TRANSFORMADOR

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico decorriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Funcionamiento[Representación esquemática del transformador.

Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro.

Este flujo originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario

Relación de Transformación

Diseño de transformadores

La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:

La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.

Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la

relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.

Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:

El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Principio de funcionamiento

Transformador monofásico ideal.

El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teoría del electromagnetismo resumida en las ecuaciones de Maxwell.

Corriente de inrush

La corriente de inrush o corriente transitoria de magnetización es una corriente varias veces la corriente nominal que se produce al momento de conectar el transformador a la red.

Puede ser de 10 veces la corriente nominal hasta 100 veces en casos raros. 1

Historia

Transformador de núcleo laminado mostrando el borde de las laminaciones en la parte superior de la unidad.

Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción[ed

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faradayen 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

La primera "bobina de inducción" fue inventada por el sacerdote Nicholas Joseph Callan en la Universidad de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la tensión eléctrica.

Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un "do&break" mecanismo vibrador que regularmente interrumpía el flujo de la corriente directa (DC) de las baterías.

Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de las Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfaron sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces.

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el cual el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas de arco, de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”.

En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría. En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecía un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.

En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendieron la idea a la compañía estadounidense Westinghouse Electric. También este sistema fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptado para el sistema de alumbrado eléctrico.

El nacimiento del primer 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 “ZBD” detransformador 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:

donde Vs es la tensión en el secundario y Ns es el número de espiras en el secundario; Vp y Np se corresponden al primario.

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.

Otra información de interés

Transformador de tres fases.

El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores se puso en operación en 1886 en Great Barington, Massachussets, en los Estados Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se transmitió a 2.000 voltios en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeña aplicación inicial, la industria eléctrica en el mundo ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte

importante en esta industria el transformador. El aparato que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas concéntricas. A una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería, conmutada por medio de un ruptor movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al compás de las interrupciones, y en el otro bobinado, llamado secundario y con muchas más espiras, se inducía una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un chispómetroconectado a sus extremos.

También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford T, que poseía una por cada bujía, comandadas por undistribuidor que mandaba la corriente a través de cada una de las bobinas en la secuencia correcta.

Transformador trifásico

Existen muchos tipos de transformadores, entre los cuales el transformador trifásico tiene una importancia indudable. Este tipo de transformador se ocupa tanto en generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en transmisión por líneas de transmisión y en distribución en donde se transporta la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercio e industria. Todos los transformadores desde la generadora hasta la entrada de nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos.

Componentes

El núcleo

El núcleo está formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por laminas del núcleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre laminas, indeseadas pues favorecen las perdidas.

BobinasLas bobinas son simplemente alambres generalmente de cobre enrollado en las piernas del núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.

Cambiador de tapsEl cambiador de taps o derivaciones es un dispositivo generalmente mecánico que puede ser girado manualmente para cambiar la razón de transformación en un transformador, típicamente, son 5 pasos uno de ellos es neutral, los otros alteran la razón en más o menos el 5%. Por ejemplo esto ayuda a subir el voltaje en el secundario para mejorar un voltaje muy bajo en alguna barra del sistema.

Relé de sobrepresión

Es un dispositivo mecánico que nivela el aumento de presión del transformador que pueden hacerlo explotar. Sin embargo existen varios equipos que explotan a pesar de tener este dispositivo. Existen el relé de presión súbita para presiones transitorias y el relé de sobrepresión para presiones más permanentes.

Tablero de contro

Contiene las conexiones eléctricas para el control, relés de protección eléctrica, señales de control de válvulas de sobrepresión hacia dispositivos de protección.

Configuraciones

Las bobinas pueden ser conectadas de forma diferente en delta, estrella, o T. Se pueden hacer transformadores trifásicos de tres formas distintas:

1. Conectando tres transformadores monofásicos

2. Núcleo tipo acorazado3. Transformador tipo núcleo.

Clases de ventilación

Hay diferentes tipos de ventilación en un transformador. La ventilación puede ser por:

Convección natural (N). Ventilación forzada (F).

El refrigerante al interior del estante del transformador es de varios tipos:

Aceite (O del inglés Oil). Agua (W, del inglés Water). Gas (G).

