes Internet. Rivas Rolando



1. GENERALIDADES Máquina eléctrica de funcionamiento estático que transforma los valores U1, I1 de una red primaria (A.T.) a otros

valores U2, I2 (B.T.) de una red secundaria. Lo más característico de un transformador es:

� Es una máquina estática, es decir, carece de órganos móviles en su funcionamiento, ello le evita pérdidas por rozamientos y averías.

� No genera modificación del tipo de energía: En. Eléct 1ª ⇒⇒ Trafo. ⇒⇒ En. Eléct 2ª

� Solo funciona en C.A. � Es de funcionamiento reversible.

Los símbolos más utilizados para su representación son: 2. CONSTITUCIÓN: � Circuito eléctrico primario: Bobinado de cobre de muchas espiras (N1) de sección no muy gruesa (S1), se conecta a

la Alta Tensión (U1) y por él circula una corriente (I1) de valor no muy elevado. � Circuito eléctrico secundario: Bobinado de cobre de pocas espiras (N2) de sección muy gruesa (S2), en él se induce

la Baja Tensión (U2) y circula, cuando se le conecta carga, una corriente (I2) de valor elevado. � Elemento refrigerante: Depende del tipo de transformador, si son de poca potencia y baja tensión, son de

aislamiento seco, es decir, el aire hace de refrigerante. En los de gran potencia y alta tensión, las bobinas se introducen en unas cubas con aceite mineral o se encapsulan en resina.

� Circuito magnético: conjunto de chapas ferromagnéticas apiladas y aisladas entre sí por barniz aislante.



TRANSFOMADOR MONOFÁSICO

TRANSFOMADOR TRIFÁSICO

CIRCUITO MAGNÉTICO

ARROLAMIENTOS O BOBINADOS A.T.

Se construyen con hilos esmaltados o pletinas aisladas con papel dieléctrico



ARROLAMIENTOS O BOBINADOS B.T.

Se construyen con hilos esmaltados o pletinas aisladas con cartón prespán con rombos de resina

MONTAJE

LISTO PARA EL LLENADO CUBA



Los transformadores de distribución son los que se emplean generalmente para la distribución de energía en

B.T. a las ciudades y fábricas de tamaño medio. Las potencias normalizadas son:

50 - 100 - 160 - 250 - 400 - 630 KVA

Transformador de caseta Transformador de poste

Transformador con dieléctrico líquido de aceite Transformador con dieléctrico seco de resina epoxi



Cuba: Deposito que contiene el líquido refrigerante (aceite) y donde van inmersos los bobinados y el núcleo del transformador. Pasatapas de MT: Son los encargados de realizar la conexión los bobinados primarios con la red de MT Pasatapas de BT: Son los encargados de realizar la conexión los bobinados secundarios con la red de salida de BT. Depósito de expansión: Se sitúa en la parte superior de la cuba y comunicado con ella, permite asegurar la inundación total de la cuba, a la vez que sirve de cámara de expansión del aceite ante las variaciones de temperatura que éste sufre durante el funcionamiento. Indicador del nivel de aceite: Ventanilla circular para observar el nivel del aceite del transformador a diversas temperaturas (entre los 0º y 100º C). Dispone de una marca de nivel a 20ºC Termómetro o termostatos: Indican la temperatura del aceite del transformador y en algunos casos provocan la apertura o hacen sonar una alarma cuando se llega a temperaturas peligrosas. Placa de características: En ella se indican características como: Tensiones nominales, Potencia, Intensidades, Tensión de cortocircuito, Grupo de conexión e Índice horario...

Pasatapas de MT Pasatapas de BT

Cuba

Depósito de expansión

Indicador del nivel de aceite

Termómetro de control de temperatura

Placa de características



CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR SECO:

3. DESIGNACIÓN DE BORNES: La designación de bornes de los lados de alta y baja tensión se realiza en la tapa de la cuba del transformador

A B C

n a b c

1U 1V 1W

2n 2u 2v 2w



6. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES:

� Transformadores de distribución de potencia: ⇒⇒ 2211 .. UIUIP == = constante

� Trafos. de medida: Para medida de las magnitudes ⇒⇒ de tensión y de intensidad

� Medio ambiente: de intemperie y de interior. � Aislante: de aislamiento seco (aire o resinas) , de aislamiento liquido (aceite)

� Núcleo: columna o acorazados.

