INSTITUTO TECNOLÓGICO DEL ISTMO.

CARRERA:

INGENIERÍA ELÉCTRICA.

MATERIA:

TRANSFORMADORES.

PROFESOR:

DR. ISIDRO CASTILLO TOLEDO.

NOMBRE DEL TRABAJO:

OPERACIÓN CON CARGA Y CIRCUITOSEQUIVALENTES DEL TRANSFORMADOR.

EQUIPO:

3.2.

INTEGRANTES:

LUCAS MARTÍNEZ ZÁRATE.REYNEL GARCÍA ORDAZ.

FILIBERTO RIOS PURA.PABLO ELÍAS VARGAS LUIS.

JOSEHP ABIDAN VÁSQUEZ PINEDA.

GRUPO:

5 “L”

Heroica ciudad de juchitan de Zaragoza, oax. Agosto del 2009.

H. Cd. Juchitán de Zaragoza, Oaxaca, 26 de Octubre de 2015.

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AGRADECIMIENTOS. Me gustaría agradecer la importante contribución de los padres, que nos brindan la oportunidad que muchas veces ellos no tuvieron, también por el apoyo incondicional que siempre tenemos de parte de ellos. A los profesores que dedican tu tiempo y esfuerzo en la gran labor de la docencia. A las instituciones educativas que rigen el proceso de aprendizaje. A todas las personas involucradas que fomentan la educación.

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CONTENIDO

NOTACIÓN Y/O ACRÓNIMOS....................................................................................................iv

LISTA DE FIGURAS..........................................................................................................................v

RESUMEN............................................................................................................................................vi

Capítulo 2INTRODUCCIÓN................................................................................................................................7

Capítulo 3.23.6 PRUEBAS BÁSICAS A TRANSFORMADORES........................................................................8

3.6.1 Relación de transformación................................................................................................8

3.6.2 Polaridad..............................................................................................................................9

3.6.3 Resistencia de devanados...................................................................................................10

3.6.4 Resistencia de aislamiento.................................................................................................13

3.6.5 Rigidez dieléctrica del aceite.............................................................................................14

3.6.6 Pruebas especiales..............................................................................................................15

3.7 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR EMPLEANDO LA PRUEBA DE CORTO CIRCUITO Y DE CIRCUITO ABIERTO...........................................17

3.8 CÁLCULO DE REGULACIÓN DE TENSIÓN.........................................................................20

3.9 DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS Y CÁLCULO DE LA EFICIENCIA...................21

Capítulo 4CONCLUSIÓNES.................................................................................................................................22

REFERENCIAS....................................................................................................................................23

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NOTACIÓN Y/O ACRÓNIMOS.

Ep La relación entre la fuerza electromotriz inductora.E s La fuerza electromotriz inducida.N p Número de espiras del devanado primario.N s Número de espiras del devanado secundario.M La relación de transformación de la tensión.V p La tensión en el devanado primario o tensión de entrada.V s La tensión en el devanado secundario o tensión de salida.I p La corriente en el devanado primario o corriente de entrada.I s La corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

AV Alto voltaje.BV Bajo voltaje.R2 Resistencia corregida a la Temperatura T 2.T 2 Temperatura a la cual se desea corregir el valor de la resistencia R x.T 1 Temperatura a la cual se mide la resistencia R x.Rp Resistencia medida en el devanado primario en ohms.R s Resistencia medida en el devanado secundario en ohms.I p Corriente primaria en amperes.I s Corriente secundaria en amperes.

Poc La potencia en vacío.V n Tensión nominal.I m La corriente magnetizante.Ph Las pérdidas en el hierro.R x La resistencia del arrollamiento de baja tensión.ENL Voltaje en el secundario sin carga.EFL Voltaje en el secundario a plena carga.

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LISTA DE FIGURAS.

