Transformadores Parte I. Aspectos constructivos. Principio de funcionamiento

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

1. 1
Jorge Patricio Muñoz Vizhñay

2. 2
1.- Introducción.
2.- Definiciones fundamentales
3.- Principio de funcionamiento de un transformador

3. 3
Transformador elementalTransformador elemental
Se utilizan en redes eléctricas para convertir
tensiones o voltajes (monofásicas o
trifásicas) en otros valores de mayor o menor
tensión e igual frecuencia.
El transformador ideal considera nula las
pérdidas de potencia y energía, con lo cual:
Potencia
entrada
@ Potencia
salida
El número de espiras de las bobinas o
devanados son directamente proporcionales
a las tensiones e inversamente
proporcionales a las intensidades.
Cuando el transformador es elevador:
V
2
>V
1;
I
2
<I
1
Cuando el transformador es reductor:
V
2
<V
1;
I
2
>I
1
Los valores nominales que definen a un transformador son:
Potencia aparente (S), Tensiones (U), Corrientes (I) y frecuencia
(f)
Secundario
I
1
I
2
Núcleo de chapa
magnética aislada
Primario
Flujo magnético
Introducción
Es una máquina eléctrica estática destinada
a funcionar en corriente alterna, constituida
por dos arrollamientos, primario y secundario.

4. 4
El silicio (Si) incrementa la resistividad del material
y reduce las corrientes parásitas
En la construcción del núcleo se utilizan chapas
de acero aleadas con silicio (Si) de muy bajo
espesor (0,3 mm) aprox.
Aspectos
constructivos:
circuito magnético
Dispone de:
a) Núcleo
b) Devanados o bobinados
c) Sistema de refrigeración
d) Aisladores pasantes y otros elementos
Las chapas se aíslan mediante un tratamiento
químico (Carlite) y se obtiene por laminación en
frio: aumenta la permeabilidad.
El material más utilizado es la chapa de silicio de
grano orientado por la capacidad que tiene para
orientar el campo electromagnético sin que se
produzcan grandes calentamientos por perdidas.

5. 5
En los transformadores de gran potencia se intercalan
entre las chapas canales de ventilación para evacuar
el calor.
Aspectos
constructivos:
circuito magnético
Mediante este procedimiento se obtienen factores de relleno del 95-98%
Otro aspecto característico constituyen las secciones
transversales de las columnas. En transformadores
pequeños se construyen en forma cuadrada y en
mayores potencias con la bobina circular la sección es
tipo "cruciforme ".

6. Aspectos
constructivos:
circuito magnético
Montaje de láminas de silicio en un transformador de
pequeña potencia.

7. 7
1
2
3
4
5
El núcleo puede
tener sección
cuadrada. Pero
es más frecuente
aproximarlo a la
circular
Montaje chapas
núcleo
Corte a 90ºCorte a 90º Corte a 90ºCorte a 90º Corte a 45ºCorte a 45º Corte a 45ºCorte a 45º
Aspectos
constructivos:
circuito magnético

8. 1
2
3
4
5
Aspectos
constructivos:
circuito magnético
Montaje de láminas de silicio en un transformador

9. 9
Fabricación núcleo: Fabricación núcleo:
chapas magnéticaschapas magnéticas
Aspectos
constructivos:
circuito magnético

10. 10
600-5000 V
4,5 - 60 kV
> 60 kV
Diferentes formas constructivas de devanados según Diferentes formas constructivas de devanados según
tensión y potenciatensión y potencia
Se realizan mediante conductores de cobre en forma de hilos
redondos para diámetros inferiores a 4 mm y sección rectangular
para mayores secciones.
Los conductores de los devanados están aislados entre sí con una
capa de barniz para secciones circulares o con fibra de algodón o
cinta de papel impregnado en aceite para secciones (pletinas)
rectangulares.
Aspectos constructivos:
devanados y aislamientos

11. 11
Estructura de Estructura de
devanados de devanados de
transformadorestransformadores
Aspectos constructivos:
devanados y aislamientos
Los devanados pueden ser concéntricos o alternados.
Los devanados concéntricos tienen forma de cilindros coaxiales, el de BT generalmente
esta más cercano del núcleo por la facilidad de aislar.
En los devanados alternados se subdividen en secciones o "galletas" de tal forma que
las partes de AT y BT se suceden alternativamente.