� Devanado: separados o concéntricos.

Transformador monofásico de Transformador monofásico acorazado columna con bobinados separados o de núcleo central con bobinados concéntricos

Transformador trifásico de columna con bobinados concéntricos � Según el elemento utilizado como refrigerante:

� Aceite mineral: Es el refrigerante más antiguo, tiene como principales ventajas el ser biodegradable y su larga vida, su principal inconveniente es que es combustible.

� Aceites PCB (Piraleno): Ha dejado de utilizarse debido a que emana gases tóxicos, su utilización se debió a que no era combustible.

� Aceite de silicona: Es biodegradable y presenta una combustión a 320º C � Resina: Tendencia actual, los devanados van encapsulados en vacío mediante resina fundida

Transformador de resina Transformador de aceite



4. FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN DE VACÍO. � Al conectar el bobinado primario (B1) a la tensión (U1), por él circula una corriente (Io) que da lugar a un flujo

magnético (φ).

� Este flujo (φ) es conducido por el núcleo hacia el bobinado secundario (B2).

� Al ser el flujo magnético de valor variable, por ser la corriente que lo genera variable (C.A.), el flujo (φ) induce o produce en el bobinado secundario (B2) una tensión que llamamos tensión inducida (U2).

� En corriente continua al no ser el flujo magnético (φ) variable no se induce tensión en el devanado secundario

La relación entre las tensiones primaria y secundaria viene dada por la relación de espiras: 5. FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN DE CARGA.

Cuando al secundario del transformador (N2) se le conecta una carga (Z) se tiene:

• Al conectar el bobinado primario (N1) a la tensión (U1) por él circula una corriente (I1) “corriente primaria de

carga” que da lugar a un flujo magnético (φφφφ1).

• Al estar cerrado el bobinado secundario circula una corriente (I2) “corriente secundaria de carga” que da lugar a

un flujo magnético (φφφφ2)

• La unión de estos dos flujos en el núcleo da como resultante el flujo de vacío (φφφφ). Este flujo induce en el secundario la tensión (U2)

φφφ =+ 21 Flujo magnético de vacío

I1 I2

U1 ∼∼∼∼ N1 N2 U2 ∼∼∼∼ Z

mN

N

U

U==

2

1

2

1

φ1 φ2

tNU

∆∆= φ

.2

U1 N1

∼∼∼∼

Corriente de vacío

Io

Flujo magnético

φ

N2 U2

∼∼∼∼

En el secundario no hay corriente ya que el circuito está abierto



La relación entre las corrientes primaria y secundaria viene dada por la relación de espiras: mN

N

I

I==

2

1

1

2

La potencia del transformador permanece invariable: ⇒⇒⇒⇒ 2211 .. UIUIP ==

7. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS TRANSFORMADORES

7.1. POTENCIA NOMINAL: Potencia aparente que puede suministrar el secundario de un transformador, referida a la tensión nominal en las condiciones de temperatura preestablecidas. Su expresión es:

UIS ..3= S = Potencia nominal (KVA) Temperatura máxima del cobre = 65º C

U = Tensión nominal (KV) Temperatura máxima del aceite = 60º C

I = Intensidad nominal (A) Temperatura máxima ambiente = 40º C

POTENCIAS NOMINALES NORMALIZADAS

Sobre poste En caseta

25 KVA 50 KVA 100 KVA

250 KVA 400 KVA

630 KVA

7.2.TENSIÓN NOMINAL PRIMARIA: Es la tensión de alimentación del transformador, pudiendo existir transformadores con dos tensiones nominales primarias. 7.3.TENSIÓN MÁXIMA DE SERVICIO: Es el nivel de tensión mayor para el que esta fabricado el transformador y funcionando en régimen permanente.

Tensión nominal primaria (KV) Tensión máxima de servicio (KV)

20 24



7.4. TENSIÓN NOMINAL SECUNDARIA: Es la tensión que se obtiene en bornes del secundario cuando se alimenta al circuito primario con la tensión nominal. Su valor suele estar aumentado en un 5% respecto a los valores usuales de red para compensar las caídas de tensión.

