-
Ensayo de trans formadores
4
-
4.1 Trans formador en vacoComo hemos visto anteriormente, el
transformador est ba-sado en que la energa se puede transportar
eficazmentepor induccin electromagntica desde una bobina a otrapor
medio de un flujo variable, con un mismo circuito mag-ntico y a la
misma frecuencia.
La potencia nominal o aparente de un transformador es lapotencia
mxima que puede proporcionar sin que se pro-duzca un calentamiento
en rgimen de trabajo.
Debido a las prdidas que se producen en los bobinados porel
efecto Joule y en el hierro por histresis y por corrientes
deFoucault, el transformador deber soportar todas las prdidasms la
potencia nominal para la que ha sido proyectado.
Un transformador podr entonces trabajar permanente-mente y en
condiciones nominales de potencia, tensin,corriente y frecuencia,
sin peligro de deterioro por sobre-calentamiento o de
envejecimiento de conductores y ais-lantes.
A . Def in i c inSe puede considerar un transformador ideal
aquel enel que no existe ningn tipo de prdida, ni magntica
nielctrica.
La ausencia de prdidas supone la inexistencia de resisten-cia e
inductancia en los bobinados.
Como podemos observar en la Figura 4.1, en el transfor-mador
ideal no hay dispersin de flujo magntico, por loque el flujo se
cierra ntegramente sin ningn tipo de dificul-tad. Las tensiones
cambian de valor sin producirse ningunacada de tensin, puesto que
no se producen resistencias enlos bobinados primario y
secundario.
En la prctica, en un transformador en vaco conectado auna red
elctrica esto no es as. Las bobinas ofrecen unadeterminada
resistencia al paso de la corriente elctrica,provocando una cada de
tensin que se deber tener encuenta en ambos bobinados (R1 y
R2).
Igualmente, el flujo magntico que se origina en el bobina-do
primario no se cierra en su totalidad con el secundarioa travs del
ncleo magntico, sino que una parte de esteflujo atraviesa el
aislante y se cierra a travs del aire.
Ambas bobinas no se enlazan por el mismo flujo, la prdi-da de
flujo magntico se traduce en la llamada induc-tancia de dispersin
(Xd); por lo tanto, a la hora deanalizar las prdidas del
transformador se han de tener encuenta estas particularidades (vase
la Figura 4.2).
B. Prdidas en trans formac inNinguna mquina trabaja sin producir
prdidas de poten-cia, ya sea esttica o dinmica; ahora bien, las
prdidas enlas mquinas estticas son muy pequeas, como le sucedea los
transformadores.
En un transformador se producen las siguientes prdidas:
Prdidas por corriente de Foucault (PF).
Prdidas por histresis (PH).
Prdidas en el cobre del bobinado (Pcu).
Las prdidas por corriente de Foucault (PF) y por histresis(PH)
son las llamadas prdidas en el hierro (PFe).
Cuando un transformador est en vaco, la potencia quemedimos en
un transformador con el circuito abierto se com-pone de la potencia
perdida en el circuito magntico y laperdida en el cobre de los
bobinados.
Al ser nula la intensidad en el secundario (I2 = 0), no apa-rece
en l prdida de potencia; por otra parte, al ser muypequea la
intensidad del primario en vaco (I0) con res-
65
U1 e1 N2
N2 e2 U2
Io
Fig. 4.1. Transformador ideal en vaco.
Io
U1
R1N1
R2
U2
I2 = 0
e1
N2
e2
Xd1
Fig. 4.2. Esquema del transformador real en vaco.
-
pecto a la intensidad en carga I2n, las prdidas que se ori-ginan
en el cobre del bobinado primario resultan prctica-mente
insignificantes.
C . Prdidas en e l hier ro (PFe)Las prdidas de potencia en el
hierro (PFe) en un transfor-mador en vaco se producen por las
corrientes de Foucault(PF) y por el fenmeno de histresis (PH).
Para reducir la prdida de energa, y la consiguiente pr-dida de
potencia, es necesario que los ncleos que estnbajo un flujo
variable no sean macizos; debern estar cons-truidos con chapas
magnticas de espesores mnimos, api-ladas y aisladas entre s.
La corriente elctrica, al no poder circular de unas chapasa
otras, tiene que hacerlo independientemente en cada unade ellas,
con lo que se induce menos corriente y disminuyela potencia perdida
por corrientes de Foucault. En la Figu-ra 4.4 podemos observar cmo
circula la corriente por am-bos ncleos magnticos.
Las corrientes de Foucault se producen en cualquiermaterial
conductor cuando se encuentra sometido a una va-riacin del flujo
magntico.
Como los materiales magnticos son buenos conductoreselctricos,
en los ncleos magnticos de los transformado-res se genera una
fuerza electromotriz inducida que origi-na corriente de circulacin
en los mismos, lo que da lugara prdidas de energa por efecto
Joule.
Las prdidas por corrientes parsitas o de Foucault depen-dern del
material del que est constituido el ncleo mag-ntico.
Para el tipo de chapa magntica de una induccin de 1 Tes-la o 10
000 Gauss, trabajando a una frecuencia de 50 Hzde laminado en fro
de grano orientado, las prdidas en elncleo se estiman entre 0,3
W/kg y 0,5 W/kg, mientrasque las prdidas de la chapa de laminado en
caliente para
la misma induccin y la misma frecuencia oscilan entre 0,8y 1,4
W/kg.
