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4Ensayo detransformadores

4.1 Transformador en vacíoComo hemos visto anteriormente, el transformador está basadoen que la energía se puede transportar eficazmentepor inducción electromagnética desde una bobina a otrapor medio de un flujo variable, con un mismo circuito magnéticoy a la misma frecuencia.La potencia nominal o aparente de un transformador es lapotencia máxima que puede proporcionar sin que se produzcaun calentamiento en régimen de trabajo.Debido a las pérdidas que se producen en los bobinados porel efecto Joule y en el hierro por histéresis y por corrientes deFoucault, el transformador deberá soportar todas las pérdidasmás la potencia nominal para la que ha sido proyectado.En la práctica, en un transformador en vacío conectado auna red eléctrica esto no es así. Las bobinas ofrecen unadeterminada resistencia al paso de la corriente eléctrica,provocando una caída de tensión que se deberá tener encuenta en ambos bobinados (R 1 y R 2 ).Igualmente, el flujo magnético que se origina en el bobinadoprimario no se cierra en su totalidad con el secundarioa través del núcleo magnético, sino que una parte de esteflujo atraviesa el aislante y se cierra a través del aire.Ambas bobinas no se enlazan por el mismo flujo, la pérdidade flujo magnético se traduce en la llamada inductanciade dispersión (X d ); por lo tanto, a la hora deanalizar las pérdidas del transformador se han de tener encuenta estas particularidades (véase la Figura 4.2).Un transformador podrá entonces trabajar permanentementey en condiciones nominales de potencia, tensión,corriente y frecuencia, sin peligro de deterioro por sobrecalentamientoo de envejecimiento de conductores y aislantes.I oΦR 1 X d1NU 11e 1N 2e 2I 2 = 0R 2U 2A. DefiniciónSe puede considerar un transformador ideal aquel enel que no existe ningún tipo de pérdida, ni magnética nieléctrica.La ausencia de pérdidas supone la inexistencia de resistenciae inductancia en los bobinados.IΦoU 1e 1 N 2N 2 e 2 U 2Fig. 4.2. Esquema del transformador real en vacío.B. Pérdidas en transformaciónNinguna máquina trabaja sin producir pérdidas de potencia,ya sea estática o dinámica; ahora bien, las pérdidas enlas máquinas estáticas son muy pequeñas, como le sucedea los transformadores.En un transformador se producen las siguientes pérdidas:• Pérdidas por corriente de Foucault (P F ).• Pérdidas por histéresis (P H ).Fig. 4.1. Transformador ideal en vacío.Como podemos observar en la Figura 4.1, en el transformadorideal no hay dispersión de flujo magnético, por loque el flujo se cierra íntegramente sin ningún tipo de dificultad.Las tensiones cambian de valor sin producirse ningunacaída de tensión, puesto que no se producen resistencias enlos bobinados primario y secundario.• Pérdidas en el cobre del bobinado (P cu ).Las pérdidas por corriente de Foucault (P F ) y por histéresis(P H ) son las llamadas pérdidas en el hierro (P Fe ).Cuando un transformador está en vacío, la potencia quemedimos en un transformador con el circuito abierto se componede la potencia perdida en el circuito magnético y laperdida en el cobre de los bobinados.Al ser nula la intensidad en el secundario (I 2 = 0), no apareceen él pérdida de potencia; por otra parte, al ser muypequeña la intensidad del primario en vacío (I 0 ) con res-65

pecto a la intensidad en carga I 2n , las pérdidas que se originanen el cobre del bobinado primario resultan prácticamenteinsignificantes.MacizoI 1φI 2 = 0ICorriente inducida de valorelevado. Pérdidas W F altasΦ d1Φ d2U 1 U 2Chapas apiladasφ 1φ 2Fig. 4.3. Flujo principal y de dispersión de un transformador en vacío.I 1I 2C. Pérdidas en el hierro (P Fe )Las pérdidas de potencia en el hierro (P Fe ) en un transformadoren vacío se producen por las corrientes de Foucault(P F ) y por el fenómeno de histéresis (P H ).I 3I 4I 5Fig. 4.4. Núcleos magnéticos.Varias corrientes inducidasde valor reducido. PérdidasW F muy pequeñas66Para reducir la pérdida de energía, y la consiguiente pérdidade potencia, es necesario que los núcleos que estánbajo un flujo variable no sean macizos; deberán estar construidoscon chapas magnéticas de espesores mínimos, apiladasy aisladas entre sí.La corriente eléctrica, 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 Figura4.4 podemos observar cómo circula la corriente por ambosnúcleos magnéticos.Las corrientes de Foucault se producen en cualquiermaterial conductor cuando se encuentra sometido a una variacióndel flujo magnético.Como los materiales magnéticos son buenos conductoreseléctricos, en los núcleos magnéticos de los transformadoresse genera una fuerza electromotriz inducida que originacorriente de circulación en los mismos, lo que da lugara pérdidas de energía por efecto Joule.Las pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault dependerándel material del que esté constituido el núcleo magnético.Para el tipo de chapa magnética de una inducción de 1 Teslao 10 000 Gauss, trabajando a una frecuencia de 50 Hzde laminado en frío de grano orientado, las pérdidas en elnúcleo se estiman entre 0,3 W/kg y 0,5 W/kg, mientrasque las pérdidas de la chapa de laminado en caliente parala misma inducción y la misma frecuencia oscilan entre 0,8y 1,4 W/kg.La Tabla 4.1 indica las características de construcción, losvalores magnéticos y la composición química para la determinaciónde las pérdidas de potencia en el hierro en funcióndel espesor, la aleación y la inducción.Espesor(mm)1 TeslaTole- Aleación (104 Gauss)rancia % SIW/kg1,5 Tesla1,5 · 10 4GaussW/kg0,5 0,10 0,5 – 1 2,9 7,400,5 0,10 2,5 2,3 5,60,35 0,10 2,5 1,7 40,35 0,10 4 1,3 3,250,35 0,10 4,5 1,2 30,35 0,10 4,5 0,9 2,1Tabla 4.1. Características para la determinación de las pérdidas de potencia(W/kg).Para el cálculo de las pérdidas en el hierro por las corrientesde Foucault recurriremos a la Fórmula 4.1, que indicaque las pérdidas en el hierro son proporcionales al cuadradode la inducción y al cuadrado de la frecuencia.