Clase

Tensión nominal secundaria

B1 230/133 V

B2

398/230 V 400/231 V 420/242 V

7.5. INTENSIDAD NOMINAL PRIMARIA: Es la intensidad que recorre el devanado primario cuando este se encuentra suministrando la potencia nominal.

1

1.3 U

SI =

7.6. INTENSIDAD NOMINAL SECUNDARIA: Es la intensidad que recorre el devanado secundario cuando este se encuentra suministrando la potencia nominal.

2

2.3 U

SI =

7.7. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO: Es la tensión que hay que aplicar al primario para que, estando en cortocircuito el secundario, circule por él su intensidad nominal.

• La tensión de cortocircuito (Ucc) se suele expresar en % de la tensión nominal primaria (ucc):

100

. 1UuU cc

cc = suele estar en torno al 4 o 6% de U1

• Cuando se precisa acoplar transformadores en paralelo, éstos han de tener el mismo valor de “ucc”

Ucc

∼∼∼∼

∼∼∼∼

1U 1V 1W

2N 2U

2V

2W

A In



8. TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS: El transformador trifásico puede considerarse constituido como la conexión entre sí de tres transformadores

monofásicos, sin embargo, para su construcción se emplea un núcleo con tres columnas alineadas donde se arrollan los respectivos bobinados primarios y secundarios. 1U Se obtienen de esta manera tres primarios y tres 1X secundarios cuyos terminales se unen entre sí de las siguientes formas: 2U 2X

DENOMINACIÓN ESQUEMA SÍMBOLO LETRA

PRIMARIO SECUNDARIO

ESTRELLA

Y

y

TRIANGULO

D

d

ZIG-ZAG

Z

z

8.1. GRUPOS DE CONEXIÓN E INDICE HORARIO:

El grupo de conexión constituye el convenio sobre la utilización de letras para designar las diferentes conexiones de primario y secundario:

Grupo de conexión: D y Grupo de conexión: D z Grupo de conexión: Y d

El índice horario es un número que multiplicado por 30º, define el ángulo de desfase entre las tensiones primarias y secundarias. Este número corresponde con la hora que indicaría la aguja pequeña de un reloj (tensión

secundaria) y la aguja grande estuviera en las doce (tensión primaria):



12 12 12 12 9 3 9 3 9 3 9 3 6 6 6 6

Indice “0” Indice “11” Indice “6” Indice “5”

Los grupos de conexión e índices horarios a utilizar son: • Yzn11, hasta Potencia de 160 kVA • Dyn11, para potencias superiores

9. ACOPLAMIENTO EN PARALELO DE TRANSFORMADORES:

Cuando la potencia demandada por los usuarios es superior a la que puede aportar un transformador, se hace necesario acoplar nuevos transformadores a la red. El acoplamiento se hace en paralelo y se deben cumplir las siguientes condiciones:

L1

L2

L3

1U 1V 1W 1U 1V 1W

1U 1V 1W 1U 1V 1W

N 2U 2V 2W N 2U 2V 2W

L1

L2

L3

N

Se deben conectar los mismos bornes a los mismos cables de fase

� Que posean igual relación de transformación � Que posean igual tensión de cortocircuito � Que posean la misma o similar potencia � Que posean el mismo índice horario



10. ELEMENTOS DE PROTECCIÓN DE UN TRANSFORMADOR: FUSIBLES: � Su funcionamiento está basado en la fusión de un elemento conductor debido al calor producido por efecto Joule,

proporcional de forma cuadrática a la intensidad que lo recorre. � Realizan la protección contra cortocircuitos, no siendo adecuados para realizar la protección contra sobrecargas,

excepto los de tipo especial llamados "Full Range" cuyas curvas de fusión si permiten realizar esta función. � Están constituidos por una cinta conductora de plata con diseño especial arrollada sobre un elemento cerámico

llamado cruceta, situados en el interior de una envolvente cerámica o de fibra de vidrio, estando el interior lleno de sílice de granulometría adecuada, resultando un conjunto estanco con elementos de contacto llamados cazoletas en ambos extremos.

� El diseño de la cinta de plata, en función de la intensidad nominal de diseño, es de sección variable, de modo que, al presentarse un cortocircuito, comienza a fundir por estos estrechamientos de modo que se produce un arco dividido y múltiples aperturas al mismo tiempo.