La Tabla 4.1 indica las caractersticas de construccin,
losvalores magnticos y la composicin qumica para la de-terminacin
de las prdidas de potencia en el hierro en fun-cin del espesor, la
aleacin y la induccin.
Para el clculo de las prdidas en el hierro por las corrien-tes
de Foucault recurriremos a la Frmula 4.1, que indicaque las prdidas
en el hierro son proporcionales al cua-drado de la induccin y al
cuadrado de la frecuencia.
66
I1
U1 U2
1
d1 d2
2
I2 = 0
Fig. 4.3. Flujo principal y de dispersin de un transformador en
vaco.
Corriente inducida de valorelevado. Prdidas WF altas
Varias corrientes inducidasde valor reducido. Prdidas
WF muy pequeas
I
I1I2I3I4I5
Macizo
Chapas apiladas
Fig. 4.4. Ncleos magnticos.
Espe- 1 Tesla 1,5 Tesla
sor Tole- Aleacin (104 Gauss) 1,5 104
(mm) rancia % SI W/kg Gauss W/kg
0,5 0,10 0,5 1 2,9 7,40
0,5 0,10 2,5 2,3 5,6
0,35 0,10 2,5 1,7 4
0,35 0,10 4 1,3 3,25
0,35 0,10 4,5 1,2 3
0,35 0,10 4,5 0,9 2,1
Tabla 4.1. Caractersticas para la determinacin de las prdidas de
po-tencia (W/kg).
-
Frmula 4.1
PF =
Donde:
PF = prdidas por corrientes de Foucault en W/kg
f = frecuencia en Hz
max = induccin mxima en Gauss = espesor de la chapa magntica en
mm
De la frmula anterior se deduce que el cambio de fre-cuencia de
50 a 60 Hz, por ejemplo, hace que aumentenlas prdidas en el
transformador.
La histresis magntica es el fenmeno que se produ-ce cuando la
imantacin de los materiales ferromagnticosno slo depende del valor
del flujo, sino tambin de los es-tados magnticos anteriores. En el
caso de los transforma-dores, al someter el material magntico a un
flujo variablese produce una imantacin que se mantiene al cesar el
flu-jo variable, lo que provoca una prdida de energa que
sejustifica en forma de calor.
La potencia perdida por histresis depende esencialmentedel tipo
de material; tambin puede depender de la fre-cuencia, pero como la
frecuencia en una misma zona o passiempre es la misma, la induccin
magntica depender deltipo de chapa. A travs de la frmula de
Steinmetz(Frmula 4.2) se determinarn las prdidas por histresis.
El coeficiente de chapa oscila entre 0,0015 y 0,003, aun-que
baja hasta 0,007 en hierro de muy buena calidad.
Frmula 4.2
PH = Kh f maxn
Donde:
Kh = coeficiente de cada material
F = frecuencia en Hz
max = induccin mxima en TeslaPH = prdida por histresis en
W/kg
= 1,6 para < 1 Tesla (104 Gauss)n
= 2 para > 1 Tesla (104 Gauss)
2,2 f2 max2 2
1011
67
B
C
D
F
E
H
+H
+
A
Fig. 4.5. Ciclo de histresis.
Tenemos un transformador que trabaja a una frecuen-cia de 50 Hz,
con una chapa magntica que tiene unespesor de 0,35 mm y una
induccin magntica de 1 Tesla o 10 000 Gauss. Lo vamos a conectar a
una redde 60 Hz de frecuencia. Cules sern las prdidas enel hierro
conectado a la red de 50 Hz? Cules sernlas prdidas en el hierro
conectado a la red de 60 HZ?
Si aplicamos la Frmula 4.1, para una frecuencia de50 Hz
sern:
PF = = =
= = 0,673 W/kg
Para una frecuencia de 60 Hz, ser:
PF = =
= =
= = 0,970 W/kg
Esto indica que cuanto mayor sea la frecuencia, ma-yores sern
las prdidas por corrientes de Foucault.
2,2 3 600 108 0,122
1011
2,2 602 10 0002 0,35
1011
2,2 f2 max2 2
1011
2,2 2 500 108 0,122
1011
2,2 502 10 0002
10112,2 f2 max2 2
1011
C a s o p r c t i c o 1
A Comienzo del ciclo de imanacinque, al aumentar la
intensidad,llega a F
D Extremo del ciclo a mxima in-tensidad negativa
CFEDC rea de histresis
AC = Hc Fuerza campo coercitiva
AB = Br Magnetismo remanente
-
Las prdidas de potencia en el hierro (PFe) o en el ncleomagntico
son la suma correspondiente a las prdidaspor Foucault (PF) y por
histresis (PH), como indica la si-guiente frmula:
Frmula 4.3
PF + PH = PFe
No obstante, las prdidas en el hierro se pueden determi-nar
midiendo la potencia consumida por el transformadoren vaco mediante
vatmetro, como podremos comprobaren el ensayo correspondiente, que
recibe el nombre de en-sayo en vaco.