La nomenclatura que designa la ventilación es del tipo XYXY, donde X indica el tipo de refrigerante, y el Y la ventilación usada. Según esto existen:

ONAN

ONAF ONWF OFAFSegún sus aplicaciones

Transformador elevador/reductor de tensión

Un transformador con PCB, como refrigerante

Son empleados por empresas de generación eléctrica en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. La mayoría de los dispositivos electrónicos en hogares hacen uso de transformadores reductores conectados a un circuito rectificador de onda completa para producir el nivel de tensión de corriente directa que necesitan. Este es el caso de las fuentes de alimentación de equipos de audio, video y computación.

Transformadores variables

También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión de salida variable ajustable, dentro de dos valores.

Transformador de aislamiento

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1 entre las tensiones del primario y secundario. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red y también para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en equipos de electromedicina y donde se necesitan tensiones flotantes.

Transformador de alimentación

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador.

Transformador trifásico. Conexión estrella-triángulo.

Transformador Flyback moderno.

Transformador diferencial de variación lineal (LVDT).

Transformador trifásicoTienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían.

Delta estrella: Se usa especialmente en distribución (baja tensión) con delta en alta y estrella en baja con neutro accesible. Esto permite que la onda sinusoidal de tercera armónica se mantenga circulando por la delta, pero no se transmita a las estrella.

Transformador de punzadasEs un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción) destinado a funcionar en régimen de pulsos. Su principal aplicación es transferir impulsos de mando sobre elementos de control de potencia como SCR, triacs, etc. logrando un aislamiento galvánico entre las etapas de mando y potencia.

Transformador de línea o FlybackArtículo principal: Transformador Flyback

Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Suelen ser pequeños y económicos. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Además de poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios.

Transformador diferencial de variación linealArtículo principal: Transformador diferencial de variación lineal

El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo.

Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos.

Transformador con diodo dividido

Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para proporcionar la tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicador.

Transformador de impedancia

Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is = Z/n². Así, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n². Colocando el transformador al revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor n².

Estabilizador de tensión[

Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética.

Transformador híbrido o bobina híbrida

Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos, tarjetas de red, etc.

Balun

Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador.

Transformador electrónico

Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente eléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente su tamaño. También pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la tensión de salida en un valor prefijado sin importar la variación en la entrada, llamadosfuente conmutada.

Transformador de frecuencia variable

Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrónicos para comunicaciones, medidas y control.

Transformadores de medidaEntre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de alta tensión o de elevada corriente. Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés, permitiendo una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés.

Tres transformadores de corriente: De izquierda a derecha: De 150/5Amperes, 200/5Amperes, 300/5Amperes

Según su construcción[editar]

Pequeño transformador con núcleo toroidal.

Cómo caracterizar un núcleo toroidal.

Transformador de grano orientado.

AutotransformadorArtículo principal: Autotransformador

El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario.

Transformador con núcleo toroidal o envolvente

El núcleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético

queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

Transformador de grano orientado

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.

Bobina de núcleo de aire

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Transformador de núcleo envolvente

Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión.

Transformador piezoeléctrico

Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar las lámparas fluorescentes de los monitores de led y TFT usados en computación y en televisión.

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1. EL TRANSFORMADOR Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo constante la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo no varia en el caso de un transformador ideal (sin perdidas) pero las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.Su funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

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1.2 TRANSFORMADORES DE POTENCIA Son los que se utilizan para subestaciones y transformación de energía en media y alta tensión. Se aplican en subestaciones, centrales de generación y usuarios de grandes potencia.Se construyen en potencias, voltajes y frecuencias estandarizadas según la región o país en donde va trabajar. A continuación detallo los dos principales tipos de transformadores de potencia:

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1.2.1 TRANSFORMADORES TIPO SECO Se utiliza en interiores, donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendios imposibilitan la utilización

de transformadores refrigerados en aceite. Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislamiento clase F utilizándose resinas epoxi como medio de protección de los arrollamientos siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. A continuación describimos algunas especificaciones técnicas de las principales partes que conforman el transformador tipo seco: 1.2.1.1 Circuito magnético Puede ser de chapa de acero al silicio de grano orientado, aislada por óxidos minerales y protegida contra la corrosión mediante una capa de esmalte.