� El calor generado provoca la fusión de la sílice que lo rodea, formando un compuesto aislante llamado fulgurito, enfriando al mismo tiempo el arco.

� Al realizarse la fusión se libera un elemento percutor asociado al elemento fusible y retenido hasta ese momento por un muelle, de modo que puede, por medio de un sistema de timonería adecuado, producir la apertura del interruptor, maniobra que se realiza ya sin carga.

� La selección de un fusible depende de la tensión e intensidad nominal de la instalación a proteger, siendo la intensidad nominal del fusible muy superior a la nominal de la instalación, ya que debe soportar sin fundir las crestas de corriente producidas por la puesta en marcha del correspondiente transformador.

Elección del Fusible



En el caso de los fusibles de expulsión a utilizar en una derivación a un centro de transformación se utilizará la tabla siguiente, siendo los fusibles de curva tipo K (fusión rápida)

La protección contra cortocircuitos del transformador de un C.T. queda asegurada por la acción de los fusibles

del elemento de protección ruptofusible, sin embargo, la acción continuada de sobrecargas de carácter débil no hace accionar los fusibles pero si puede originar calentamientos en la máquina que a la larga pueden resultar perjudiciales, para proteger al transformador de este tipo calentamientos se emplean los elementos:

♦ Termómetro de esfera: Se sitúan en contacto con el aceite del transformador y disponen de contactos ajustables a la temperatura deseada, cuando se alcanza un valor de temperatura considerado peligroso se activa un circuito eléctrico que abre el ruptofusible

♦ Relé Buchholz: Se sitúan en contacto con el aceite del transformador, los incidentes eléctricos que puedan afectar a los bobinados sumergidos en aceite se traducen en una emisión de gases que el relé Buchholz es capaz de detectar y mandar una señal de apertura del ruptofusible

♦ Desecador de silicagel: Tiene como misión secar el aire que entra al transformador como consecuencia de la disminución del nivel de aceite. Está formado por un recipiente que contiene gravilla de gel de sílice cuyo color es azul cuando esta en buen estado tornándose rosáceo cuando ha absorbido exceso de humedad.

.

Relé integrado de

seguridad



Relé electromecánico. Protección directa:

Se trata de un elemento de tipo magnetotérmico instalado en serie en el circuito principal que soporta todas las incidencias que puedan ocurrir en el mismo, y que provoca la apertura del interruptor al sobrepasar el valor prefijado de intensidad por medio de un percutor y timonería de disparo. � Para la protección contra sobrecargas están constituidos por un bimetal que provoca el disparo en función de la

curvatura que adquiere por calentamiento. � Para la protección contra cortocircuitos están constituidos por una bobina que en función del campo producido

por la intensidad que la atraviesa provoca la actuación de un elemento percutor que actúa sobre el aparato al que está asociado de modo que provoque su apertura.

Relé tipo RTE 4b In = 7 A Int. regulable de 1 a 1,6 In montado sobre la mordaza del fusible y conectado a la timonería de disparo del interruptor Relé electrónico. Protección indirecta:

Se trata de un relé electrónico incorporado, o no, en el aparato correspondiente que recibe una señal proporcional a la intensidad que circula por el circuito principal, a través de elementos tales como transformadores de intensidad, y que provoca la apertura del mismo al sobrepasar el valor prefijado de intensidad por medio de una señal de apertura a través de la bobina de disparo incorporada en el aparato.

Normalmente, si el relé se incorpora en el aparato o celda correspondiente recibe la señal de transformadores toroidales atravesados por el circuito principal, o a través de los transformadores del equipo de medida, que necesariamente en este caso deben de disponer de un doble devanado secundario, uno para medida y otro para protección.



11.- TRANSFORMADOR DE INTENSIDAD: Su misión básica es obtener una corriente proporcional y menor a la que discurre por una línea de alimentación,

con el fin de aplicarla al funcionamiento de un instrumento de medida.