4. 2 Ensayo en vacoEl ensayo en vaco proporciona, a travs de las
medidas detensin, intensidad y potencia en el bobinado primario,
los
68
1 Hierro dulce
+
2 Acero templado
+HH
1
2
B
C' C A
Fig. 4.6. Ciclo de histresis de dos materiales diferentes.
1 rea de prdidas para hie-rro dulce
2 rea de prdidas para ace-ro templado
A igual magnetismo remanente(AB), el acero templado tienemayor
fuerza coercitiva (CA)que el hierro dulce (CA)
Tenemos un transformador que trabaja a una frecuen-cia de 50 Hz,
con una chapa magntica de una in-duccin de 1,2 Tesla (12 000
Gauss), conectado a unared de 50 Hz de frecuencia. El peso del
ncleo deltransformador es de 3 kg. Cules sern las prdidaspor
histresis del ncleo magntico?
Si aplicamos la Frmula 4.2 de Steinmetz y el coefi-ciente de
histresis tiene un valor de 0,002, la poten-cia perdida en el ncleo
por histresis ser:
PH = Kh f maxn = 0,002 50 1,22 = 0,144 W/kgPor lo tanto, la
prdida por histresis del ncleo ser:
PHT = PH peso del hierro = 0,144 3 = 0,432 W
C a s o p r c t i c o 2
Tenemos un transformador conectado a una red de 50Hz de
frecuencia con una chapa magntica de 0,9 Tes-la (9 000 Gauss) de
induccin. El peso del ncleo deltransformador es de 12 kg. El
espesor de la chapa delncleo es de 0,35 mm y el coeficiente de
histresis es0,002.
Calcula la potencia perdida en el hierro.
Comenzaremos calculando la potencia perdida porFoucault.
PF = = =
= = 0,545 W/kg
Las prdidas totales por Foucault sern:
PFT = PF peso del ncleo =
= 0,545 12 = 6,54 W
Las prdidas por histresis sern:
PH = Kh f n = 0,002 50 0,91,6 = = 0,002 50 0,844866 = 0,0844
W/kg
Las prdidas totales por histresis sern:
PHT = PH peso del hierro = 0,084 12 = 1,01 W
Para las prdidas totales en el ncleo magntico, recu-rriremos a
la Frmula 4.3:
PFe = PF + PH = 6,54 + 1,01 = 7,55 W
2,2 2 500 0, 81 0,122
103
2,2 502 0,92 0,352
1032,2 f 2 2 e2
103
C a s o p r c t i c o 3
-
valores directos de la potencia perdida en el hierro, y
dejaabierto el bobinado secundario. Por lo tanto, este bobina-do no
ser recorrido por ninguna intensidad, y no se ten-drn en cuenta los
nfimos valores de las prdidas en el co-bre para este ensayo.
Los principales datos que hay que determinar en el ensayoen vaco
son:
Las prdidas en el hierro a travs de la lectura delvatmetro (W1)
en el bobinado primario, entendiendo quela P10 es la potencia
medida en el vatmetro (W1).
(PFe = P10)
La intensidad en vaco del primario a travs del ampe-rmetro
(A1).
La relacin de transformacin (m):
m = UU
2
1
0
n
Tambin podemos calcular, con la ayuda de los resultados:
La impedancia (Z):
Z = UI1
1
0
n
La potencia aparente en vaco (Ssap):
Ssap = U1n I10
El ngulo de desfase () o factor de potencia de vaco:
cos = SP
s
1
a
0
p
En vaco, el coseno de 10 coincide aproximadamente conel cos 20
(cos10 cos 20).
69
Calcula la potencia aparente y el factor de potencia en va-co de
un transformador partiendo de los siguientes datos:
Tensin del primario U1n 380 V
Intensidad del primario I10 0,081 A
Tensin del secundario U2n 125 V
Potencia medida con vatmetro P10 2,2 W
Resistencia del cobre Rcu 2,4
Con los resultados obtenidos podemos calcular:
La relacin de transformacin (m).
La potencia activa en vaco (P10).
La impedancia (Z).
La potencia aparente (Ssap).
El ngulo de desfase entre la tensin y la intensi-dad de
corriente.
En el ensayo en vaco, al estar abierto el bobinado se-cundario,
no circula ninguna intensidad por ste, lo quepermite que las
tensiones primarias y secundarias seanexactas a las previstas en
cada bobinado. Por lo tanto:
m = UU
1
2
n
n
= 31
82
05
= 3,04
La potencia perdida que hemos medido con el vatme-tro en el
bobinado primario del transformador en vacocorresponde a las
prdidas en el hierro y en el cobre.
P10 = 2,2 W
La potencia perdida en el cobre se puede calcular me-diante la
resistencia del bobinado y el cuadrado de laintensidad del primario
(I10)2.
La resistencia del cobre medido con un hmetro nos da2,4 ; la
potencia del cobre ser:
Pcu = Rcu (I10)2 = 2,4 0,0812 = 0,0015 W
Este resultado indica que la potencia que se pierde porel cobre
del bobinado se puede despreciar con respectoa las prdidas en el
ncleo por las corrientes de Fou-cault y por el fenmeno de
histresis, en cualquier en-sayo en vaco.
C a s o p r c t i c o 4
G
S
U1n
I0
V1 V2 U20
W1 A1
Fig. 4.7. Esquema elctrico del ensayo de un transformador en
vaco.