12. 12
Estructura Estructura
devanados: devanados:
transformador transformador
monofásicomonofásico
Núcleo con 2 Núcleo con 2
columnascolumnas
Núcleo con 3 Núcleo con 3
columnascolumnas
SecundariSecundari
oo
PrimarioPrimario
PrimarioPrimario
SecundarioSecundarioAislanteAislante
ConcéntricoConcéntrico
SecundariSecundari
oo
AislanteAislante
PrimarioPrimario
PrimarioPrimario
AislanteAislante
AlternadoAlternado
SecundariSecundari
oo
Aspectos constructivos:
devanados y aislamientos

13. 13
Estructura Estructura
devanados: devanados:
transformador transformador
trifásicotrifásico
Núcleo con 3 columnasNúcleo con 3 columnas
PrimarioPrimario
SecundarioSecundario
AislanteAislante
Aspectos constructivos:
devanados y aislamientos
Núcleo acorazadoNúcleo acorazado

14. 14
Fabricación núcleo: Fabricación núcleo:
chapas magnéticaschapas magnéticas
Bobinado de Bobinado de
conductores:conductores:
devanadosdevanados
Aspectos constructivos:
devanados y aislamientos
Ensayo (prueba) en vacío

15. 15
1 1 NúcleoNúcleo
1’1’ Prensaculatas Prensaculatas
22 Devanados Devanados
33 Cuba Cuba
4 4 Aletas refrigeraciónAletas refrigeración
55 Aceite Aceite
66 Depósito expansión Depósito expansión
77 Aisladores (BT y AT) Aisladores (BT y AT)
88 Junta Junta
99 Conexiones Conexiones
1010 Nivel aceite Nivel aceite
1111 - 12- 12 Termómetro Termómetro
13 - 1413 - 14 Grifo de vaciado Grifo de vaciado
1515 Cambio tensión Cambio tensión
1616 Relé Buchholz Relé Buchholz
1717 Cáncamos transporte Cáncamos transporte
1818 Desecador aire Desecador aire
1919 Tapón llenado Tapón llenado
2020 Puesta a tierra Puesta a tierra
Aspectos
constructivos:
refrigeración

16. 16
Aspectos constructivos:
Relé Buchholz
El relé Buchholz es un dispositivo que se monta en algunos transformadores (de potencia) en
baño de aceite que van equipados con un depósito externo de expansión en su parte superior.
El relé Buchholz se usa como dispositivo de protección contra fallos del dieléctrico en el interior
del equipo por la descomposición química del aceite. Los gases que fluyen hacia el
conservador de aceite o la onda expansiva generada por la formación rápida de gases activa el
sistema de alarma del relé de Buchholz.
Si el nivel de aceite en el conservador queda por debajo de un valor determinado o sea si el
conservador pierde aceite, el relé de Buchholz toma la función de un indicador del nivel de
aceite.

17. 17
Aspectos
constructivos:
refrigeración
Para transformadores de pequeñas potencias, la superficie externa
es suficiente para evacuar el calor lo que da lugar a transformadores
secos.
Para potencias elevadas se emplea el transformador sumergido en
aceite teniendo la doble misión de refrigerar y aislar.
El aceite mineral procede de un subproducto de la destilación
fraccionada del petróleo.

18. 18
Aspectos
constructivos:
refrigeración
El aceite puede experimentar un proceso de envejecimiento lo que
indica que se oxida y polimeriza notándose la presencia de lodo,
proceso activado por la temperatura, la humedad y el contacto con el
oxígeno del aire.
Para evitar la entrada de humedad se coloca en el transformador un
desecador de cloruro cálcico o un gel de sílice.

19. 19
Aspectos
constructivos:
refrigeración
El bifenilo ploriclorado (PCB) es un aceite de compuesto químico
formado por cloro, carbón e hidrógeno. El PCB es resistente al
fuego, muy estable, no conduce electricidad y tiene baja volatilidad a
temperaturas normales. Éstas y otras características han hecho ideal
para los transformadores. Pero estas cualidades hacen al PCB
peligroso para el ambiente, especialmente su resistencia extrema a
la ruptura química y biológica a través de procesos naturales.

