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Universidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de IngenieríaEscuela de Mecánica EléctricaInstituto Tecnológico Universitario Guatemala Sur Ing. Jorge Gil erto Gon!ále! "adilla#a oratorio de Ingeniería Eléctrica $

T%&'SF(%M&)(%ESE#ECT%IC(S

%onald &ndre Castillo '*+era Carné, $- $$//$

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Introducción

El trans0ormador constitu1e la 2arte 2rinci2al de una su estación eléctrica3 es 4ui!ásuna de las má4uinas eléctricas de ma1or utilidad 4ue +amás se 5a1an inventado3 nos2ermite aumentar o disminuir la tensión eléctrica en un sistema de corriente alterna32uede aíslan un circuito entre sí. &demás de 4ue nos 2ermite el trans2orte 1distri ución de la energía eléctrica desde las 2lantas de generación 5asta lasindustrias 1 casas 5a itación3 de una manera segura6 2or lo 4ue resulta im2ortanteconocer su de0inición3 2rinci2io de 0uncionamiento 1 o2eración del mismo.

En /7 Mic5ael Farada1 o servó 4ue si se a2lica a un volta+e a una o ina a2arecíaotro volta+e en una segunda o ina devanada so re el mismo n8cleo de 5ierro 4ue laanterior. Cincuenta 1 tres a9os des2ués3 en una e:2osición de Turín3 Italia3 losingenieros ingleses Gaulard 1 Gi s mostraron un ;sistema eléctrico alimentado 2or inductoresi2erno?!@13 4uienes visita an lae:2osición3 reconocieron las desventa+as del n8cleo a ierto 1 comen!aron a tra a+ar en una versión me+orada. Cinco semanas des2ués enviaron su ;trans0ormador 'o.

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Transformadores Eléctricos

El trans0ormador es un dis2ositivo 4ue 2ermite modi0icar 2otencia eléctrica de corrientealterna con un determinado valor de tensión 1 corriente en otra 2otencia de casi elmismo valor 2ero3 generalmente con distintos valores de tensión 1 corriente3

asándose en el 0enómeno de la inducción electromagnética está constituido 2or doso inas de material conductor3 devanadas so re un n8cleo cerrado de material

0erromagnético3 2ero aisladas entre sí eléctricamente. #a 8nica cone:ión entre laso inas la constitu1e el 0lu+o magnético com8n 4ue se esta lece en el n8cleo. El

n8cleo3 generalmente3 es 0a ricado ien sea de 5ierro o de láminas a2iladas de aceroeléctrico3 aleación a2ro2iada 2ara o2timi!ar el 0lu+o magnético. #as o inas odevanados se denominan 2rimarios 1 secundarios seg8n corres2ondan a la entrada o

salida del sistema en cuestión3 res2ectivamente. Tam ién e:isten trans0ormadores conmás devanados6 en este caso3 2uede e:istir un devanado terciario 3 de menor tensión4ue el secundario.

Es una má4uina estática de a+as 2érdidas 1 tiene un uso mu1 e:tendido en lossistemas eléctricos de transmisión 1 distri ución de energía eléctrica Cuando sere4uiere trans2ortar energía eléctrica3 desde los centros de generación HCentraleseléctricas a los centros de consumo3 se eleva la tensión Hdesde unos @ 5asta 7$3$$- o -- @ 1 se e0ect8a la transmisión mediante líneas aéreas o su terráneas conmenor corriente3 1a 4ue la 2otencia en am os lados del tras0ormador es 2rácticamenteigual3 lo cual reduce las 2érdidas de transmisión H% I$ . En la eta2a de distri ución sereduce la tensión a los valores normales H7/-K$$- 3 mediante los trans0ormadoresadecuados.

&l 5a er un 0lu+o magnético 4ue atraviesa las es2iras del Secundario 3 se generará2or el alam re del secundario un volta+e La ría una corriente si 5a1 una carga Helsecundario está conectado a una resistencia 2or e+em2lo .