G Fuente de alimentacin de corriente alterna regulable
(autotransformador regulable)
-
Hay que tener en cuenta algunas consideraciones cuandose
producen prdidas en el hierro o en vaco de un trans-formador; estas
prdidas tienen bastante importancia du-rante su explotacin, ya que
por ella misma provoca un con-sumo de energa incluso cuando el
transformador no tieneconsumo.
En los momentos que no tiene consumo exterior, esta ener-ga
deber ser abonada por el usuario, debido a que loscontadores de
energa se conectan siempre en los primariosde los transformadores
de los centros de transformacin.
Tambin se ha comprobado que las prdidas en el hierroson
aproximadamente proporcionales al cuadrado de la in-duccin, por lo
que al usuario le interesan inducciones ba-jas; pero el inters de
los constructores de transformadoreses dar un valor tan elevado
como puedan.
Para realizar el ensayo de un transformador, deberemos se-guir
un determinado orden, que puede ser ste:
1. Determinar las caractersticas del transformador.
2. Exponer los objetivos del ensayo.
3. Disear el esquema de montaje del ensayo (puede sercomo el de
la Figura 4.7) y realizar los clculos previos.
4. Procederemos a localizar los aparatos de medidas ne-cesarios
para realizar todas las medidas que el ensayorequiere, y un
autotransformador regulable para dis-poner de diferentes valores de
las tensiones. Para esorecurrimos al esquema de montaje que tenemos
en la Fi-gura 4.7.
5. Realizaremos el montaje de los elementos que requie-ren el
ensayo segn el esquema de montaje.
6. Procederemos a realizar las medidas pertinentes, ano-tando en
un cuadro de valores todos los datos que losaparatos de medidas nos
vayan aportando, como in-dica el protocolo de ensayos.
7. Cotejaremos los datos obtenidos con los clculos
previos,procederemos a determinar la potencia perdida y
redactaremos las conclusiones.
Denominaremos protocolo de ensayo al documentoque recoge el
proceso que hemos expuesto anteriormente.Este protocolo se realiza
tambin con los ensayos del trans-formador en carga y en
cortocircuito, como veremos msadelante.
4.3 Trans formador en corto c i rcui toEn los transformadores,
al igual que en cualquier dispositi-vo elctrico, se producen
prdidas de potencia; una partede stas se producen ya en vaco y se
mantienen constan-tes e invariables en carga.
70
La impedancia se determinar conocida la tensin y laintensidad
del primario:
Z = UI1
1
0
n =
03,08801
= 4 691
La potencia aparente se determinar conocida la ten-sin y la
intensidad del primario:
Ssap = U1n I1 = 380 0,081 = 30,78 VA
El ngulo de desfase entre la tensin y la intensidadde
corriente.
cos = SP
s
1
a
0
p
= 3
20
,,278 = 0,0714
C a s o p r c t i c o 4 ( c o n t i n ua c i n )
V1
V2
P1
P2
m
Tabla 4.2. Cuadro de valores para la realizacin del ensayo.
Ucc
Icc
Rcc Xcc
V'2 = 0
Fig. 4.8. Circuito equivalente de resistencias e inductancias de
un trans-formador en cortocircuito.
-
71
PROTOCOLO DE ENSAYO DE TRANSFORMADORES
Tipo de ensayo ENSAYO EN VACO
S1___________________(VA) U2__________(V) f________(Hz)
Caractersticas del transformador S2___________________(VA)
I1___________(A)
U1___________________(V) I2___________(A)
Objetivos del ensayo Determinar las prdidas en el hierro
Esquema de montaje
Instrumentos de medidas y regulacin a utilizar
U1 (voltios) U2 (voltios) I1 (amperios) I2 (amperios) W1
(vatios) W2 (vatios)(m) Relacin detransformacin
Tabla de valores de las medidas realizadas a diferentes valores
de la tensin
Clculos definitivos de la potencia perdida en el hierro
Tabla 4.3. Ficha para el protocolo de ensayo de un
transformador.
-
La otra parte de las prdidas de potencia se producen enlos
conductores de los bobinados primario y secundario, so-metidos a la
intensidad nominal. Se denominan prdidasRI2 debidas al cobre
(Pcu).
Las prdidas de potencia en el cobre (Pcu) se determinan
me-diante el ensayo en cortocircuito.
4.4 Ensayo en corto c i rcu i toCon el ensayo en cortocircuito,
conseguimos las intensidadesnominales en los dos bobinados,
aplicando una pequea ten-sin al primario y cortocircuitando el
secundario con un am-permetro (el ampermetro tiene una resistencia
prcticamentenula), como se muestra en las figuras 4.9 y 4.10.
En muchos ensayos en vaco, la Icc supera el 25 % de la
in-tensidad nominal (In).
El procedimiento es el siguiente:
Con un autotransformador regulable y comenzando desdecero,
aplicamos progresivamente la tensin, que se incre-menta voltio a
voltio, hasta conseguir las intensidades no-minales en los dos
bobinados.
La tensin aplicada, una vez alcanzada la intensidad no-minal en
el secundario, recibe el nombre de tensin de cor-tocircuito (Ucc).