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1.2.1.1 Circuito magnético Puede ser de chapa de acero al silicio de grano orientado, aislada por óxidos minerales y protegida contra la corrosión mediante una capa de esmalte. 1.2.1.2 Arrollamientos de BT Las espiras están separadas por una película aislante de clase F y se dispondrá radialmente en el centro de las bobinas de canales de ventilación para permitir una fácil disipación del calor. La construcción es de banda (platina) o folio (plancha) de aluminio para conseguir buena resistencia mecánica a los esfuerzos de corto circuito, se impregnará con una resina de clase F bajo vacío, con el objetivo de garantizar una buena resistencia a las agentes ambientales y conseguir una masa homogénea. 1.2.1.3 Arrollamientos de MT Es Independiente de los arrollamientos de BT y se realiza en banda o folio de aluminio con aislantes de clase F sin excepción, garantizando un diseño resistente geométricamente y un gradiente de tensión reducido entre espiras y entre galletas, de modo que el material aislante resulta escasamente solicitado dieléctricamente ósea con menores esfuerzos dieléctricos y no se produce su envejecimiento prematuro.

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1.2.2 TRANSFORMADORES EN ACEITE Se caracterizan principalmente por que el núcleo ferromagnético se encuentra totalmente sumergido en aceite, consta de un tanque con tapa, intercambiadores de calor, bombas y cubículo para el aceite

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1.2.2.1 Núcleoel circuito magnético es del tipo ensamblado compuesto por columnas y yugos constituidos de laminas de acero arsilicio de grano orientado laminado en frió y de alta permeabilidad magnética recubierto de aislamiento morganico en ambas caras que son cortadas asegurando la ausencia de nubosidades que permiten obtener bajos valores de corriente de excitación y perdidas en vació. 1.2.2.2 Arrollamientos Los devanados están formados por bobinas concéntricas de cobre electrolítico de alta conductividad y el aislamiento es papel impregnado en aceite (clase A). su diseño permite que el transformador pueda suministrar la potencia nominal en cualquier posición del conmutador de derivaciones. Las bobinas son compactas, ensambladas y aseguradas.Las conexiones al conmutador de derivación y a los aisladores pasa tapas de alta y baja tensión son realizadas de manera que aseguren una correcta conexión eléctrica y mecánica a prueba de vibraciones durante el transporte y la operación del transformador.

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1.2.2.3 Tanque El tanque es del tipo corrugado con tapa empernada en el cual las paredes están conformadas por aletas onduladas soldadas a la estructura y constituyen el sistema de refrigeración del transformador.

Con esta construcción en plancha de acero estructural se obtiene una robustez de gran resistencia a los esfuerzos mecánicos y se permite el despacho de los transformadores llenos de aceite listos para entrar en servicio. La protección contra la intemperie incluye la eliminación de todo oxido mediante granallado previo a la aplicación de puntura base anticorrosivo (2 capas) y de puntura de acabado (2 capas).

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1.2.2.4 AceiteEs mineral constituyendo el elemento aislante y refrigerante del transformador. Sus características destacables son las siguientes: - Baja viscosidad para obtener una buena transferencia de calor- Alta rigidez dieléctrica- Ausencia de ácidos inorgánicos y azufre corrosivo, para prevenir un deterioro en los aislamientos y los conductores.- Resistencia a la oxidación y a la formación de lodos- Resistencia a emulsiones con agua- Bajo punto de congelación. Antes de ser introducido al tanque el aceite se somete a proceso de filtrado y secado. El llenado se hace bajo vació para asegurar la eliminación de la humedad.

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1.2.2.5 Sistema de conservación del aceiteConsiste en un tanque de expansión de sección circular conectado mediante tubos al tanque del transformador. El

tanque conservador cuenta con indicador de nivel y puede equiparse con Relé Bounholz y respiradero deshidratante lleno de costales de silicagel. 1.2.2.6 Aisladores pasatapas Son de porcelana marrón, de material denso y homogéneo libre de porosidades, burbujas e imperfecciones que puedan afectar sus características eléctricas o mecánicas.Las características eléctricas de los aisladores pasatapas cumplen con las normas respectivas.Los aisladores se encuentran montados sobre la tapa y pueden ser reemplazados sin necesidad de desencubar el transformador 1.2.2.7 Accesorios normales - Conmutador de tomas en vació con mando exterior sobre la tapa.- Indicador de nivel de aceite.- Placa de características.- Válvula de Filtrado.- Perno de puesta a tierra del tanque.- Ganchos de suspensión.- Pozo termometrico.