Figura 3.6.1 Núcleo del Transformador………………………………………... 8Figura 3.6.2 Las Polaridades Aditiva y Sustractiva…………………………… 9Figura 3.6.2.1 Determinación de la Polaridad de un Transformador……………. 10Figura 3.6.3 Conexiones para la Medición de la Resistencia de Devanado…….11Figura 3.6.3.1 Diagrama para la Medición de la Resistencia del Transformador. 12Figura 3.6.5 Copa Estándar para la Prueba de Rigidez Dieléctrica……………..14Figura 3.6.5.1 Probador de Rigidez Dieléctrica Tipo Portátil…………………….14Figura 3.7 Conexión Típica de Instrumento en el Ensayo de Vacío………… 18Figura 3.7.1 Rendimiento del Transformador………………………………….. 20

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RESUMEN. En este trabajo se presenta las distintas pruebas básicas a transformadores que se deben de realizar para saber el estado y funcionamiento en el que se encuentra y posteriormente tomar medidas pertinentes al evaluar e interpretar los resultados de la prueba. Se realiza una breve explicación para determinar los parámetros del transformador empleando la prueba de corto circuito y de circuito abierto y el cálculo de la regulación de la tensión.

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INTRODUCCIÓN.

El mantenimiento preventivo de los transformadores ha estado basado en la determinación de la resistencia de su aislamiento junto con la medición de la rigidez dieléctrica de su aceite. Sin embargo, se sabe que pruebas como el factor de potencia del aislamiento, contenido de humedad, acidez, entre otras son muy importantes para obtener un diagnóstico más acertado del estado del transformador.Un trasformador con su sistema de aislamiento adecuadamente, será capaz de soportar de una mejor manera problemas como: sobrevoltajes debido a maniobras o a descargas atmosféricas, cortocircuitos internos entre otros.

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3.6 PRUEBAS BÁSICAS A TRANSFORMADORES.

3.6.1 Relación de transformación.

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

Ep

E s=

N p

N s (3.6.1)

La relación de transformación (α) 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 [1].

N p

N s=

V p

V s=

I s

I p=α (3.6.2)

Dónde: (V p) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (V s) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, ( I p) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (I s) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

Figura 3.6.1 Núcleo del transformador.

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:

V 1 I 1=V 2 I2 (3.6.3)

El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante [1].

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3.6.2 Polaridad.

Marcas de polaridad de terminales estándar. En transformadores de potencia, las terminales están designadas por los símbolos H1 y H 2 para el devanado de alto voltaje (AV) y por X1 y X2 para el devanado de bajo voltaje (BV). Por convención, H 1 y X1 tienen la misma polaridad.

Aunque se conoce la polaridad cuando se dan los símbolos H1, H 2, X1 y X2, en el caso de transformadores de potencia es común montar las cuatro terminales en el tanque del transformador de una manera estándar para que el transformador tenga polaridad aditiva o sustractiva. Se dice que un transformador tiene polaridad aditiva cuando la terminal H 1 está diagonalmente opuesta a la terminal X1. Asimismo, un transformador tiene polaridad sustractiva cuando la terminal H 1 está adyacente a la terminal X1 (Fig. 3.6.2). Si sabemos que un transformador de potencia tiene polaridad aditiva (o sustractiva), no tenemos que identificar las terminales mediante símbolos [2].

La polaridad sustractiva es estándar para todos los transformadores monofásicos de más de 200 kVA, siempre que la capacidad del devanado de alto voltaje sea de más de 8660 V. Todos los demás transformadores tienen polaridad aditiva [2].

Polaridad aditiva Polaridad sustractiva

Figura 3.6.2 Las polaridades aditiva y sustractiva dependen de la ubicación de las terminales H_1-X_1.

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Pruebas de polaridad.