Esta tensin supone un valor bajo con res-pecto a la tensin nominal
aplicada al transformadorcuando est en carga.
En la prctica, la Ucc se da en valores porcentuales oscila
en-tre un 4 % y un 10 % de la tensin nominal U1n. En
trans-formadores de distribucin, la tensin nominal se representacon
la letra u minscula seguida de cc, que indica el valoren
cortocircuito (Ucc), as como en las dems magnitudes,como son las
impedancias, las inductancias, etc.
ucc = Ucc 1U0
1
0
n
(en %)
En el ensayo en cortocircuito, como las intensidades son
no-minales, se producen prdidas en el cobre por efecto
Joulesimilares a las que se dan cuando el transformador est
encarga; se diferencian en el rendimiento cuando el ndice decarga
es menor que la unidad.
Las prdidas en el cobre se calculan mediante:
Pcu = R1 I1n2 + R2 I2n2
A . Prdidas en corto c i rcui toEstas prdidas se determinan
directamente con el vatmetroconectado en el primario, que
corresponde a la potenciaen cortocircuito (Pcc) (vase la Figura
4.9).
Pcc = Pcu
72
Ar
Vcc
WccI1nN1
I2n
N2
Autotransformadorregulable
A2
Fig. 4.9. Esquema de montaje de un transformador en
cortocircuito.
Ar
Vcc
WccI1nN1
I2n
N2
Autotransformadorregulable
A2
Fig. 4.10. Esquema de montaje para el ensayo en cortocircuito de
un trans-formador.
Queremos conocer las prdidas de potencia en los bo-binados
primario y secundario de un transformador.Para ello conectamos el
secundario en cortocircuito; elampermetro del secundario nos mide
una intensidadde 6 A y 2 A en el ampermetro del primario. Midien-do
las resistencias de los bobinados con un polmetrodigital, tenemos
como R1 una resistencia de 0,85 , yR2, una resistencia de 1,4 .
Pcu = R1 I1n2 + R2 I2n2 = 0,85 6 +
+ 1,4 2 = 5,1 + 2,8 = 7,9 W
I2cc
I1cc
U1cc
P1cc
Tabla 4.4. Tabla de valores para el ensayo en cortocircuito de
untransformador.
C a s o p r c t i c o 5
-
B. Res i stenc i a s , inductanc ia s e impedanc ia s en corto c
i rcu i to
Los valores de la resistencia (Rcc), de la inductacia (Xcc), y
dela impedancia (Zcc) de los circuitos en el ensayo en
corto-circuito se obtendrn mediante:
Resistencia:
Rcc = R1 + R2
Inductancia:
Xcc = Xd1 + Xd 2
Impedancia:
Zcc2 = Rcc2 + Xcc2
Donde:
Zcc = Rcc2 + Xcc2
Tambin:
Zcc = UI1
cc
Por lo tanto la corriente de cortocircuito siempre depende-r de
las resistencias de sus bobinados y de las inductan-cias de
dispersin provocadas por los mismos.
C . L a intens idad de corto c i rcu i toLa intensidad en
cortocircuito (Icc) se obtiene as:
Icc = ZU
c
2
c
Dado que no se conoce la tensin del secundario, se obtie-ne
sustituyendo la tensin del secundario (U2) por su valoren la
expresin de la relacin de transformacin, siendo:
Icc =
D. E l factor de potenc i a de corto c i rcui toUna vez
obtenidos los datos en el ensayo (la potencia y latensin de
cortocircuito), el coseno de ser:
cos cc = UccPcc
I1n
4.5 Rendimiento de l trans formadorEl rendimiento del
transformador se define como larelacin entre la potencia cedida al
exterior de la mquinapor el bobinado secundario y la potencia
absorbida por elbobinado primario:
= PP
2
1
Para determinar el rendimiento de un transformador, po-demos
seguir el mtodo directo, es decir, medir la potencia del primario
con un vatmetro y la del secundariocon otro, de forma que el
rendimiento vendr determinadopor el cociente que resulta entre
ellos, como se expone enla frmula anterior, en tanto por uno y en
tanto por cien,como se indica a continuacin:
= WW
2
1
100 (en %)
Este resultado puede impedirnos calcular el rendimiento, de-bido
a que el error de medida de los voltmetros es mayorque la pequea
diferencia entre P2 y P1.
Con el mtodo indirecto podemos determinar el rendi-miento a
travs del cociente que resulta de la potencia queel transformador
cede el exterior y la potencia absorbidapor el transformador,
sumndole las prdidas en el cobre ylas prdidas en el hierro.
= (Pu + P
P
cu
u
+ PFe )
4.6 Refrigerac inLa refrigeracin en los transformadores se
produce de dife-rentes maneras debido al tipo de construccin, a la
poten-cia, al medio ambiente donde se encuentre, etc.
Los transformadores de pequea potencia se suelen refri-gerar
mediante la expulsin del aire caliente directamentea la atmsfera.
El calentamiento en el transformador se pro-duce por las prdidas de
energa elctrica.
En los transformadores secos, el escaso efecto refrigerantedel
aire no es suficiente para su refrigeracin natural, por
Um
1
Rcc2 + Xcc2
73
-
lo que son construidos con gran superficie de evacuacin
deaire.