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2.1 GESTION DE CALIDAD Definimos como gestión de calidad al conjunto de características que cumplen con los requerimientos para satisfacer al cliente CALIDAD, NORMAS Y ENSAYOS DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA

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2.2 NORMAS La norma estipula los requisitos para establecer un sistema de aseguramiento de calidad o para dar confianza de que un producto satisface los requisitos para la calidad. Las normas mas conocidas para los transformadores de potencia son: IEC (internacional electrotechnical comisión) ANSI (American Nacional Standarda Institute) IEE (The

Institution of Electrical Engineers) NEMA (National Electrical Manufacturers Association)Todas estas normas tienen diferente nivel de exigencia y las empresas fabricantes y comercializadoras de transformadores de potencia se caracterizan por las normas que rigen su proceso de fabricación y control de la calidad.

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2.3 PROTOCOLO DE PRUEBAS A LOS TRANASFORMADORES Es la comprobación para la aceptación de las exigencias mínimas del comprador La empresa seleccionara las pruebas de acuerdo al tipo de instalaciones que decepciona, pudiendo ampliar el numero de ellas según la considere necesarias. Ensayos de Rutina a)Verificación dimensional b)Medición de la resistencia de los arrollamientos. c)Medición de la relación de transformación y grupo de conexión. d)Ensayo de vacío para la determinación de perdidas de vacío y corriente de excitación. e)Ensayo para la determinación de perdidas y tensión de cortocircuito. f)Ensayo dieléctrico de tensión aplicada. g)Ensayo dieléctrico de tensión inducida.h)Ensayo de descargas parciales.

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Ensayos de Tipo a)Estos ensayos podrán solicitarse en opción pero tendrán que acordarse previamente con el proveedor : b)Ensayo de calentamiento por el método de simulación de puesta en carga definido en la norma IEC 726. c)Ensayo con tensión de impulso. d)Ensayo de resistencia al cortocircuito franco. El proveedor deberá presentar antecedentes de ensayo. e)Medición del nivel de ruido según IEC 551.

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2.3.1 Pruebas mecánicas 2.3.1.1 Impregnaciones de aceite. Para el control de calidad durante la impregnación de aceite primero se tiene qu verificar que el aceite sea el adecuado según la orden de producción. Adicionalmente a esto se debe de verificar las propiedades físicas químicas del aceite así como su contenido de gases, para esto antes de ingresar el aceite al transformador se toma una muestra y se analiza en el laboratorio determinándose si los valores están dentro de lo que piden las normas IEEE C57.106 y IEC 60599 respectivamente.

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INFORME DE ENSAYO CROMATOGRAFICO N° 05/0340 ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ CLIENTE: PLUSPETROL

O.P.:750022 SUBESTACIÓN: N° DE SERIE: L 750022-01 FABRICANTE: PEABB TENSIÓN: 33 / 4.16 KV POTENCIA: 12 MVA CONMUTADOR BAJO CARGA?: EN VACÍO TANQUE SEPARADO?: NO AÑO DE FABRICACION: 2005 CANTIDAD DE ACEITE: 3 600 Kg. _____________________________________________________________________________________ FECHA DE EXTRACCIÓN: 22-08-2005 EN OPERACIÓN? : NO SERVICIO REALIZADO: Análisis de los gases disueltos en el aceite aislante. GASES ANALIZADOS RESULTADOS

VAL. LIMITES ppmv ppmv HIDRÓGENO ( H2 ): ND100 (máximo) OXÍGENO( O2 ): 879 - NITRÓGENO( N2 ): 2350 - METANO ( CH4 ): ND 50

(máximo) MONÓXIDO DE CARBONO ( CO ): ND 200 (máximo) DIÓXIDO DE CARBONO ( CO2 ): ND 5000 (máx.)

ETILENO ( C2H4 ): ND 50 (máximo) ETANO ( C2H6 ): ND 50 (máximo) ACETILENO ( C2H2 ): ND 5 (máximo) TOTAL DE GASES COMBUSTIBLES: ND TOTAL GENERAL DE GASES: 3229

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2.3.1.2 Prueba de vació. La prueba de vació se realiza con la finalidad de comprobar la resistencia mecánica de la estructura metálica y de medir la deformación en los principales puntos de flexión. Se aplica a la estructura metálica después del proceso de encubado y con todos sus accesorios montados, el transformador deberá estar completo y sin aceite. Esta prueba se realiza mediante la aplicación de una presión de vació mínimo de 0.5mm de Hg. Dos horas después de la desconexión de la bomba de vació en el transformador la presión no debe de haber subido en mas de 1.5mm de Hg. Para realizar las mediciones se contara con micrómetros radiales los cuales serán ubicados en las zonas más críticas del tanque. Luego de las dos horas de sometido al vació y luego de quitar la presión, las deformaciones deberán de volver a su estado inicial, quiere decir que el material debe de haber sido sometido una deformación ubicada en la zona elástica.