El nº de espiras del primario es menor que el de I1 secundario, ello resulta evidente ya que: P1 S1 I2

mN

N

I

I==

2

1

1

2 como I2 < I1 ⇒ N2 > N1

P2 S2

La relación de transformación se halla: K = I1/ I2 Receptor Sus características principales son:

� El primario se conecta en serie con el circuito, por ello es reconocible ya que debe poseer pocas espiras de hilo

grueso (para no producir c.d.t. en la línea). � La intensidad secundaria está normalizada en 5 A, sólo en casos en los que la distancia entre el transformador y el

aparato de medida sea muy grande se usan intensidades secundarias de 1 A. � Los valores estandarizados para la intensidad primaria son: 5, 10, 15, 25, 30, 75, 100, 150, 1500, 2000, 3000, 4000,

6000, 10.000 A.

� El secundario se conecta a tierra como norma de seguridad, con el fin de evitar la aparición de tensiones peligrosas en caso de un fallo de aislamiento entre primario y secundario.

� A la hora de conectar instrumentos de medida, no debe sobrepasarse la potencia nominal del transformador (5,

10, 15, 30, 50, 75, 100 VA)

� El secundario está trabajando permanentemente muy próximo al régimen de cortocircuito, ya que la impedancia de los amperímetros o de las bobinas de intensidad de cualquier instrumento de medida son muy bajas.

11.1.- PARTICULARIDADES DE LOS TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD:

Es de interés resaltar las diferencias existentes, en su forma de trabajo, de estos transformadores, respecto a los de tensión y potencia: � El primario va conectado en serie con el circuito principal. En los de potencia y tensión lo está en paralelo. � Entre los bornes P1 y P2 no hay una tensión de valor elevado ni constante, como sucede en los de potencia y

tensión (tensión de red). En este caso, la tensión primaria es la caída de tensión que produce el bobinado primario en la línea principal. Por tanto, si varia la corriente de carga, como I1 hace de corriente de vacío, pudiesen generarse tensiones secundarias peligrosas.

� Es totalmente improcedente dejar el secundario a circuito abierto, ya que el primario sigue conectado a la red y toda la corriente primaria pasa a ser de excitación, sin existir corriente secundaria que la contrarreste. Ello puede dar lugar a tensiones secundarias peligrosas. Por este motivo, si es necesario desconectar el secundario, previamente se debe cortocircuitar el mismo en los bornes de salida del tafo. de intensidad.

11.2.- TIPOS Y SIMBOLOS DE TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD:

Transformador de barra pasante: El primario lo constituye el propio conductor, pletina o cable que transporta la corriente que se quiere medir: Se utilizan desde 50 a 10000 A de intensidad primaria. S1 S2

A



Transformador con primario devanado: Las dos bobinas se arrollan sobre el núcleo magnético. S1 S2 S1 S2 P1 P1 P2 P2

Los símbolos y esquemas más usuales de conexionado de transformadores de intensidad son los indicados en

las figuras. P1 P1 S1 S1 S2 S2 P2 P2

12.- TRANSFORMADORES DE TENSIÓN: Su misión es obtener una tensión proporcional y menor a la de una determinada red.

• El número de espiras del primario es mayor que el del secundario.

2

1

2

1

N

N

U

U= ; como U2<U1 ⇒⇒⇒⇒ N1>N2

P1 S1

U1 U2 • Su funcionamiento es análogo al de potencia.

P2 S2 • El primario se conecta en paralelo a la red.

• La relación de transformación se obtiene: K = U1 / U2

• Los valores normalizados para la tensión primaria son: 110, 220, 380, 440, 2200, 3300, 5500, 6600, 11000

● El valor normalizado de tensión secundaria es de 110 V

V

Receptor



• Al igual que en los de intensidad se debe conectar a tierra el secundario como medida de seguridad.

• No debe sobrepasarse el valor de la potencia nominal del transformador, siendo las potencias normalizadas: 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400 V.A.

• Dada la alta impedancia de las bobinas voltimétricas, éstos transformadores trabajan muy próximos al régimen de vacío, por tanto, no hay ningún inconveniente en dejarlos a circuito abierto.

Los símbolos y esquemas de conexión más usuales de transformadores de tensión son: P1 P2 P1 P2 S1 S2 S1 S2

PROTECCIÓN AMBIENTAL:

Schneider Electric, especialista global en gestión de la energía, lanza los nuevos transformadores de llenado integral de éster vegetal Natura, diseñados especialmente para minimizar los riesgos de daño ecológico y contra la salud. Estos transformadores de distribución utilizan el éster vegetal como dieléctrico líquido, que se obtiene a partir de aceite de semillas.