Est normalizado que los transformadores trabajen de
formapermanente en rgimen nominal y a una altitud de 1 000metros;
el calentamiento medio no debe superar los 65 Ca temperatura
ambiente, admitiendo 40 C como tempera-tura mxima del ambiente.
4. 7 Medida de temperaturaSe utilizan varios mtodos para medir
la temperatura en eltransformador:
Mtodo por termmetro.
Mtodo por variacin de resistencias de los bobinados.
Mtodo por detectores internos de temperatura.
A . E l mtodo por termmetroConsiste en tomar la temperatura en
el aceite refrigerante ysobre el ncleo a aquellos transformadores
que tienen cubade aceite.
A los transformadores secos se les toma en el ncleo, enotras
partes metlicas y en el bobinado, si se tiene accesoa l, mediante
unas sondas especficas para cada punto decontacto que se introducen
en la parte del transformadorque vayamos a medir, y se conecta a un
termmetro digi-tal, como el de la Figura 4.12.
B. E l mtodo por variac in de res i stenc i a sConsiste en medir
las resistencias en fro, y despus de untiempo estipulado de
aproximadamente cuatro horas, unavez que el transformador est
funcionando en rgimen no-minal, volver a medir las resistencias de
los bobinados ycalcular la variacin de temperatura en funcin de la
dife-rencia de resistencias en los mismos.
C . E l mtodo por detectores internos de temperaturaConsiste en
introducir, durante la construccin del transfor-mador, unos
sensores de temperatura (termorresistores) queactan en forma de
seal al detectar la temperatura que seles ha marcado.
74
Fig. 4.11. Transformador trifsico seco.
4
1
6
2
3
5
8
7
1 Ncleo de tres columnas construido a base de chapas magn-ticas
de grano orientado de bajas prdidas aisladas por amboslados.
2 Arrollamiento de baja tensin construido con banda de
alumi-nio; las espiras estn fijamente pegadas entre s mediante
ma-terial aislante laminado.
3 Arrollamiento de alta tensin a base de bobinas individuales
dealuminio, bobinados en fleje; la resina se trata en vado.
4 Terminales de baja tensin; arriba, por el lado posterior, y
aba-jo, mediante consulta.
5 Terminales de alta tensin: disposicin variable para
optimizarel diseo del C.T.
6 Separadores elsticos: eliminacin de vibraciones entre ncleoy
devanados, lo que reduce el ruido.
7 Armazn y chasis con ruedas orientables para desplazamien-to
longitudinal y transversal.
8 Aislamiento de resina epoxy/cuarzo molido exento de
manteni-miento, seguro contra la humedad y tropicalizado, de difcil
com-bustin y autoextinguible.
Fig. 4.12. Termmetro digital con sonda de temperatura.
-
4.8 Medida de a i s l amientoLa medida de aislamiento consiste
en verificar el total ais-lamiento de los circuitos elctricos del
transformador entres, y entre stos y las partes metlicas del
transformador.
Un aislamiento defectuoso no detectado por el comproba-dor de
continuidad puede provocar cortocircuito en el trans-formador y
generar mayores problemas en el funciona-miento, adems de poner en
peligro a las personas queestn cerca de stos. Para ello se utiliza
un aparato de me-dida llamado medidor de aislamiento o
meghmetro.
El ensayo consiste en medir entre masas y los bobinadosuna
tensin entre 500 y 1 000 voltios en corriente continuasuministrada
por el medidor de aislamiento (megger).
Para que la resistencia de aislamiento cumpla los lmites
es-tablecidos por el Comit Electrotcnico Internacional, el va-lor
mnimo ser:
Rais = U 1 000
Donde:
Rais = resistencia de aislamiento en M con un mnimo de250 000
M
U = tensin ms elevada de la mquina en voltios
4.9 Medida de rigide z die lct ri c aLa rigidez dielctrica es la
tensin por unidad de espesorque aguanta el aislante sin perforarse.
Se expresa enkV/cm.
Esto no es suficiente para que el aislante sea adecuado a
latensin de funcionamiento, ya que existen muchos factoresque
pueden complicar el aislamiento, como, por ejemplo,la humedad, el
envejecimiento, el calentamiento excesi-vo, etc. Para ello se
establecen unas normas que deben res-petarse para el buen
funcionamiento de la mquina.
La rigidez dielctrica depende de la naturaleza del aislan-te, y
la tensin que ste puede soportar es el producto de larigidez
dielctrica por el espesor.
La medida se realiza entre cada uno de los bobinados ymasa, y
entre los bobinados. Se le ir sometiendo pro-
75
Fig. 4.13. Medidor de aislamiento con meghmetro.
RigidezdielctricakV
Fig. 4.14. Dibujo del medidor de rigidez dielctrica.
Tensin Medida Resulta- Resis-Mquina de prue- de aisla- do de la
tencia
ba en V miento medida de fallo
Transfor- entre 500 primario mador y 1 000 y masamonofsico
entre 500 secundario y 1 000 y masa
entre 500 primario yy 1 000 secundario
Tabla 4.5. Medida de aislamiento en una mquina elctrica.
-
gresivamente durante un minuto a una tensin igual a 2 Un + 1 000
V a 50 Hz, sin superar la tensin mximade 1 500 V.