Para determinar si un transformador posee polaridad aditiva o sustractiva, procedemos como sigue (Fig. 3.6.2.1):

1. Se conecta el devanado de alto voltaje a una fuente de ca Eg de bajo voltaje (por ejemplo, de 120 V).

2. Se conecta un alambre de cierre o puente J entre dos terminales AV y BV adyacentes cualesquiera.

3. Se conecta un voltímetro E x entre las otras dos terminales AV y BV adyacentes.4. Se conecta otro voltímetro Ep a través del devanando AV. Si E x da una lectura más

alta que Ep, la polaridad es aditiva. Esto quiere decir que H 1 y X2 están diagonalmente opuestas. Por otra parte, si E x da una lectura más baja que Ep, la polaridad es sustractiva y las terminales H 1 y X1 son adyacentes.

Figura 3.6.2.1 Determinación de la polaridad de un transformador mediante una fuente de ca.

En esta prueba de polaridad, el puente J conecta en serie el voltaje E s del secundario con el voltaje del primario Ep. Por consiguiente, E s no suma a Ep ni resta de él. En otras palabras, E x= Ep + E s o E x= Ep - E s, según la polaridad. Ahora podemos ver cómo se originaron los términos aditivo y substractivo.

Al realizar la prueba de polaridad, se puede conectar una fuente ordinaria de 120 V y 60 Hz al devanado AV, aun cuando su voltaje nominal sea de varios cientos de kilovolts [2].

3.6.3 Resistencia de devanados.

Para determinar el rendimiento de los transformadores, se debe considerar que éstos tienen cierto tipo de pérdidas eléctricas y magnéticas que es necesario evaluar. Estas se clasifican como:

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Pérdidas en el fierro o núcleo. Pérdidas debido a la resistencia de los devanados (RI2) o de efecto joule. Pérdidas adicionales.

Las pérdidas en el núcleo se miden con el circuito secundario abierto a los valores nominales de frecuencia y la tensión en el devanado primario (o secundario a circuito abierto).

Las pérdidas debidas a las resistencias en los devanados se calculan en base a los valores óhmicos de las resistencias medidas en corriente continua y referida a 75°C de temperatura. Las corrientes de referencia para las condiciones de plena carga son las nominales de los devanados.

Las pérdidas adicionales se obtienen de la prueba de corto circuito y se deben referir a la temperatura de 75°C, haciéndolas cambiar proporción inversa a las variaciones de los valores de la resistencia óhmica en función de la corriente nominal.

Medición de la resistencia óhmica.

La medición de la resistencia óhmica de los devanados de los transformadores se realiza por el método del vóltmetro y el ampérmetro. Algunas veces se puede recurrir a los métodos de medición con puentes de medida, o bien, por comparación. Por lo que respecta a la valoración de los resultados obtenidos en una medición de resistencia óhmica por este método, sobre todo cuando se requiere la corrección sistemática de los errores, se debe adoptar un procedimiento general de medición de resistencia óhmica. A continuación se indican los pasos principales para la medición de resistencia [1].

1. El diagrama indicado se debe usar para la medición de resistencia de valor bajo (devanado secundario) del orden de décimas en ohm, de otra manera, el vóltmetro se debe instalar antes del ampérmetro.

2. La medición está afectada de un error sistemático, ya que el ampérmetro mide también la corriente absorbida por el vóltmetro.

3. La lectura de los dos instrumentos se debe hacer en forma simultánea.4. En la resistencia por medir, la corriente se debe mantener a un valor tal que no caliente

sensiblemente la resistencia.

Figura 3.6.3 Conexiones para la medición de la resistencia (óhmica) de devanado.

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Figura 3.6.3.1 Diagrama de conexiones para la medición de la resistencia óhmica del devanado del transformador.

Un ejemplo de cómo manejar la información de la medición de resistencia por el método de voltmetro y el ampérmetro, cuando se usan instrumentos analógicos, se muestra a continuación:La medición de la resistencia óhmica se hace siempre a máquina fría, es decir, los devanados se consideran a la temperatura ambiente. La temperatura de referencia se establece de la media leída por un cierto número de termómetros localizados sobre la máquina [1].