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Procedimiento: la prueba se realizara durante el proceso de fabricación después de concluir el proceso de vació del transformador. Realizar inspección visual en el transformador para verificar que el transformador se encuentre completamente armado. Se comenzara el proceso de vació lentamente observando que no se produzcan deformaciones (pandeos) de las paredes de la estructura, hasta alcanzar una presión en el vacuometro de 0.5mm HG. Desconexión de la

bomba de vació. Se marcaran los puntos de máxima flexión como puntos centrales de las paredes del tanque, puntos sin refuerzos y en el centro de la tapa. Colocación de los micrómetros radiales en los puntos de máxima flexión Medición de la deformación del transformador, esta medición se hará de manera negativa, ya que los micrómetros se colocan cuando se obtiene la presión de vació deseada después de desconectarla la bomba. Después de 2 horas, verificar la presión y constatar que no haya variado en más de 1.5mm Hg. La medición de la deformación debe ser menor a 3mm y nunca deberá la estructura metálica haberse deformado permanentemente, siempre deberá de recuperar su forma original.

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2.3.1.3 Prueba de punto de roció. En esta prueba se hará la medida de la humedad del transformador de potencia relleno de nitrógeno (N2) para ello el transformador se llenara de N2 UHP de alta pureza hasta conseguir una presión de 0.2Atms, después se dejara reposar por espacio de 24 horas luego de las cuales se procederá a realizar la extracción de las muestras para medir la humedad del transformador. Procedimiento: Realizar inspección visual en el transformador para verificar que el transformador se encuentre completamente armado. Verificar que el transformador se encuentre sin aceite. Inyectar N2 (UHP) hasta llegar a una presión de 0.2 atmósferas. Extracción de primera muestra para medición del punto de roció. Dejar en reposo por 24 horas. Extracción de segunda muestra para medición del punto de roció

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2.3.1.4 Prueba de hermetismo. En esta prueba lo que se quiere es comprobar la completa hermeticidad y resistencia a presión de los transformadores de potencia. Se verifica que no existan fugas entre los componentes montados del transformador como aisladores, conmutadores, válvulas, bridas, etc. Para realizar esta prueba a el transformador se le inyecta N2 UHP hasta una presión máxima de 3 PSI después se dejara reposar por 12 horas y se controlara la presión y se verificara la existencia de fugas. Procedimiento: Aplicar la presión progresivamente observando eventuales deformaciones del conjunto. Cerrar inmediatamente la alimentación de nitrógeno al percibir el inicio de estas deformaciones. Con la presión nominal, hacer los ajustes necesarios para eliminar las posibles fugas de aceite. Observar la aparición de eventuales manchas de aceite (brillo sobre la superficie) Después de subsanadas las fugas existentes, el tiempo del proceso de hermetismo será de 12 horas.

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2.3.2.1 Prueba de Vació. La prueba de vació proporciona a trabes de las medidas de tensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los valores directos de la potencia en el hierro, y deja abierto el bobinado secundario. Por lo tanto, este bobinado no será recorrido por ninguna intensidad, y no se tendrán en cuenta los ínfimos valores de las perdidas en el cobre para este ensayo. Los principales datos que hay que determinar en el ensayo en vació son: las perdidas en el hierro a través de la lectura del vatimetro (W1) en el bobinado primado, entendiendo que la P10 es la potencia medida en el vatimetro (W1) Pfe = P10 la intensidad en vació del primario a trabes del amperímetro (A1) La relación de transformación (m): También podemos calcular, con la ayuda de los

resultados: La impedancia La potencia aparente El Angulo de desfase

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2.3.2.2 Prueba de Cortocircuito. Con la prueba de cortocircuito, conseguimos las intensidades nomínales en los dos bobinados, aplicando una pequeña tensión al primario y cortocircuitando el secundario con un amperímetro (el amperímetro tiene una resistencia prácticamente nula) como se muestra en la figura. En muchos ensayos en cortocircuito la Icc supera el 25% de la intensidad nominal

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2.3.2.3 Prueba de Temperatura Se utilizan varios métodos para medir la temperatura en el transformador: Método por termómetro Consiste en tomar la temperatura en el aceite refrigerante y sobre el núcleo a aquellos transformadores que tienen cuba de aceite. A los transformadores secos se les toma en el núcleo, en otras partes metálicas y en el bobinado, si se tiene acceso a el, mediante unas sondas especificas para cada punto de contacto que se introduce en la parte del transformador que vayamos a medir y se conecta a un termómetro digital.