20. 20
Aspectos
constructivos:
refrigeración
Estudios del PCB determinan los efectos que produce en la
salud de los seres humanos. Los científicos convienen en que es
poco probable que la baja exposición a los PCBs, a corto plazo,
genere lesiones serias. Sin embargo, la mayoría coincide sobre
los efectos adversos provocados por la exposición a largo plazo,
incluso en concentraciones bajas.

21. 21
Transformadores en baño de
aceite
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos
Un transformador en baño de aceite con circulación natural por convección refrigerado
por aire con movimiento natural se designa ONAN. Si el movimiento del aire se hace con
ventiladores se denomina ONAF.

22. 22
Transformador seco
OFAF
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos

23. 23
5 MVA5 MVA
Baño de Baño de
aceiteaceite
2,5 MVA2,5 MVA
Baño de aceiteBaño de aceite
1,250 MVA1,250 MVA
Baño de aceiteBaño de aceite
10 MVA10 MVA
Sellado con NSellado con N
22
10 MVA10 MVA
Sellado con NSellado con N
22
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos

24. 24
10 MVA10 MVA
Sellado con NSellado con N
22
10 MVA10 MVA
Sellado con NSellado con N
22
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos
El aceite circula alrededor de los devanados hacia los radiadores donde el calor es
cedido al exterior.
Para potencias elevadas, se pasa aire forzado producido por ventiladores sobre los
radiadores.
En transformadores de varios MVA’s se puede refrigerar mediante un intercambiador de
calor aceite-agua. El aceite caliente se bombea a través de un serpentín en contacto con
el agua fría.

25. 25
Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva.
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos

26. 26
Secciones de transformadores en aceite y secosSecciones de transformadores en aceite y secos
Seco
En aceite
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos
Seco

27. 27
Secciones de transformadores secosSecciones de transformadores secos
Seco
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos

28. 28
Transformador seco
OFAF
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos

29. 29
Transformador seco
OFAF
Aspectos constructivos:
transformadores
trifásicos

30. 30
Transformador seco
Aspectos constructivos:
aisladores pasantes
Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba
mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.
Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.

31. 31
Transformador seco
Aspectos constructivos:
aisladores pasantes
Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba
mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.
Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.

32. 32
Transformador seco
Aspectos constructivos:
potencias comerciales
Monofásicos
(kVA)
Trifásicos
(kVA)
5 15
10 25
15 30
25 45
37,5 50
50 75
75 100
112,5
Transformadores de DistribuciónTransformadores de Distribución
Monofásicos
(kV)
Trifásicos
(kV)
13,2 / √3 13,2
13,8 / √3 13,8
22 / √3 22
2 x 120 V (BT) 3x210 V o 3 x 220 V (BT)

33. 33
Transformador seco
Aspectos constructivos:
potencias comerciales
Placas de Transformadores de DistribuciónPlacas de Transformadores de Distribución

34. 34
Transformador seco
Aspectos constructivos:
potencias comerciales
Símbolos empleados para designar un transformadorSímbolos empleados para designar un transformador

35. 35
Transformador seco
V
2
(t)V
2
(t)
V
1
(t)V
1
(t)
I
0
(t)
I
2
(t)=0
e
1
(t)e
1
(t)
e
2
(t)e
2
(t)
f

(t)f

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

36. Ley de Lenz:Ley de Lenz:
TensiónTensión
máximamáxima
TensiónTensión
eficazeficaz
V
2
(t)V
2
(t)
V
1
(t)V
1
(t)
I
0
(t)
I
2
(t)=0
e
1
(t)e
1
(t)
e
2
(t)e
2
(t)
f

(t)f

(t)
R devanados=0R devanados=0
El flujo esEl flujo es
senoidalsenoidal
e
1
(t) representa la fcem porque se opone a
la tensión aplicada U
1
(t) y limita la
corriente del primario.
e
2
(t) representa la fem inducida por efecto
del primario.
Principio de funcionamiento
de un transformador ideal en vacío

37. 37
TensiónTensión
máximamáxima
TensiónTensión
eficazeficaz
FemFem
eficazeficaz
Repitiendo el
proceso para el
secundario
La tensión aplicada La tensión aplicada
determina el flujo determina el flujo
máximo de la máquinamáximo de la máquina
V
2
(t)V
2
(t)
V
1
(t)V
1
(t)
I
0
(t)
I
2
(t)=0
e
1
(t)e
1
(t)
e
2
(t)e
2
(t)
f