#a ra!ón de la trans0ormación del volta+e entre el o inado "rimario 1 elSecundario de2ende del n8mero de vueltas 4ue tenga cada uno. Si el n8mero de

vueltas del secundario es el tri2le del 2rimario3 en el secundario 5a rá el tri2le de

volta+e.#a relación entre la 0uer!a electromotri! inductora HE2 3 la a2licada al devanado2rimario 1 la 0uer!a electromotri! inducida HEs 3 la o tenida en el secundario3 esdirectamente 2ro2orcional al n8mero de es2iras de los devanados 2rimario H'2 1secundario H's .

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Un trans0ormador 2uede ser elevador o reductor de2endiendo del n8mero de es2irasde cada o inado.

Cuando el secundario tiene un ma1or n8mero de vueltas 4ue el 2rimario3 el volta+e ena4uel es ma1or 4ue en el 2rimario 13 2or consiguiente3 el trans0ormador aumenta el

volta+e.Cuando el secundario tiene un n8mero menor de vueltas 4ue el 2rimario3 el

trans0ormador reduce el volta+e. Sin im2ortar cuál sea el caso3 la relación siem2re seda en términos del volta+e en el 2rimario3 el cual 2uede aumentarse o reducirse en eldevanado secundario.

Estos cálculos solo son válidos 2ara trans0ormadores con n8cleo de 5ierro donde elaco2lamiento es unitario. #os trans0ormadores con n8cleo de aire 2ara circuitos de %Fson3 en general3 sintoni!ados 2ara resonancia. En este caso3 se considera el 0actor deresonancia en lugar de la relación de vueltas.

Si se su2one 4ue el trans0ormador es ideal Hla 2otencia 4ue se le entrega es igual a la4ue se o tiene de él 3 o sea3 se des2recian las 2érdidas 2or calor 1 otras3 entonces,

Potenciade entrada ( Pi )= Potencia de salida ( Ps ). Pi = Ps

Si tenemos los datos de corriente 1 volta+e de un dis2ositivo3 se 2uede averiguar su2otencia usando la siguiente 0órmula,

Potencia ( P)= Voltaje (V ) x corriente ( I ) P = V x I (watts )

&sí3 2ara conocer la corriente en el secundario cuando tengo la corriente I2 Hcorrienteen el 2rimario 3 '2 Hes2iras en el 2rimario 1 's Hes2iras en el secundario se utili!asiguiente 0órmula,

Is=

Np x Ip Ns o Bi é n

Is Ip

= Np Ns

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Trans0ormador Mono0ásico

=ásicamente está 0ormado 2or un n8cleo com2uesto de láminas de 5ierro 1 doso inados3 a los cuales denominaremos 2rimario 1 secundario. El o inado 2rimario

con ;' < es2iras es a4uel 2or el cual ingresa la energía 1 el secundario con ;'$<es2iras es a4uel 2or el cual se suministra dic5a energía.

Figura . Es4uema de un trans0ormador mono0ásico del ti2o de n8cleo

Figura$. Es4uema de un trans0ormador mono0ásico del ti2o acora!ado

En la 0igura 2odemos o servar el es4uema de un trans0ormador3 del ti2o de n8cleo 1en la 0igura$ un trans0ormador del ti2o acora!ado3 en el cual los dos o inados seu ican en la rama central3 logrando con este sistema reducir el 0lu+o magnéticodis2erso de am os o inados3 colocando generalmente el o inado de a+a tensiónen la 2arte interna 1 el de ma1or tensión rodeando a este en la 2arte e:terna.

)esde el 2unto de vista constructivo la ma1oría de los trans0ormadores eléctricos3inde2endientemente de su tama9o3 2oseen como mínimo dos devanados o enrolladosde alam re de co re desnudo 2rotegido 2or una 0ina ca2a de arni! aislante. El grosor

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o diámetro del alam re utili!ado 2ara cada enrollado de2enderá del 0lu+o má:imo decorriente eléctrica en am2eres H& 4ue de e so2ortar el trans0ormador sin llegar a4uemarse cuando le conectamos una resistencia3 carga o consumidor eléctrico3 deacuerdo con el cálculo 4ue 2reviamente reali!ó el 0a ricante cuando determinó suca2acidad de tra a+o. &m os enrollados van colocados alrededor de un n8cleo deacero al silicio 4ue 0orma 2arte del cuer2o del trans0ormador.#a carga o consumidor de energía eléctrica se conecta siem2re al trans0ormador en elcircuito corres2ondiente al enrollado secundario o de salida ;S