Fórmula 4.1Donde:P F =P F = pérdidas por corrientes de Foucault en W/kgf = frecuencia en Hz2,2 · f 2 · β max2 · ∆ 21011β max = inducción máxima en GaussLa histéresis magnética es el fenómeno que se producecuando la imantación de los materiales ferromagnéticosno sólo depende del valor del flujo, sino también de los estadosmagnéticos anteriores. En el caso de los transformadores,al someter el material magnético a un flujo variablese produce una imantación que se mantiene al cesar el flujovariable, lo que provoca una pérdida de energía que sejustifica en forma de calor.+β∆ = espesor de la chapa magnética en mmDe la fórmula anterior se deduce que el cambio de frecuenciade 50 a 60 Hz, por ejemplo, hace que aumentenlas pérdidas en el transformador.–HCBAEF+HADComienzo del ciclo de imanaciónque, al aumentar la intensidad,llega a FExtremo del ciclo a máxima intensidadnegativaCFEDCÁrea de histéresisTenemos un transformador que trabaja a una frecuenciade 50 Hz, con una chapa magnética que tiene unespesor de 0,35 mm y una inducción magnética de1 Tesla o 10 000 Gauss. Lo vamos a conectar a una redde 60 Hz de frecuencia. ¿Cuáles serán las pérdidas enel hierro conectado a la red de 50 Hz? ¿Cuáles seránlas pérdidas en el hierro conectado a la red de 60 HZ?Si aplicamos la Fórmula 4.1, para una frecuencia de50 Hz serán:2,2 · f 2 · β 2,2 · 50 2 · 10 000 2max2 · ∆ 2P F = = =1011Caso práctico 12,2 · 2 500 · 10 8 · 0,122= = 0,673 W/kg1011Para una frecuencia de 60 Hz, será:2,2 · f 2 · β max2 · ∆ 2P F = =2,2 · 60 2 · 10 000 2 · 0,35= =2,2 · 3 600 · 10 8 · 0,122= = 0,970 W/kg1011101110111011Esto indica que cuanto mayor sea la frecuencia, mayoresserán las pérdidas por corrientes de Foucault.La potencia perdida por histéresis depende esencialmentedel tipo de material; también puede depender de la frecuencia,pero como la frecuencia en una misma zona o paíssiempre es la misma, la inducción magnética dependerá deltipo de chapa. A través de la fórmula de Steinmetz(Fórmula 4.2) se determinarán las pérdidas por histéresis.El coeficiente de chapa oscila entre 0,0015 y 0,003, aunquebaja hasta 0,007 en hierro de muy buena calidad.Fórmula 4.2Donde:nP H = K h · f · β maxK h = coeficiente de cada materialF = frecuencia en Hzβ max = inducción máxima en TeslaP H = pérdida por histéresis en W/kgnD–βFig. 4.5. Ciclo de histéresis.AC = Hc Fuerza campo coercitivaAB = BrMagnetismo remanente= 1,6 para β < 1 Tesla (10 4 Gauss)= 2 para β > 1 Tesla (10 4 Gauss)67