(t)f

(t)
Transformador en vacíoTransformador en vacío
R devanados=0R devanados=0
mm
Principio de funcionamiento
de un transformador ideal en vacío

38. V
2
(t)V
2
(t)
V
1
(t)V
1
(t)
I
0
(t)
I
2
(t)=0
e
1
(t)e
1
(t)
e
2
(t)e
2
(t)
f

(t)f

(t)
R devanados = 0R devanados = 0
Principio de funcionamiento
de un transformador ideal en vacío
El transformador ideal sin carga o en vacío se comportará como una bobina con núcleo
de hierro, en este caso el transformador absorberá una corriente de vacío I
0
. La
corriente I
0 forma un ángulo φ
0 con la tensión aplicada V
1. De esta manera la potencia
absorbida en vacío P
0, será igual a las pérdidas en el hierro P
Fe, cumpliéndose:
001Fe0 cos I VPP j==

39. V
2
(t)V
2
(t)
V
1
(t)V
1
(t)
I
0
(t)
I
2
(t)=0
e
1
(t)e
1
(t)
e
2
(t)e
2
(t)
f

(t)f

(t)
R devanados = 0R devanados = 0
Principio de funcionamiento
de un transformador ideal en vacío
La I
0 tiene dos componentes, una activa I
Fe y otra
reactiva I
ᵤ
I
Fe
I
Fe
I
m
I
m
V
1
=E
1
V
1
=E
1
V
2
=E
2
V
2
=E
2

40. 40
V
2
(t)V
1
(t)
I
1
(t) I
2
(t)
P
2P
1
P=0
Considerando el transformador
ideal donde la conversión se
realiza sin pérdidas:
Pot
entrada @ Pot
salida
P
1
@ P
2
V
1
*I
1
= V
2
*I
2
P
1
@ P
2
V
1
*I
1
= V
2
*I
2
Considerando que la tensión del
secundario con carga es la
misma que en vacío:
V
2vacío @ V
2carga
Las relaciones de
tensiones y
corrientes son
INVERSAS
El transformador no modifica la potencia que se transfiere, tan
solo altera la relación entre tensiones y corrientes
f

(t)f

(t)
mm
Principio de funcionamiento
Relación entre corrientes

41. 41
V
2
(t)V
1
(t)
I
1
(t) I
2
(t)
P
2P
1
P
núcleo
Considerando las pérdidas en el
transformador, la corriente primaria
será:
Principio de funcionamiento
Relación entre corrientes
f

(t)f

(t)
m
2
0201
I
I III +=+=
,
Ecuación que expresa la relación
entre la corriente primaria I
1
, de vacío
I
0
y secundaria I
2
.
La corriente I
1
tiene dos componentes:
1.La corriente de excitación o vacío I
0
produce el flujo magnético en el núcleo y vence las
pérdidas a través de sus componentes I
Fe
e I
ᵤ
.
2.La corriente de carga I
2
’ que equilibra o contrarresta la acción desmagnetizante de la fmm
secundaria para que el flujo en el núcleo permanezca constante e independiente de la carga.

42. 42
f

(t)
Flujo de dispersión: se cierra por el
aire
V
2V
1
I
2
(t)=0I
0
Representación simplificada del flujo
de dispersión en el devanado
primario.
El flujo producido por la bobina se
reparte en una parte en el aire y otra
en el núcleo.
Representación simplificada del flujo
de dispersión en el devanado
primario.
El flujo producido por la bobina se
reparte en una parte en el aire y otra
en el núcleo.
En vacío no circula
corriente por el
secundario y, por tanto,
no produce flujo de
dispersión.
En vacío no circula
corriente por el
secundario y, por tanto,
no produce flujo de
dispersión.
En serie con el
bobinado primario
se colocará una
resistencia interna
del devanado y
una reactancia de
dispersión que
será la que genere
el flujo de
dispersión.
En serie con el
bobinado primario
se colocará una
resistencia interna
del devanado y
una reactancia de
dispersión que
será la que genere
el flujo de
dispersión.
I
2
=0
V
2V
1
f

(t)
I
0
R
1
X
d1
Flujo de
dispersión
Resistencia
interna
e
1
(t)
Principio de funcionamiento
de un transformador real
10d1011
eIjXIRV +*+*=