El valor de la resistencia R x medida a la temperatura ambiente, se debe corregir a la temperatura de 75°C (temperatura de operación normal del transformador) para los transformadores con devanados de cobre, para esto se puede aplicar la expresión general:

R2=234.5+T 2

234.5+T 1 (3.6.3)

Donde:

R2: Resistencia corregida a la Temperatura T 2.T 2: Temperatura a la cual se desea corregir el valor de la resistencia R x.T 1: Temperatura a la cual se mide la resistencia Rx.

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El cálculo de las pérdidas por efecto joule en un transformador de dos devanados, con una relación de transformación a se puede deducir de la expresión:

P=R p I P2+R s I s2 (3.6.4)

Donde:

I s=aI p (3.6.5)

De manera que la expresión para las pérdidas se transforma en:

P (Rp+a2 R s )I p2 (3.6.6)

Siendo:

Rp: Resistencia medida en el devanado primario en ohms.R s: Resistencia medida en el devanado secundario en ohms.I p: Corriente primaria en amperes.I s: Corriente secundaria en amperes.

3.6.4 Resistencia de aislamiento.

La resistencia de aislamiento no está directamente relacionada a la resistencia dieléctrica del material. En principio, cualquier material puede conducir si se le aplica un potencial sufijen alto al mismo y puede llevar a la ruptura dieléctrica. La prueba es esencialmente indicativa y puede servir de base para determinar si es posible realizar otros experimentos de alto voltaje al aislamiento [1].

La resistencia de aislamiento se define como: el valor de la resistencia en megaohms que ofrece un aislamiento al aplicarle un voltaje de corriente directa, durante un tiempo dado y medido a partir de la aplicación del mismo. Se usa como referencia de tiempo de 1 a 10 minutos. A la corriente que fluye como resultado de la aplicación del voltaje de corriente directa a un asilamiento se le conoce como, corriente de aislamiento, y tiene dos componentes principales [1].

La corriente que circula dentro del volumen del propio aislamiento. Esta corriente tiene dos componentes:

Una corriente capacitiva Una corriente de absorción dieléctrica.

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La corriente superficial al aislamiento, conocida también como corriente de fuga.

3.6.5 Rigidez dieléctrica del aceite.

La determinación de la rigidez dieléctrica del aceite es importante para verificar la capacidad que tiene para soportar esfuerzos dieléctricos sin fallar.

El valor de la rigidez dieléctrica está representado por el voltaje al que se presenta la ruptura dieléctrica del aceite entre los electrodos de prueba, bajo ciertas condiciones predeterminadas. Permite también detectar la presencia de agentes contaminantes como agua, suciedad o algunas partículas conductoras en el aceite. Un valor elevado de rigidez dieléctrica no indica ausencia de otros contaminantes necesariamente.

Para la realización de la prueba se puede usar, en general, cualquier probador de rigidez dieléctrica en el que los elementos que lo constituyen son principalmente: el transformador elevador, un vóltmetro de media, el equipo de interrupción y los electrodos dentro de la copa estándar (Fig. 3.6.5) [1].

Figura 3.6.5 Copa estándar para la prueba de rigidez dieléctrica.

Figura 3.6.5.1 Probador de rigidez dieléctrica tipo portátil.

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La separación entre los electrodos que se encuentran en la copa estándar debe de ser de 2,54 mm (0.10 plg), valor ajustado con un calibrador que forma parte del propio probador de rigidez dieléctrica del aceite (Fig. 3.6.5.1) [1].

Los electrodos y la copa en donde se colocaron las muestras de aceite se deberán limpiar con papel seco o gamuza, de manera que quede libre de pelusa, tratando de no tocar con los dedos los electrodos durante el proceso de limpieza. Después se enjuaga con un solvente como thiner o gasolina blanca, y finalmente, antes de hacer la primera prueba se debe enjuagar la copa con aceite nuevo y seco, para efectuar una prueba de ruptura dieléctrica con una muestra del mismo. Si el valor de la ruptura es inferior a 35 kV, se debe efectuar nuevamente la limpieza de la misma.