� Los transformadores Natura van desde los 250 a los 2000 kVA y posee un

aislamiento: ≤36KV/420V. � Para potencias superiores se dispone de la gama Vegeta.

El transformador Natura de Schneider Electric presenta aspectos muy ventajosos como, por ejemplo, el hecho de ser biodegradable en más de un 99% en 43 días (en medios acuáticos y terrestres), además de ser reciclable, no tóxico y estar exento de PCB. Las características de este dieléctrico amplían la vida del sistema de aislamiento entre 5 y 8 veces, debido a su mayor capacidad de absorción de la humedad que disminuye el envejecimiento del papel usado en los aislantes. También permiten un aumento de la sobrecarga admisible y la prolongación de la vida de los aislantes y el transformador. El éster vegetal es un material reciclable, pudiéndose transformar en biodiesel o

mezclarlo con fuel-oil para calderas y hornos industriales. En definitiva, los transformadores de llenado integral de éster vegetal Natura pueden utilizarse para las mismas aplicaciones que los transformadores de silicona, añadiendo grandes ventajas medioambientales y ofreciendo una mayor prolongación de su vida útil.



13. PÉRDIDAS EN UN TRANSFORMADOR: Al ser el transformador una máquina de funcionamiento estático, su nivel de pérdidas es muy bajo, ahora bien,

ninguna máquina trabaja sin pérdidas y en un transformador se pueden clasificar en: � Pérdidas por corrientes de Foucault en el núcleo “PF” � Pérdidas por histéresis magnética en el núcleo “PH” � Pérdidas por efecto Joule en los devanados “PJ”

Las pérdidas por Foucault y por Histéresis se generan en el núcleo del transformador, razón por la cual, son

denominadas pérdidas en el hierro: PFe = PF + PH

Las pérdidas por efecto Joule se producen por calentamiento de los devanados, razón por la cual, son

denominadas como pérdidas en el cobre: PCu = PJ1º + PJ2º 13.1 PÉRDIDAS EN EL COBRE “PCu”:

• Se producen por efecto Joule debido a la resistencia de los bobinados y dependen del valor de la intensidad que los atraviesa:

222

21121 IRIRPPP JJCu ⋅+⋅=+=

13.2 PÉRDIDAS EN EL HIERRO “PFe”: � Pérdidas por corrientes de FOUCAULT:

• Se producen en cualquier material conductor, cuando están sometidas a variaciones de flujo magnético.

• Como los núcleos de los transformadores son de aleaciones de acero, cuando éstos quedan sometidos a variación de flujo magnético, se inducen en ellos unas corrientes parásitas que reciben el nombre de corrientes de Foucault. Estas corrientes originan calentamiento del núcleo y las consiguientes pérdidas por calor.

• Las pérdidas por corrientes de Foucault, dependen del tipo y espesor de la aleación que se emplee como núcleo, normalmente se emplean aleaciones de Fe-Si laminado en frío. Para el cálculo de estas pérdidas se emplea la fórmula:

11

2max

2

10

2,2 ∆⋅⋅⋅=

BfPF

PF: Pérdidas por corrientes de Foucault (W/Kg) f: Frecuencia Bmax: Inducción magnética (Gauss) Δ: Espesor de la chapa magnética (mm)

En ella se puede ver que si aumenta la frecuencia y el espesor de la chapa, aumentan las pérdidas por Foucault.

En las máquinas eléctricas se procura EVITAR al máximo la circulación de ESTAS CORRIENTES, cortando el camino eléctrico por medio de núcleos especiales: NUCLEOS DE CHAPA: Para frecuencias bajas se utilizan los núcleos de chapa. Estos consisten en una serie de chapas de material ferromagnético de pequeño grosor apiladas, recubiertas cada una de ellas de barniz aislante. Las chapas permiten el paso del flujo magnético, pero no el de las corrientes de Foucault, ya que estas son perpendiculares a aquél.



NUCLEOS DE FERRRITA: Para frecuencias altas es insuficiente el aislamiento que se consigue con los núcleos de chapa y se recurre a unos

materiales especiales denominados ferritas; estos están formados por gránulos de material ferromagnético separados por un cemento cerámico. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos, compuestos por hierro, boro y bario,

estroncio o molibdeno. Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos.