4.10 Acoplamiento en para le lo de trans formadores monofs i
cos
Cuando tenemos una demanda de potencia mayor que laque podemos
suministrar mediante un transformador, cabe
la posibilidad de cubrir esa necesidad acoplando dos o
mstransformadores en paralelo.
Para que esto sea posible, deben darse las siguientes
con-diciones:
Igual relacin de transformacin.
Iguales tensiones de cortocircuito.
Misma conexin a la red.
La potencia nominal no debe ser superior al doble de la potencia
del otro transformador.
4.11 Normas de seguridad en e l ta l ler de ensayos
Conectar siempre a tierra la estructura metlica del
trans-formador que se vaya a ensayar.
En el ensayo en cortocircuito, poner mucha atencin a latensin
que se le proporciona progresivamente al bobi-nado primario, y no
exceder nunca la intensidad nominaldel primario o del
secundario.
En el ensayo de aislamiento, comprobar que los bornesdel
transformador estn desconectados de la red elc-trica.
76
Tensin Medida Resulta- Resis-Mquina de prue- de rigi- do de la
tencia
ba en V dez di- medida de falloelctrica
Transfor- 2 Un + primario mador + 1 000 y masamonofsico 1
500
2 Un + secundario + 1 000 y masa 1 500
2 Un + primario + 1 000 y secun- 1 500 dario
Tabla 4.6. Medida de rigidez dielctrica en una mquina
elctrica.
Corrientes de Foucault: corrientes producidas encualquier
material conductor cuando se encuentra so-metido a una variacin del
flujo magntico. Como losmateriales magnticos son buenos conductores
elctri-cos, en los ncleos magnticos de los transformadores segenera
una fuerza inducida que origina una corrientede circulacin.
Histresis magntica: fenmeno que se producecuando la imantacin de
los materiales ferromagnticosno slo depende del valor del flujo,
sino tambin de losestados magnticos anteriores. En los
transformadores,al someter el material magntico a un flujo
variable, seproduce una imantacin que se mantiene cuando stecesa,
lo que provoca una prdida de energa.
Protocolo de ensayo: documento que recoge los da-tos del proceso
de ensayo de un transformador: caracte-rsticas del transformador,
objetivos del ensayo, diseo delesquema de montaje del ensayo,
detalle de los aparatosnecesarios para realizar todas las medidas,
relacin delos valores obtenidos y los clculos definitivos.
Rendimiento del transformador: relacin entre lapotencia cedida
al exterior de la mquina por el bobi-nado secundario y la potencia
absorbida por el bobina-do primario.
Transformador ideal: transformador en el que noexisten ningn
tipo de prdidas, ni magnticas ni elc-tricas. La inexistencia de
prdidas supone la ausencia deresistencia e inductancia en los
bobinados.
C on cepto s bs i c o s
-
Acti
vida
des
Autoevaluacin
1. Cmo se expresara que un transformador se en-cuentra en
vaco?
2. Qu se determina con el ensayo de un transformadoren vaco?
3. Qu son prdidas en el hierro?
4. Cul ser la potencia perdida en el hierro por Fou-cault en un
transformador con una induccin de 1 Tes-la (10 000 Gauss) y un
espesor de la chapa magn-tica de 0,35 mm, conectada a una red con
unafrecuencia de 50 Hz?
5. Qu son prdidas en el cobre?
6. Qu se determina con el ensayo en cortocircuito?
7. Cul ser la potencia perdida en el cobre?
8. Define y demuestra el rendimiento de un transfor-mador.
9. Calcula la resistencia de aislamiento de un transfor-mador de
380 V en el primario y 220 V en el secun-dario. La potencia es de
30 kVA.
10. Cita y explica los mtodos para el clculo del rendi-miento de
un transformador.
Actividades de enseanzaaprendizaje
11. Ensayo de un transformador en vaco.
Objetivos:
Determinar las prdidas de un transformador envaco.
Efectuar el montaje real de un ensayo en vaco.
Datos:
Calcular la potencia en vaco de un transforma-dor conectado a
una red de 220 V. Para ello pro-cederemos a realizar las medidas
necesarias conlos aparatos correspondientes.
Medios didcticos:
Un transformador monofsico de pequea po-tencia.
Un autotransformador regulable de tensin.
Dos voltmetros.
Un vatmetro.
Un ampermetro.
Procedimiento:
1. Mediremos la tensin del bobinado primario U1con el voltmetro
V1.
2. Mediremos la intensidad de corriente del bobi-nado primario
I10 con el ampermetro A1.
3. Mediremos la potencia activa P10 con el vatme-tro conectado
al bobinado primario.
Resultados de las medidas:
U10 220 V
I10 0,05 A
U20 125 V
Rcu 1,4
P10 1,8 W
Contesta:
a) Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en lasmediciones,
calcula: la relacin de transformacin,la potencia activa en vaco
(potencia perdida), laimpedancia (Z) y la potencia aparente
(Ssap).
b) Determina el ngulo de desfase entre la ten-sin y la
intensidad de corriente.
c) Contrasta las prdidas de potencia por Foucaulty por
histresis.
d) Comprueba las prdidas totales en el hierro.