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• ' n8mero de es2iras del 2rimario

• '$ n8mero de es2iras del secundario

Transformador Trifásico

#a ma1oría de los trans0ormadores utili!ados en la transmisión 1 distri ución deenergía eléctrica son tri0ásicos3 2or una cuestión de costos3 tama9os 1 trans2orte6 2ero5a1 e:ce2ciones, cuando las 2otencias son mu1 grandes3 cientos de M &3 o sere4uieren varios trans0ormadores de gran 2otencia e iguales3 2or e+em2lo en unacentral con una cierta cantidad de má4uinas de gran 2otencia3 2uede convenir utili!ar

ancos tri0ásicos armados con tres trans0ormadores mono0ásicos3 e inclusive tener

alg8n trans0ormador de reserva.El sistema tri0ásico 2uede estar con0ormando 2or 7 trans0ormadores mono0ásicos.Estos circuitos magnéticos son inde2endientes3 es decir no se 2roducirá reacción ointer0erencia entre los res2ectivos 0lu+os magnéticos. &demás e:isten lostrans0ormadores tri0ásicos com2uestos de un 8nico n8cleo magnético en el 4ue se 5andis2uesto tres columnas so re las 4ue sit8an los arrollamientos 2rimario 1 secundariode cada una de las 0ases.

#os trans0ormadores tri0ásicos tienen ciertas venta+as so re los tres trans0ormadoresmono0ásicos3 una de ellas es 4ue son más económicos. Siem2re un trans0ormador

tri0ásico es más arato 4ue los tres trans0ormadores mono0ásicos. Tam ién algo 2araconsiderar es la relación de tama9o.

Un 8nico trans0ormador tri0ásico es siem2re de tama9o in0erior a un anco detrans0ormadores mono0ásicos. #os trans0ormadores tri0ásicos están conectados dedi0erentes 0ormas con ciertas venta+as 1 desventa+as.

Transformadores Trifásicos

El n8cleo tri0ásico más utili!ado es el de tres columnas3 0igura $. Este n8cleo tiene el1ugo 1 las tres columnas de la misma sección 1 so re cada una de ellas se colocan losarrollamientos de una misma 0ase3 de+ando el o inado de ma1or tensión en la 2artee:terior 2ara 0acilitar su aislación.

Estos son los n8cleos tri0ásicos más utili!ados 2or4ue son los 4ue em2lean menorcantidad de c5a2a magnética 1 consecuentemente tienen menos 2érdidas en el 5ierro. &demás tienen el me+or com2ortamiento 0rente cargas asimétricas 1 armónicas3 lo 4uees mu1 desea le en las redes de distri ución de energía eléctrica.

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Figura7. Trans0ormador tri0ásico de tres columnas

Estos n8cleos de tres columnas son ligeramente asimétricos, la columna central2resenta menor reluctancia 4ue las laterales 13 2or lo tanto3 toma una corriente devacío a 7- N menor 4ue las otras3 lo 4ue en la ma1oría de las a2licaciones no tienema1or im2ortancia. El trans2orte de los trans0ormadores tri0ásicos de 2otencias de --ó más M &3 2uede resultar astante com2licado. "ara reducir el 2eso3 lasdimensiones 1 0acilitar el trans2orte3 a los grandes trans0ormadores se le 4uitan losaisladores3 los radiadores3 el tan4ue de e:2ansión 1 el aceite aislante6 no o stante laaltura de la cu a3 colocada en el medio de trans2orte3 2uede ser grande 1 su2erar losgáli os 0erroviarios o de los 2uentes carreteros. "or ese motivo los 0a ricantes tratande reducir la altura de los n8cleos 1 una 0orma de 5acerlo es reducir la sección de los1ugos3 derivando 2arte del 0lu+o 4ue los atraviesa3 2or dos columnas adicionales 4uese colocan en los e:tremos3 0igura A. & estos n8cleos se los denomina de cincocolumnas 1 son astante em2leados en 2otencias grandes.