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Método por variación de resistencias. Consiste en medir la resistencia en frió, y después de un tiempo estipulado de aproximadamente cuatro horas, una vez que el transformador esta funcionando en régimen nominal, volver a medir las resistencias de los bobinados y calcular la variación de la temperatura en función de la diferencia de resistencia en los mismos. Método por detectores de internos de temperatura.

Consiste en introducir durante la construcción del transformador unos sensores de temperatura que actúan en forma de señal al detectar la temperatura que se le ha marcado.

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2.3.2.4 Prueba de Aislamiento La medida de aislamiento consiste en verificar el total aislamiento de los circuitos eléctricos del transformador entre si, y entre estos 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 estos. Para ello se utiliza un aparato de medida llamado megohmetro para que la resistencia de aislamiento cumpla los limites establecidos por el comité electrotécnico internacional IEC, el valor mínimo será R = U.1000 Donde: R = resistencia de aislamiento en Mohm con un mínimo de 250000Mohm U = tensión mas elevada de la maquina en voltios

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2.3.2.4 Prueba de Rigidez Dieléctrica La rigidez dieléctrica es la tensión por unidad de espesor que aguanta el aislante sin perforarse. Se expresa en KV/cm. Esto no es suficiente para que el aislante sea adecuado a la tensión de funcionamiento, ya que existen muchos factores que pueden complicar el aislamiento, como por ejemplo la humedad, el envejecimiento, el calentamiento excesivo, etc. Para ello se establecen unas normas que deben respetarse para el buen funcionamiento de la maquina. La rigidez dieléctrica depende de la naturaleza del aislante, y la tensión que este puede soportar es el producto de la rigidez dieléctrica por el espesor

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2.3.2.5 Prueba de tablero de control Para realizar las pruebas de los tableros de control se tiene que verificar los planos y características principales del tablero. Se comienza verificando los equipos que han sido inalados en el tablero mediante la verificación de la lista de aparatos. Después se verifica lo siguiente: Medidas generales Revisión de soldadura Ejecución de las platinas de cobre Conexiones de las platinas de cobre Revisión de terminales de cables Prueba de continuidad Conexiones de bornes Conexiones de medición Conexiones de enclavamiento Conexiones a tierra Distancias mínimas de barras Revisión de puertas Funcionamiento eléctrico Funcionamiento mecánico Símbolos y placas de identificación Espesor de pintura Adicionalmente se verifica que el grado de protección que debe de tener el tablero según lo solicitado por el cliente, en casos extremos como en la aplicación de la norma NEMA 250-2003 grado de protección IP4X se deben de realizar pruebas especiales que garanticen el correcto funcionamiento y hermeticidad del tablero. Para los guarda motores se realizan las pruebas de accionamiento simulando las corrientes de falla monofasicas y trifásicas.

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PUESTA EN SERVICIO, OPERACION CONTROLES DE MONTAJE Luego del montaje o llenado del transformador con aceite, recomendamos controlar y hacer constar en un protocolo lo siguiente: Estanqueidad: Ausencia total de fugas de aceite. Nivel de Aceite en el conservador del transformador. Los desecadores de aire pueden respirar líbremente. (Silica gel seco). Válvula de seguridad en buen estado. Las válvulas del circuito de los radiadores, del circuito

de los conservadores, se encuentran completamente abiertas. La cuba del transformador, gabinete de control y transformadores de corriente puestos a tierra. Transformadores de corriente conectados (cortocircuitados). CUIDADO : Retirar los puentes solo en caso de efectuar conexión al circuito externo ( carga ). No dejar en circuito abierto Los secundarios de los transformadores de corriente cortocircuitados, en caso de no estén conectados a un circuito de medida o protección. Purgar el aire en los aisladores, radiadores, relé buchholz, etc. Pozos termométricos llenos de aceite. Pernos de anclaje instalados. Pintura en correcto estado.