Para efectuar una prueba representativa en una muestra de aceite que se sospecha contiene impurezas, se debe evitar agitación en el aceite, ya que esto puede introducir una cantidad de aire en el mismo.

Para tomar una muestra representativa del total del aceite, se recomienda tomar las precauciones siguientes:

Los recipientes de prueba deben estar limpios y secos.

La válvula de drenaje del transformador se debe limpiar y drenar previamente.

El recipiente de prueba se debe enjuagar una vez con el aceite a probar.

Cuando la humedad relativa sea mayor a 50%, no es recomendable tomar muestras.El procedimiento de prueba es el siguiente:

Cuando se desea determinar la rigidez dieléctrica de un aceite, se debe efectuar una prueba de ruptura en cada una de las copas. En el caso de los ensayos de rutina, cuando se requiere determinar la rigidez dieléctrica de un aceite, se efectúa una prueba de ruptura en dos llenados sucesivos de la copa estándar de prueba. El valor mínimo especificado es de 26 kV para aceites usados y de 30 kV para aceites nuevos durante un minuto. En los aceites usados, si cualquiera de los dos experimentos se realizan en las muestras sucesivas es menor de 26 kV, entonces se deberán hacer tres ensayos adicionales de tres muestras. Cuando el ensayo se realiza con electrodos planos, estos se deben efectuar aplicando voltaje a razón de 3Kv/seg [1].

3.6.6 Pruebas especiales.

En la fabricación de un transformador se emplean materiales tales como el hierro, cobre o hierro, cobre o aluminio y aislamientos; cada uno de estos elementos debe llenar los requisitos que se han fijado, de tal manera que el conjunto cumpla, a su vez, con los fines para lo cual

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fue diseñado; para conocer sus características o tener una idea del estado en que esta, es necesario efectuar pruebas en estos elementos.

Prueba de potencial aplicado.

Esta prueba se desarrolla en la sección de alta tensión del laboratorio, por lo que al existir una materia en la está incluida el laboratorio de alta tensión puede excluirse del correspondiente a la materia conversión de la energía, ya que con las pruebas anteriores basta para decidir si se puede usar un transformador o no para los fines de laboratorio de conversión de la energía. Sin embargo conviene mencionar brevemente el desarrollo de esta prueba.

Una vez efectuadas las pruebas de resistencia de aislamiento y de impulso (en ocasiones) se procede realizar la de potencial aplicado. Las conexiones en esta prueba se efectuaran en la misma forma que para la prueba de resistencia de aislamiento, solo que en vez de ser el megger la fuente de potencial, es un transformador que está diseñado para tal fin. La medición del voltaje aplicado se efectuará por medio de un voltímetro conectado a través de un transformador de potencial, o también por medio de un voltímetro de esferas; esto depende de la clase de aislamiento del equipo de prueba que se ha sometido [4].

El valor eficaz de voltaje por aplicar dependerá también de la clase de aislamiento del equipo que se prueba pero se puede seguir en general el siguiente criterio:

Vprueba = 2Vnominal+100 (3.6.6)

Para transformadores usados, tómese el 75% del V de prueba, la tensión mínima de aplicación será 4000 volts.

Prueba de sobre potencial (potencial inducido).

Esta prueba tiene por objeto comprobar el estado de aislamiento entre espiras y entre las secciones que tiene un mismo devanado. La forma a realizarla es la siguiente:

a) Excite uno de los devanados del transformador (generalmente el de menos tensión) con un voltaje del 200% que corresponda a dicho devanado, es decir;

Vprueba= 2Vnominal (3.6.7)Con esto se logra el aislamiento entre espiras y secciones, este sujeto a esfuerzos dieléctricos correspondientes al doble de la tensión a la cual van a trabajar.

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b) Esta prueba se debe efectuar con una frecuencia que tengas un valor mínimo de 120 c.p.s., y su tiempo de duración será el correspondiente a completar 7200 ciclos, es decir:

T= 7200

Frecuencia empleada. La frecuencia empleada es mayor que la alimentación nominal, ya que si se mantienen esta última, la corriente de excitación puede llegar a valores muy altos, por lo que se establece la frecuencia mínima de 120 c.p.s.