NUCLEOS DE AIRE:

Para frecuencias muy altas se recurre a dejar la bobina sin

núcleo ferromagnético, y se dice que tiene núcleo de aire. Como éste es un buen aislante eléctrico, la pérdida por corrientes de Foucault en este tipo de bobinas es prácticamente nula.

No siempre son indeseables las corrientes de Foucault.

Algunas veces se aprovecha su efecto calorífico para aplicaciones industriales o domésticas. Tal es el caso de la fusión del platino (infusible a la llama) o de los hornos microondas.

� Pérdidas por HISTÉRESIS magnética: Cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo magnético, cesa la aplicación

de éste, el material no anula completamente su magnetismo, sino que permanece un cierto magnetismo residual. Para desimantarlo será precisa la aplicación de un campo contrario al inicial. Este fenómeno se llama

HISTERESIS magnética, que quiere decir, inercia o retardo.



La figura representa el llamado CICLO DE HISTERESIS (también lazo o bucle de histéresis) de un determinado material magnético. Se supone que una bobina crea sobre dicho material magnético una intensidad de campo H, el cual induce en ese material magnético una inducción magnética de valor B.

- A una intensidad de campo H0 le corresponderá una inducción de valor B0. - Si ahora aumenta H (aumentando la corriente que circula por la bobina) hasta un valor H1, B también

aumentará hasta B1. - Pero si ahora restituimos H a su valor inicial H0 , B no vuelve a B0 , sino que toma un valor diferente B2.

(Obsérvese que el camino "a la ida" es distinto que "a la vuelta" lo que implica que para restituir la inducción en el núcleo a su primitivo valor, es preciso aplicar una corriente suplementaria de signo opuesto).

- El punto ”S” representa la saturación del núcleo magnético. Una vez saturado el núcleo, B no puede aumentar por mucho que lo haga H.

Cada material tiene su propio lazo de histéresis característico. Hay veces en que interesa acentuar la histéresis,

como ocurre en los núcleos de las memorias magnéticas, por lo que se fabrican ferritas de ciclo como el de la figura siguiente:

Otras veces por el contrario, como ocurre en la mayoría de las máquinas eléctricas (transformadores, motores,

generadores), interesa un núcleo cuyo ciclo de histéresis se lo más estrecho posible ( el camino "a la ida" coincida con el camino "a la vuelta") y lo más alargado posible (difícilmente saturable), como el de la figura siguiente:

La pérdida de potencia por histéresis depende, esencialmente, del tipo de chapa magnética empleada, esta

potencia perdida se puede evaluar mediante la fórmula de Steinmetz:

n

hH BfKP max⋅⋅=

Kh: Coeficiente de cada material f: Frecuencia (hertzios) Bmax: Inducción máxima (Teslas) n: 1,6 para B < 1 Tesla ---- 2 para B> 1 Tesla



Como se puede ver, tanto las pérdidas en el cobre “PCu” como las pérdidas en el hierro “PFe”se pueden determinar mediante las fórmulas expuestas, sin embargo, en el caso de los transformadores mucho más práctico determinarlas mediante los ensayos:

� Ensayo de vacío �� Pérdidas en Hierro � Ensayo de cortocircuito �� Pérdidas en Cobre

14. ENSAYO DE VACÍO:

Este ensayo proporciona mediante la lectura directa de los instrumentos que se indican en el esquema la potencia perdida en hierro “PFe”

� En el ensayo de vacío el bobinado secundario esta abierto, por tanto, por él, no circulará ninguna intensidad

(I2 = 0) y las tensiones primaria y secundaria coinciden con las nominales del transformador.

� La lectura del vatímetro es el consumo de potencia del transformador en esas condiciones, como no hay carga, corresponde con las pérdidas en el hierro más las pérdidas en el cobre (Joule).

� El bobinado secundario la pérdida por efecto Joule es cero (I2 = 0) y en bobinado primario son despreciables ya que (PJ1 = R1 . I0

2) como la corriente de vacío “I0” es un valor muy pequeño, las “PJ1” son despreciables.