FiguraA. Trans0ormador tri0ásico de cinco columnas

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Transformador Trifásico de Tipo Núcleo

#os devanados rodean al n8cleo. Oste está constituido 2or láminas rectangulares o en0orma de # 4ue se ensam lan 1 sola2an alternativamente en ca2as ad1acentes. Eneste ti2o de trans0ormadores e:isten tres n8cleos unidos 2or sus 2artes su2erior ein0erior mediante un 1ugo 1 so re cada n8cleo se devanan el 2rimario 1 el secundariode cada 0ase. Este dis2ositivo es 2osi le 2or4ue3 en todo momento3 la suma de los0lu+os es nula.

Figura . Trans0ormador tri0ásico de ti2o n8cleo

Invirtiendo las cone:iones de las o inas centrales en el trans0ormador tri0ásicoacora!ado3 las secciones de los n8cleos entre las ventanas es igual al valor 4ue seo tendría sin invertir las cone:iones3 dividido 2or raí! de 7. El trans0ormador tri0ásicoes más com2acto 1 ligero 4ue los tres trans0ormadores mono0ásicos e4uivalentes32ero disminu1e la 0le:i ilidad del sistema. En un auto trans0ormador3 2arte deldevanado es com8n a 2rimario 1 secundario. Tan solo se trans0orma una 2arte dela 2otencia3 1endo la restante de la carga 2or conducción.

Transformador de Tipo Acorazado

&l igual 4ue en el trans0ormador mono0ásico el n8cleo rodea al devanado. #adi0erencia de un trans0ormador tri0ásico de ti2o n8cleo 1 de otro de ti2o acora!ado3está en 4ue en un trans0ormador tri0ásico de ti2o acora!ado las tensiones están menosdistorsionadas en las salidas de las 0ases. #o cual 5ace me+or al trans0ormador tri0ásico de ti2o acora!ado.

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

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Figura . Trans0ormador tri0ásico de ti2o n8cleo

Bancos Trifásicos

#os trans0ormadores tri0ásicos resultan más 2e4ue9os 1 son más económicos 4ue trestrans0ormadores mono0ásicos de la misma tensión de línea 1 4ue sumen la misma2otencia a2arente3 no o stante cuando las 2otencias son mu1 grandes una solaunidad tri0ásica 2uede resultar mu1 voluminosa 1 de di0ícil trans2orte3 en esos 2uedeser conveniente un anco tri0ásico de tres trans0ormadores mono0ásicos3 además lare2aración de una unidad mono0ásica es más económica 4ue la del trans0ormador tri0ásico 1 cuando 5a1 varios ancos iguales3 como en algunas centrales5idroeléctricas3 2uede resultar conveniente dis2oner de una unidad mono0ásica dereserva 2ara 2rever eventuales 0allas. #os n8cleos de esos grandes trans0ormadoresmono0ásicos normalmente son acora!ados3 0igura 3 1a 4ue tienen menor altura 12ermiten economi!ar material 0erromagnético. &l 2oseer circuitos magnéticosinde2endientes e iguales 2ara cada 0ase3 resultan 2er0ectamente simétricos3 lo 4ue engeneral es venta+oso.

FiguraD. Trans0ormador tri0ásico acora!ado

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&simismo3 el anco de trans0ormadores mono0ásicos tam ién sirve 2ara 2oder cam iar el n8mero de 0ases del sistema3 es decir3 un sistema tri0ásico lo 2odemosconvertir en un sistema i0ásico3 de 0ases3 de doce 0ases3 etc.

Conexiones Trifásicas

#as cone:iones tri0ásicas más em2leadas son la estrella 1 el triángulo3 2ero no son las8nicas3 e:isten otras3 2ara a2licaciones es2eciales3 como ser las cone:iones ;!ig !ag

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ma18sculas 2ara el lado de ma1or tensión 1min8sculas 2ara el lado de menor tensión3 2ero este criterio se com2lica 2ara el casode tener más de dos arrollamientos3 lo 4ue es astante com8n.