Prueba de impulso.

La prueba de impulso y de tensión aplicada son destructivas por lo cual se deberán efectuar por un mínimo de veces en la vida de un aislamiento. Esta prueba también se desarrolla, en la sección de laboratorio correspondiente a la alta tensión, ya es necesario contar con un equipo que produzca las descargas atmosféricas (generador de impulsos). La prueba se desarrollará de acuerdo a las pruebas normales de impulso:

1. Una onda completa del 50% del nivel de aislamiento.2. Dos ondas abatidas en la parte descendente.3. Una onda completa con cresta igual al nivel de aislamiento.

La onda estándar para el impulso de prueba es de 1.2 x 50 microsegundos. Si e transformador es capaz de disipar estas ondas sin dañarse, pasa la prueba [4].

3.7 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR EMPLEANDO LA PRUEBA DE CORTO CIRCUITO Y DE CIRCUITO ABIERTO.

Las pérdidas en el hierro a la tensión nominal o de funcionamiento, como consecuencia de lo anterior sólo pueden obtenerse excitando uno cualquiera de los devanados del transformador a su tensión nominal. Como la mayoría de los transformadores de potencia de transporte y de distribución tienen uno o más arrollamiento de muy alta tensión, lo más corriente y seguro para realizar el ensayo de vacío para determinar las pérdidas en el hierro consiste en trabajar sobre el arrollamiento correspondiente a la tensión más baja. Las conexiones típicas pueden verse en la fig. 3.7 para un transformador de dos devanados, con la tensión nominal aplicada a los terminales de baja tensión, X1=X2, y los terminales de alta tensión H 1=H2, abiertos. Como se aplica la tensión nominal al lado de la baja tensión, la tensión nominal aparecerá también en los terminales de lado de alta tensión. Deben tomarse

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precauciones para ver que estos terminales a alta tensión estén adecuadamente aislados entre sí y del personal (fig. 3.7).

Figura 3.7 Conexión típica de instrumento en el ensayo de vacío para la determinación de las pérdidas en el hierro.

La finalidad principal cuando se realiza el ensayo en circuito abierto es medir las pérdidas en el hierro a tensión nominal. El procedimiento para la realización del ensayo en vacío es como sigue:

1. Variar el potenciómetro o el transformador regulable desde cero hasta la tensión nominal correspondiente al arrollamiento particular.

2. Anotar la potencia en vacío Poc, a tensión nominal, V n, y la corriente magnetizante, I m, que se hayan medido en el watímetro, voltímetro y amperímetro, respectivamente.

3. Calcular las pérdidas en el hierro a partir de Ph=Poc−I m2 R x, donde R x es la resistencia

del arrollamiento de baja tensión seleccionado.

Debido a que el transformador está en vacío, la corriente de vacío es relativamente pequeña, así como la resistencia del arrollamiento particular de baja tensión sobre el cual se ha realizado el ensayo. En la mayoría de los casos, por lo tanto, se acostumbra tomar la lectura del watímetro como valor de pérdida en el hierro sin restarle las pequeñas pérdidas en el cobre en el arrollamiento debidas a la corriente magnetizante.

Además de la regularización de tensión, es posible usar los datos de los ensayos en circuito abierto y en corto circuito para calcular el rendimiento de un transformador. Debe hacerse notar que ambos ensayos emplean técnicas convencionales en lugar de la carga directa (Las ventajas, de las técnicas de ensayo convencionales son que se necesitan pequeñas cantidades de potencia para realizar los ensayos, y a menudo no se tienen grandes cargas disponibles para el ensayo de los grandes transformadores.) Un transformador, cuyo secundario esté en vacío, consume soló la potencia para sus pérdidas en el hierro menos del uno por ciento de su potencia nominal. La potencia consumida durante el ensayo de cortocircuito, de manera parecida, es muy pequeña, ya que la potencia de entrada es esencialmente la correspondiente a las pérdidas nominales en el cobre del transformador, las cuales, asimismo, son menores del uno por ciento de su potencia nominal [5].