77
Cl1 = 220 VP10 = 1'8 W
I10 = 0'05 A
Rcu = 1'40 V2 = 125 V
I0
V1
W1 A1
V2
Fig. 4.15. Esquema del transformador en vaco.
-
12. Ensayo de un transformador en cortocir-cuito.
Objetivos:
Conocer las conclusiones del ensayo de trans-formador en
cortocircuito.
Conocer el montaje real de un ensayo en corto-circuito.
Conocer la tensin de cortocircuito (en %).
Medios didcticos:
Un transformador monofsico de pequea po-tencia.
Un autotransformador regulable de tensin.
Un voltmetro.
Dos ampermetros.
Un vatmetro.
Datos:
Tenemos un transformador de tensin nominal enel primario de 220
V y queremos conocer la ten-sin en cortocircuito (en %), por lo que
hemos derealizar el montaje requerido como indica la Fi-gura
4.16.
Procedimiento:
1. Aplicaremos tensin de forma progresiva y devoltio en voltio
hasta conseguir en el bobinadoprimario o en el secundario la
intensidad nomi-nal medida por los ampermetros
correspon-dientes.
2. Tomaremos los datos de la medida de los am-permetros del
primario A1 y del secundarioA2.
3. Tomaremos los datos de la potencia activa conel vatmetro
conectado al bobinado primario.
I1n Ucc Pcc
4. En el transformador ensayado, obtenemos el re-sultado para la
tensin en cortocircuito. La ten-sin en cortocircuito es de gran
importanciapara el clculo de la impedancia interna Z
deltransformador, de la potencia perdida en el co-bre Pcu ,de los
bobinados, del factor de poten-cia y de la intensidad en
cortocircuito Icc. Porlo tanto, a partir de estos valores podramos
determinar el cos cc.
Contesta:
a) Determina las prdidas en el cobre.
b) Determina la tensin de cortocircuito de un
trans-formador.
13. Medida de aislamiento del transformador.
Objetivo:
Verificar si el transformador cumple la normati-va sobre
aislamiento.
Manejar el medidor de aislamiento o megohme-tro (megger).
Medios didcticos:
Transformador monofsico.
Medidor de aislamiento.
Procedimiento:
1. Desconectamos los bobinados primario y se-cundario de la red
y de la carga, respectiva-mente.
2. Conectamos el meghmetro entre el bobinadoprimario y la
carcasa metlica del transformador.
Acti
vida
des
78
A1
Ucc
Wcc
A2I1nN1
I2n
N2
Autotransformadorregulable
I1n = 0'32 A
I1
Ucc = 18 VPcc = 5 W
Fig. 4.16. Esquema del transformador en cortocircuito.
-
Acti
vida
des
3. Conectamos el megohmetro entre el bobinadosecundario y la
carcasa metlica del transfor-mador.
4. Conectamos el megohmetro entre el bobinadoprimario y el
secundario.
Datos:
El resultado obtenido en la medida de aislamien-to por el
medidor de aislamiento es infinito en cadauna de las medidas, como
indica el cuadro ante-rior.
Contesta:
a) Comprobar mediante frmula si el resultado estdentro de los
lmites normalizados.
14. Medida de rigidez dielctrica en slido.
Objetivos:
Comprobar la posibilidad de perforacin de unaislante.
Estudiar el concepto de rigidez dielctrica.
Medios didcticos:
Transformador monofsico.
Medidor de rigidez dielctrica (chispmetro).
Procedimiento:
1. Identificar la tensin mayor a la que trabaja
eltransformador.
2. Conectar el medidor de rigidez dielctrica a unborne del
primario y a la carcasa metlica deltransformador; aumentar
progresivamente el va-lor de la tensin de rigidez dielctrica hasta
lle-gar a 1 500 voltios durante un minuto.
3. Conectar el medidor de rigidez dielctrica a unborne del
secundario y a la carcasa metlica deltransformador; aumentar
progresivamente el va-lor de la tensin de rigidez dielctrica hasta
lle-gar a 1 500 voltios durante un minuto.
4. Conectar el medidor de rigidez dielctrica a unborne del
primario y a otro borne del secundariodel transformador; aumentar
progresivamente elvalor de la tensin de rigidez dielctrica hasta
lle-gar a 1 500 voltios durante un minuto.
Contesta:
a) Comprueba mediante frmula si el resultado dela medida est
dentro de lo normalizado.
b) Identifica una perforacin provocada. 79
Tensin Medida Resulta- Resis-Mquina de prue- de aisla- do de la
tencia
ba en V miento medida de fallo
Transfor- entre 500 primario Infinito ()mador y 1 000 y
masamonofsico
entre 500 secundario Infinito ()y 1 000 y masa
entre 500 primario y Infinito ()y 1 000 secundario
Tabla 4.7. Medida de medidas de aislamiento en una mquina
elctrica.
Tensin Medida Resulta- Resis-Mquina de prue- de rigi- do de la
tencia
ba en V dez di- medida de falloelctrica
Transfor- 2 Un + primario *mador + 1 000 y masamonofsico 1
500
2 Un + secundario *+ 1 000 y masa 1 500
2 Un + primario *+ 1 000 y secun- 1 500 dario
(*) No se ha disparado el medidor de rigidez dielctrica.
Tabla 4.8. Medida de rigidez dielctrica en una mquina
elctrica.