� Se puede afirmar que vatímetro del primario indica las PÉRDIDAS EN EL HIERRO (Histéresis + Foucualt)

“PFe = PH + PF” En resumen, los valores obtenidos del ensayo de vacío son:

• Voltímetro 1º: Tensión nominal primaria “U1n”

• Voltímetro 2º: Tensión nominal primaria “U2n”

• Amperímetro 1º: Corriente de vacío “Io”

• Vatímetro: Pérdidas en el hierro “PFe”

• Con estos valores, se pueden obtener el “cosφo” on

Feo IU

P

⋅=

1

cosϕ

V1

V2

W

A

Io U1n

U2n

PFe



15. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO: Este ensayo proporciona mediante la lectura directa de los instrumentos que se indican en el esquema la

potencia perdida por efecto o pérdidas en el cobre “PCu”

� En este ensayo se CORTOCIRCUITA el secundario.

� En esas condiciones, se va dando tensión progresiva al primario, hasta los amperímetros “A1” y “A2” marcan los

correspondientes valores nominales “I1n” e “I2n”.

� En ese momento el voltímetro “V1” indica el valor de la tensión de cortocircuito del transformador “Ucc”

� El vatímetro nos indica el consumo de potencia por efecto JOULE, para los valores nominales de corriente:

222

21121 nnJJCu IRIRPPP ⋅+⋅=+=

� En esas condiciones las pérdidas en el hierro son muy pequeñas respecto a las del cobre y no se consideran.

En resumen los valores obtenidos del ensayo de cortocircuito son:

• Voltímetro 1º: Tensión de cortocircuito “Ucc”

• Amperímetro 1º: Corriente nominal primaria “I1n”

• Amperímetro 2º: Corriente nominal secundaria “I2n”

• Vatímetro: Pérdidas en el cobre “PCu” o pérdidas en ensayo de cortocircuito “Pcc”

• Con estos valores, se pueden obtener el “cosϕcc”: ncc

cccc IU

P

1

cos⋅

=ϕ

• Tensión porcentual de cortocircuito: n

cccc U

Uu

1

100⋅=

• Impedancia, resistencia e inductancia de cortocircuito:n

cccc I

UZ

1

= ; 2

1n

cccc I

PR = ;

22cccccc RZX −=

16. RENDIMIENTO:

El rendimiento de un transformador se define como el cociente entre la potencia cedida al exterior por el bobinado secundario y la potencia absorbida por el bobinado primario:

1

2

P

P=η

Para determinar el rendimiento se pude proceder de dos formas:

V1

A2

W

A1

I1n Ucc

I2n

Pcc



Método directo: Mediante la lectura directa de dos vatímetros conectados a primario y secundario

%1001

2 =⋅=W

Wη

Este método no es aconsejable para transformadores de mediana y gran potencia puesto que al hacer medidas

se pueden cometer errores importantes. Método Indirecto: Se calculan las pérdidas mediante los ensayos de vacío y cortocircuito y se aplica la expresión:

FeCu PPP

P

++=

2

2η

Como las pérdidas en el “Cu” dependen de la intensidad (carga) su valor para cualquier régimen de carga se

determinará mediante la expresión: ccCu PCP ⋅= 2

Donde “C”es el índice de carga: nn I

I

I

IC

1

1

2

2 ≅=

17. MEDIDA DE AISLAMIENTO:

La medida de aislamiento consiste en verificar el total aislamiento de los circuitos eléctricos del transformador entre sí, y entre éstos y las partes metálicas del transformador. Un aislamiento defectuoso no detectado por el comprobador de continuidad puede provocar cortocircuito en el transformador y generar mayores problemas en el funcionamiento, además de poner en peligro a las personas que estén cerca de éstos. Para ello se utiliza un aparato de medida llamado «medidor de aislamiento» o megóhmetro. El ensayo consiste en medir entre masas y los bobinados una tensión entre 500 y 1 000 voltios en corriente continua suministrada por el medidor de aislamiento (megger).

Para que la resistencia de aislamiento cumpla los límites establecidos por el Comité Electrotécnico Internacional, el valor mínimo será: Rais = U ·1 000

Donde: Rais = resistencia de aislamiento en MΩ, con un mínimo de 250 000 MΩ . U = tensión más elevada de la máquina en voltios

Z

W1 W2

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