"or tal motivo las 'ormas I%&M ado2taron el criterio de utili!ar un n8mero 4ue

identi0ica el nivel de tensión ante2uesto a la letra3 la 4ue es siem2re ma18scula.#a numeración ante2uesta se esta lece en relación a los valores de la tensión delínea3 el n8mero identi0ica al arrollamiento de ma1or tensión3 1 los restantescorres2onden a las otras tensiones en orden decreciente. "or e+em2lo 2ara untrans0ormador de tres arrollamientos3 los ornes de cone:ión serían,

Ta la I. 'omenclatura normali!ada en un trans0ormador de tres arrollamientos.

• &lta tensión, U P P B• Media tensión, $U P $ P $B•

=a+a tensión, 7U P 7 P 7B'o o stante lo anterior3 en el 2resente tra a+o3 de naturale!a didáctica3 1 2aramantener la concordancia con otras 2u licaciones de la Cátedra3 se utili!ará lanomenclatura de letras ma18sculas 2ara el lado de ma1or tensión 1 min8sculas2ara el de menor. En los casos en los 4ue e:ista ma1or cantidad de arrollamientos3se usarán los índices numéricos necesarios.

Conexión delta -delta.

Se utili!a esta cone:ión cuando se desean mínimas inter0erencias en el sistema. &demás3 si se tiene cargas dese4uili radas3 se com2ensa dic5o e4uili rio3 1a 4ue lascorrientes de la carga se distri u1en uni0ormemente en cada uno de los devanados. #acone:ión deltaPdelta de trans0ormadores mono0ásicos se usa generalmente ensistemas cu1os volta+es no son mu1 elevados es2ecialmente en a4uellos en 4ue sede e mantener la continuidad de unos sistemas. Esta cone:ión se em2lea tanto 2araelevar la tensión como 2ara reducirla.

En caso de 0alla o re2aración de la cone:ión deltaPdelta se 2uede convertir en unacone:ión delta a iertaPdelta a ierta.

Figura /. Cone:ión )eltaP)elta.

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Conexión estrella-delta.

#a cone:ión estrellaPdelta es contraria a la cone:ión deltaPestrella6 2or e+em2lo ensistema de 2otencia3 la cone:ión deltaPestrella se em2lea 2ara elevar volta+es 1 lacone:ión estrellaPdelta 2ara reducirlos. En am os casos3 los devanados conectados enestrella se conectan al circuito de más alto volta+e3 0undamentalmente 2or ra!ones deaislamiento. En sistemas de distri ución esta cone:ión es 2oco usual3 salvo enalgunas ocasiones 2ara distri ución a tres 5ilos.

Figura Q. Cone:ión EstrellaP)elta.

Conexión estrella-estrella.

#as corrientes en los devanados en estrella son iguales a las corrientes en la línea.Si las tensiones entre línea 1 neutro están e4uili radas 1 son sinuosidades3 el valor e0ica! de las tensiones res2ecto al neutro es igual al 2roducto de K 7 2or el valor e0ica! de las tensiones entre línea 1 línea 1 e:iste un des0ase de 7-R entre las

tensiones de línea a línea 1 de línea a neutro más 2ró:ima.#as tensiones entre línea 1 línea de los 2rimarios 1 secundarios corres2ondientesen un anco estrellaPestrella3 están casi en concordancia de 0ase.

"or tanto3 la cone:ión en estrella será 2articularmente adecuada 2ara devanadosde alta tensión3 en los 4ue el aislamiento es el 2ro lema 2rinci2al3 1a 4ue 2ara unatensión de línea determinada las tensiones de 0ase de la estrella sólo seríaniguales al 2roducto K 7 2or las tensiones en el triángulo.

Figura -. Cone:ión EstrellaPEstrella.

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Conexión delta-estrella.

#a cone:ión deltaPestrella3 de las más em2leadas3 se utili!a en los sistemas de2otencia 2ara elevar volta+es de generación o de transmisión3 en los sistemas dedistri ución Ha A 5ilos 2ara alimentación de 0uer!a 1 alum rado.

Figura . Cone:ión )eltaPEstrella.