43. 43
V
1
f

(t)
I
1
R
1 X
d1
Flujo de Flujo de
dispersióndispersión
ResistenciResistenci
aa
internainterna
e
1(t) V
2
R
2
ResistenciResistenci
aa
internainterna
X
d2
Flujo de Flujo de
dispersióndispersión
I
2e
2(t)
El bobinado secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia
de dispersión como el primario. Donde e
1
y e
2
son las fem’s, resulta E
1
y E
2
en valores eficaces
(donde ø
m
es el flujo máximo que circula por le circuito magnético):
Principio de funcionamiento
de un transformador real con carga
m2
m1
φNf4,44
φNf4,44
***=
***=
2
1
E
E
2222
1111
IIEV
IIEV
*-*-=
*+*+=
22
11
jXR
jXRA X
d1
y X
d2
se ha denominado con X
1
y X
2

denominadas reactancias de dispersión.

44. 44
V
1
f

(t)
I
1
R
1 X
1
Flujo de Flujo de
dispersióndispersión
ResistenciResistenci
aa
internainterna
e
1(t) V
2
R
2
ResistenciResistenci
aa
internainterna
X
2
Flujo de Flujo de
dispersióndispersión
I
2e
2(t)
Principio de funcionamiento
de un transformador real con carga
22
11
EV
EV
»
»
m
N
N
E
E
2
1
2
1
==
m
V
V
2
1
»
La relación entre los valores
eficaces será:
Las caídas de tensión a plena carga en las
resistencias y reactancias parásitas son muy
pequeñas del orden del 1,0 al 10% de V
1
por lo
que las relaciones se convierten en:

45. 45
Se tiene la ventaja de desarrollar circuitos eléctricos equivalentes de máquinas
eléctricas para aplicar el potencial de la teoría de los circuitos eléctricos.
El circuito equivalente se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de
espiras. Generalmente se reduce el secundario al primario y se marca a los elementos
del secundario referido al primario con una tilde.
X
1
V
2
’V
1
R
1 R
2
’X
2
’
I
2
’
I
1
X
m
I
m
R
Fe
I
Fe
I
0
Circuito equivalente de un transformador realCircuito equivalente de un transformador real

Circuito equivalente
22
VmV *=
,
m
I
I
2
2
=
,
2
2
2
RmR *=
,
2
2,
2
XmX *=
L
2,
L
ZZ *=m

46. 46
X
1
V
2
’V
1
R
1
R
2’=m
2
R
2X
2’=m
2
X
2
I
2’
I
1
X
m
I
m
R
Fe
I
Fe
I
0
Circuito equivalente de un transformador realCircuito equivalente de un transformador real

El circuito equivalente
permite calcular todas las
variables incluidas pérdidas
y rendimiento.
Los elementos del
circuito equivalente se
obtienen mediante
ensayos o pruebas.

Una vez resuelto el circuito
equivalente los valores reales
del lado secundario pueden
ser obtenidos pasando del
primario al secundario con la
relación de transformación.
Circuito equivalente
La importancia de la reducción de los devanados al haber elegido la igualdad N
2’=N
1
radica en que se puede obtener el transformador sin función de transformación, es decir
se sustituye los devanados acoplados magnéticamente por un circuito eléctrico acoplado
eléctricamente.

47. 47
Circuito equivalente
En la práctica, debido al reducido valor de I
0
frente a las corrientes I
1
e I
2
se suele
trabajar con un circuito equivalente aproximado que se obtiene trasladando la rama en
paralelo a los bornes de entrada del primario.
Circuito equivalente aproximado de un Circuito equivalente aproximado de un
transformador reducido al primariotransformador reducido al primario
R
1
R
1 X
1
X
1 R
2
’R
2
’
X
2
’X
2
’
V
1
V
1
V
2’V
2’
I
1
I
1
I
2
’I
2
’I
0
I
0

48. 48
Circuito equivalente
De esta manera el circuito resultante tendrá una impedancia serie: R
cc + j X
cc (resistencia
y reactancia de cortocircuito).
Circuito equivalente aproximado de un Circuito equivalente aproximado de un
transformador reducido al primariotransformador reducido al primario
R
cc
R
cc X
cc
X
cc
V
1
V
1 V
2’V
2’
I
1
(t)I
1
(t)
I
2
’(t)I
2
’(t)I
0
I
0
'
21cc
'
21cc
XXX
RRR
+=
+=