Transformador cuyo rendimiento para cualquier valor de la carga es:

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η=Psal

P sal+Ppérd=

V 2 I 2 cosθ2

V 2 I 2cosθ2+[ pérdidas enel hierro+ I 22 R e2

] (3.7)

Obsérvese que el numerador anterior representa la potencia útil transferida del primario al secundario y a la carga. El término entre paréntesis en el denominador representa las pérdidas que tienen lugar durante esta transferencia.

Las pérdidas son de dos tipos:

1) Unas pérdidas fijas, las pérdidas en el hierro.2) Las pérdidas variables, las pérdidas en el cobre, referidas al secundario.

Debe hacerse notar que el único término fijo de (3.7) es el de las pérdidas en el hierro. El término de la potencia útil y el de las pérdidas equivalentes en el cobre son ambos funciones de I 2, la corriente de carga del secundario.

El rendimiento máximo tiene lugar cuando las pérdidas fijas y las variables son iguales.

I 22 Re2

=Ph (3.7.1)

DondePh son las pérdidas en el hierro; pérdidas fijas determinadas a partir del ensayo de vacío.

El valor de la intensidad de carga del secundario para el que se consigue el rendimiento máximo es.

I 2=√Ph/R e2 (3.7.2)

Además debe hacerse notar que el factor de potencia de la carga, cosθ2, determina la magnitud del término de potencia útil en (3.7). Para el mismo valor de la intensidad nominal de carga, I 2

, una reducción del factor de potencia va acompañado de una reducción correspondiente de rendimiento (fig. 3.7.1). Para cargas relativamente pequeñas, las pérdidas fijas son elevadas en relación con la potencia de salida, y el rendimiento es bajo. Con cargas fuerte (salida mayor que la nominal), las pérdidas variables (en el cobre) son elevadas en proporción a la salida y el rendimiento es de nuevo bajo. Desde luego, el rendimiento máximo tiene lugar a un valor de la carga tal que en él las pérdidas fijas (en el hierro) son iguales a las pérdidas variables (en el cobre). La curva de rendimiento, por consiguiente, crece desde cero (salida cero, en vacío) hasta un máximo, a un valor comprendido entre la mitad y la plena carga nominal, y disminuye luego de nuevo para cargas superiores (superiores a la nominal) [5].

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Figura 3.7.1 Rendimiento del transformador en función del factor de potencia de la carga.

3.8 CÁLCULO DE REGULACIÓN DE TENSIÓN.

Debido a que un transformador real tiene impedancia serie dentro de él, su voltaje de salida varía con la carga, aunque el voltaje de entrada permanezca constante. Para comparar adecuadamente transformadores en este aspecto, se acostumbra definir una cantidad llamada regulación de voltaje (VR). La regulación de voltaje a plena carga es una cantidad que compara el voltaje de salida del transformador sin carga (en vacío) con el voltaje de salida del transformador a plena carga [3].

Un importante atributo de un transformador es su regulación de voltaje. Con el voltaje aplicado en el primario mantenido de manera constante a su valor nominal, la regulación del voltaje, en porcentaje, es definida por la ecuación [2]:

%Regulación de voltaje=ENL−EFL

EFL∗100 (3.8)

Donde:

ENL = voltaje en el secundario sin carga [V].EFL = voltaje en el secundario a plena carga [V].

La regulación del voltaje depende del factor de potencia de la carga. Por consiguiente, se debe especificar el factor de potencia. Si la carga es capacitiva, el voltaje sin carga puede exceder el voltaje a plena carga, en cuyo caso la regulación del voltaje es negativa [6].

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Un transformador monofásico de 3000 kVA, 69kV/ 4.16 kV, 60 Hz tiene una impedancia interna Zp total de 127Ω, desplazada al lado del secundario [2].