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CONTROLES ELÉCTRICOS Antes de la puesta en servicio, recomendamos controlar por lo menos los puntos siguientes y hacer constar en un protocolo los resultados. DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN Se comprobará el correcto funcionamiento de todos los dispositivos de protección del transformador tales como: protección diferencial de sobreintensidad, puesta a tierra, etc. así como los dispositivos en el transformador como relé buchholz, relés térmicos, etc. MEDIDA DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN Recomendamos efectuar esta medida por medio de un puente de medida de transformación, o si se hace con voltímetros, con una tensión por lo menos de 5% de la tensión de servicio. Con el conmutador en vacío, se hará la medida de transformación en todas las posiciones. Los resultados se compararán a los del protocolo de pruebas de la fábrica. MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE LOS DEVANADOS Esta medida es al mismo tiempo un control en la medida de la bobina de baja tensión, puesto que utilizando el método del amperímetro-voltímetro, la resistencia de la bobina depende de la

temperatura. El resultado de la medida se comparará al del protocolo de pruebas.

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PRUEBAS DE ACEITE Antes de la puesta en servicio, se tomará una muestra de aceite para someterla a un ensayo de rigidez dieléctrica. Si el ensayo no cumpliera con las especificaciones del aceite, habrá que secar y desgrasar el aceite haciéndolo circular por una instalación de preparación de aceite. Seguídamente se repetirá el ensayo de rigidez. Si alguno de los valores medidos, incluso en pruebas repetidas se desvía en más de un 15% de los valores especificados, es señal de que la parte activa se ha humedicido o que el aceite se ha contaminado. INSTRUCCIONES CUANDO FUNCIONA EL RELÉ BUCHHOLZ La señal de alarma funciona: Desconectar de inmediato el transformador y efectuar el análisis del gas. Hay que distinguir los casos siguientes: Gas no inflamable, con resultado negativo del análisis del acetileno. Gas inflamable, con resultado positivo del análisis del acetileno. El transformador tiene un defecto al interior que debe ser atendido antes de conectarlo nuevamente. No sale ningún gas, el nivel del aceite desciende en el relé y el aire es aspirado por la espita abierta. El nivel de aceite está por debajo del mínimo y hay pérdidas de aceite. Reparar los eventuales defectos de estanqueidad (fugas de aceite) y completar la dotación de aceite. El circuito de desconexión funciona: El transformador se ha calentado excesivamente. Después de determinar la causa del sobrecalentamiento y del tiempo requerido para su enfriamiento, se podrá volver a conectar. Los circuitos de alarma y desconexión funcionan casi simultáneamente. Las causas son las mismas que las descritas en a, b, y c. Hacer el análisis del gas y luego proceder como en los casos precedentes. El ensayo de inflamabilidad del gas recogido en el relé debe completarse

con el análisis sobre su contenido de acetileno. Para este efecto se hará pasar el gas a través de una solución de nitrato de plata. Si el gas contiene acetileno, se formará un precipitado blanco en dicha solución, indicando así que en el interior del transformador hay un defecto

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MANTENIMIENTO ACEITE El punto más importante del programa de mantenimiento consiste en el muestreo y prueba del aceite dieléctrico del transformador. Las muestras deben tomarse de la parte inferior del tanque. Si éstas son tomadas libres de contaminación, serán representativas del aceite al interior del estanque del transformador. Las siguientes pruebas realizadas a cada muestra, reflejarán la condición del aceite dieléctrico: Número de Neutralización Tensión interfacial Rigidez dieléctrica Factor de potencia Es muy importante mantener un registro con los resultados de estos análisis al aceite, porque el valor de la prueba no está dado por un resultado individual sino por la variación de los resultados a lo largo del tiempo. El registro de eventos de la instalación, juntamente con el de los resultados de las pruebas periódicas al aceite y las inspecciones regulares, ayudarán considerablemente en el análisis y diagnóstico de cualquier problema que se presente durante la operación del transformador.

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ACCESORIOS Bushings Requieren muy poco mantenimiento. Las porcelanas se mantendrán limpias y libres de polución del ambiente y deberán ser revisadas regularmente buscando rajaduras o bordes desportilladas. El nivel de aceite de los bushings de AT deberá ser revisado periodicamente. Ensayo de funcionamiento del Relé Buchholz

Empalmar el grifo de ensayo a una manguera de aire comprimido. Introduciendo éste lentamente se puede comprobar el funcionamiento de la señal de alarma. Si el aire comprimido se deja ingresar con gran presión súbitamente en cortos intervalos, el flotador inferior es empujado haciendo actuar así el circuito de desconexión. Es importante no dañar mecánicamente el tubo capilar del sensor de temperatura (termómetro de aceite y bobinados). Evitar pisarlo, golpearlo o doblarlo. Durante el servicio es necesario controlar periódicamente la temperatura del aceite, así como el nivel de aceite del conservador principal y del conmutador bajo vacío. Se controlará también el estado del Silica Gel de los desecadores. Si tuviese color naranja, su estado es seco; si hubiese adquirido un color blanco, se ha humedecido y deberá secarse al horno a 150° - 180° C hasta que recupere su color naranja original, o si es posible se cambiará por sílicagel nuevo.

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ESTUDIO ECONOMICO Y DE PERDIDAS EN LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA 3.1 CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO Y COSTO La mejor interrelación que debe de exigir entre los diversos elementos contenidos dentro de un transformador de potencia seria: 3.1.1 Circuito eléctrico magnéticoLa elección del material esta influenciada por los costos y sus características metalúrgicas y como la existencia en el mercado.Para esta parte de diseño se requiere un elemento de alta conductividad, la plata es el elemento de más alta conductividad pero por su costo mas elevado (50 veces mayor que el cobre) hace que se tome como el elemento a usar el cobre, también el aluminio es económico pero por su mayor tamaño no suele ser adecuado.

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3.1.2 Circuito Mecánicoson los medios para soportar los diferentes esfuerzos mecanicos. Las resistencias mecánicas de las diversas partes del transformador tiene que proporcionar una robustez suficiente para soportar las fuerzas de cortocircuito si lo hubiera. Además en los transformadores se fabrican piezas individuales normalizadas. La unión entre yugos y columnas pueden efectuarse a superficie planas (para evitar los cortocircuitos) entre planchas); los paquetes formados por las planchas van fuertemente unidos y cerrados mediante pernos aislados. Los esfuerzos de presión deben alcanzar por lo menos 5 a 8Kg/cm2 con el fin de evitar el zumbido.

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3.2 BALANCE DE COSTO Y FACILIDAD DE MANTENIMIENTO El rendimiento del transformador es el mejor posible si la suma del costo inicial y el valor actual de las perdidas a lo largo de toda su vida útil prevista sea mínima. Costo total: costo inicial + costo de perdidas Se exceptúa la parte de los gastos de mantenimiento pues es mínimo, debido a sus b ajas perdidas su calentamiento es moderado, siendo el principal componente de este calentamiento al temperatura ambienta, sobre todo en las instalaciones expuestas, por esta razón la degradación de su aislamiento (aceite) es muy lento y casi no requiere mantenimiento; no obstante se tiene que vigilar el correcto nivel de aceite. El ajuste de accesorios, etc. Por todas estas razones el transformador tiene una vida útil de aproximadamente 25 a 30 años.

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3.2.1 Parámetros económicos para evaluación de pérdidas Las perdidas se evaluaran de acuerdo a la siguiente formula Cp = K1xPo + K2xPcu (U$$) Donde: K1 = 4.66 (coeficiente de evaluación de las perdidas en vació) K2 = 1.63 (coeficiente de evaluación de las perdidas con carga) Cp: costo de perdidas del transformador Po: Perdidas en vació del transformador

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3.2.3 Pérdidas que influyen en el costo El diseñador puede fijar el precio del transformador ya que el costo de producción es inversamente proporcional al producto de las perdidas en el cobre y a plena carga. Corrientemente el diseñador puede rebajar el costo del transformador y por tanto disminuir los gastos fijos. También puede variar el diseñador la razón de la perdida en núcleo a la perdida en el cobre a plena carga. Como la pérdida en el núcleo existe siempre que esta accionado el transformador. La perdida en el cobre solo tiene importancia cuando el transformador esta cargado. Por tanto puede deducirse una relación general para la determinación de la razón de pérdidas más económicas. Esta así que la razón de pérdidas constituye un factor en la determinación del costo de funcionamiento para cualquier carga. Si se suman las pérdidas en el núcleo y en el cobre y si se supone que la demanda en KVA debido a las pérdidas se suma aritméticamente con la demanda en KVA debido a la carga, Por tanto los costos anuales de las perdidas del transformador son: Costo anual de energia = 8760.E(Pn) + 8760.E(Wcu) E: gasto de energía para las perdidas del

transformador, dólares por KWh Pn: perdida en el núcleo desconocidas Pcu: perdidas en el cobre desconocidas a potencia nominal.