3.9 DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS Y CÁLCULO DE LA EFICIENCIA.

Como cualquier máquina eléctrica, un transformador experimenta pérdidas, que son las siguientes:

1. Pérdidas I 2 R en los devanados (pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre).2. Pérdidas por histéresis o corrientes parásitas en el núcleo.3. Pérdidas parásitas producidas por corrientes inducidas en el tanque o contenedor y en

los soportes metálicos por flujos de dispersión en el primario y el secundario.

Las pérdidas aparecen en forma de calor y producen:

1) Un incremento de la temperatura.2) Una reducción de la eficiencia.

En condiciones normales de operación, la eficiencia de los transformadores es muy alta; puede llegar al 99.5 por ciento en el caso de transformadores de grandes potencias.

El calor producido por las pérdidas en el hierro depende del valor pico del flujo mutuo Φm, el cual depende a su vez del voltaje aplicado. Por otra parte, el calor disipado en los devanados depende de la corriente que transportan. Por consiguiente, para mantener la temperatura del transformador a un nivel aceptable, debemos establecer límites tanto para el voltaje aplicado como para la corriente absorbida por la carga. Estos dos límites determinan el voltaje nominal Enp y la corriente nominal I np del devanado del transformador (primario o secundario).

La capacidad de potencia de un transformador es igual al producto del voltaje nominal por la corriente nominal en el devanado primario o en el secundario. Sin embargo, el resultado no se expresa en watts porque el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente puede tener cualquier valor, según la naturaleza de la carga. En consecuencia, la capacidad de manejo de la potencia de un transformador se expresa en voltamperes (VA), en kilovoltamperes (kVA) o en megavoltamperes (MVA), según el tamaño del transformador. El aumento de la temperatura de un transformador está directamente relacionado con la potencia aparente que fluye a través de él. Esto quiere decir que un transformador de 500 kVAse calentará igual al alimentar una carga inductiva de 500 kvar que una carga resistiva de 500 kW.

Los kVA, la frecuencia y el voltaje nominales siempre aparecen en la placa de identificación. En transformadores grandes, también aparecen las corrientes nominales correspondientes [2].

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CONCLUSINES.

Toda máquina eléctrica tiene pérdidas de potencia, ya sea estática o dinámica. A diferencia de un transformador ideal, el transformador real tiene pérdidas tanto en el circuito magnético como en el circuito eléctrico. Analizando las pérdidas de un transformador real. Podemos ver que estas pérdidas siempre estarán presentes ya sea en gran cantidad o en poca pero ahí estarán. Sin embargo las pérdidas en un transformador se las puede reducir considerablemente tomando las medidas necesarias. Luego de analizar las pruebas a transformadores, se puede concluir que cada una de estas pruebas son muy importantes para diagnosticar las condiciones en las que se encuentra el transformador, y poder realizar una reparación o su almacenamiento para desecharlo. La vida útil de un transformador depende de su sistema de aislamiento, por lo que, con el deterioro de éste, el transformador no estará en condiciones de seguir prestando servicio. De ahí que se debe tener un buen mantenimiento a los transformadores.

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REFERENCIAS.

[1] Enríquez Harper Gilberto, “El libro práctico de los generadores, transformadores y motores eléctricos”, edit. Limusa México, 2014.

[2] Wildi Theodore, “Máquinas eléctricas y sistemas de potencia, sexta edición”, edit. Pearson Educación, México, 2007.

[3] Stephen J. Chapman, “Máquinas eléctricas, tercera edición”.

[4] Avelino Perez Pedro “Transformadores de distribución: teoría calculo construcción y pruebas, segunda edición 2001”, edit. Reverté.

[5] Irving. L. Kosow “Máquinas eléctricas y transformadores”, edit. Reverté.

[6] Enríquez Harper Gilberto, “Curso de transformadores y motores de inducción, cuarta edición 2005”, edit. Limusa México.

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