–HBC' C A+β–β1 Hierro dulce2 Acero templado21+HFig. 4.6. Ciclo de histéresis de dos materiales diferentes.1 Área de pérdidas para hierrodulce2 Área de pérdidas para acerotempladoA igual magnetismo remanente(AB), el acero templado tienemayor fuerza coercitiva (C’A)que el hierro dulce (CA)Caso práctico 3Tenemos un transformador conectado a una red de 50Hz de frecuencia con una chapa magnética de 0,9 Tesla(9 000 Gauss) de inducción. El peso del núcleo deltransformador es de 12 kg. El espesor de la chapa delnúcleo es de 0,35 mm y el coeficiente de histéresis es0,002.Calcula la potencia perdida en el hierro.Comenzaremos calculando la potencia perdida porFoucault.2,2 · f 2 · β 2 · e 2 2,2 · 50 2 · 0,9 2 · 0,35 2P F = = =1031032,2 · 2 500 · 0, 81 · 0,122= = 0,545 W/kg10 3Las pérdidas totales por Foucault serán:Tenemos un transformador que trabaja a una frecuenciade 50 Hz, con una chapa magnética de una inducciónde 1,2 Tesla (12 000 Gauss), conectado a unared de 50 Hz de frecuencia. El peso del núcleo deltransformador es de 3 kg. ¿Cuáles serán las pérdidaspor histéresis del núcleo magnético?Si aplicamos la Fórmula 4.2 de Steinmetz y el coeficientede histéresis tiene un valor de 0,002, la potenciaperdida en el núcleo por histéresis será:nP H = K h · f · β maxCaso práctico 2= 0,002 · 50 · 1,2 2 = 0,144 W/kgPor lo tanto, la pérdida por histéresis del núcleo será:P FT = P F · peso del núcleo == 0,545 · 12 = 6,54 WLas pérdidas por histéresis serán:P H = K h · f · β n = 0,002 · 50 · 0,9 1,6 == 0,002 · 50 · 0,844866 = 0,0844 W/kgLas pérdidas totales por histéresis serán:P HT = P H · peso del hierro = 0,084 · 12 = 1,01 WPara las pérdidas totales en el núcleo magnético, recurriremosa la Fórmula 4.3:P Fe = P F + P H = 6,54 + 1,01 = 7,55 W68P HT = P H · peso del hierro = 0,144 · 3 = 0,432 WLas pérdidas de potencia en el hierro (P Fe ) o en el núcleomagnético son la suma correspondiente a las pérdidaspor Foucault (P F ) y por histéresis (P H ), como indica la siguientefórmula:Fórmula 4.3P F + P H = P FeNo obstante, las pérdidas en el hierro se pueden determinarmidiendo la potencia consumida por el transformadoren vacío mediante vatímetro, como podremos comprobaren el ensayo correspondiente, que recibe el nombre de ensayoen vacío.4.2 Ensayo en vacíoEl ensayo en vacío proporciona, a través de las medidas detensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los

valores directos de la potencia perdida en el hierro, y dejaabierto el bobinado secundario. Por lo tanto, este bobinadono será recorrido por ninguna intensidad, y no se tendránen cuenta los ínfimos valores de las pérdidas en el cobrepara este ensayo.Los principales datos que hay que determinar en el ensayoen vacío son:• Las pérdidas en el hierro a través de la lectura delvatímetro (W 1 ) en el bobinado primario, entendiendo quela P 10 es la potencia medida en el vatímetro (W 1 ).(P Fe = P 10 )• La intensidad en vacío del primario a través del amperímetro(A 1 ).• La relación de transformación (m):U1nm = UTambién podemos calcular, con la ayuda de los resultados:• La impedancia (Z):20Z = U 1nI 1• La potencia aparente en vacío (S sap ):0S sap = U 1n · I 10• El ángulo de desfase (ϕ) o factor de potencia devacío:P10cos ϕ = SsapEn vacío, el coseno de ϕ 10 coincide aproximadamente conel cos ϕ 20 (cos ϕ 10 ≅ cos ϕ 20 ).GGSW 1 A 1U 1nI 0V 1 V 2 U 20Fuente de alimentación de corriente alterna regulable(autotransformador regulable)Fig. 4.7. Esquema eléctrico del ensayo de un transformador en vacío.Calcula la potencia aparente y el factor de potencia en vacíode un transformador partiendo de los siguientes datos:Tensión del primario U 1n 380 VIntensidad del primario I 10 0,081 ATensión del secundario U 2n 125 VPotencia medida con vatímetro P 10 2,2 WResistencia del cobre R cu 2,4 ΩCon los resultados obtenidos podemos calcular:• La relación de transformación (m).• La potencia activa en vacío (P 10 ).• La impedancia (Z).Caso práctico 4• La potencia aparente (S sap ).• El ángulo de desfase ϕ entre la tensión y la intensidadde corriente.En el ensayo en vacío, al estar abierto el bobinado secundario,no circula ninguna intensidad por éste, lo quepermite que las tensiones primarias y secundarias seanexactas a las previstas en cada bobinado. Por lo tanto:m = U 1n = 3 80 = 3,04U 1252nLa potencia perdida que hemos medido con el vatímetroen el bobinado primario del transformador en vacíocorresponde a las pérdidas en el hierro y en el cobre.P 10 = 2,2 WLa potencia perdida en el cobre se puede calcular mediantela resistencia del bobinado y el cuadrado de laintensidad del primario (I 10 ) 2 .La resistencia del cobre medido con un óhmetro nos da2,4 Ω; la potencia del cobre será:P cu = R cu · (I 10 ) 2 = 2,4 · 0,081 2 = 0,0015 WEste resultado indica que la potencia que se pierde porel cobre del bobinado se puede despreciar con respectoa las pérdidas en el núcleo por las corrientes de Foucaulty por el fenómeno de histéresis, en cualquier ensayoen vacío.69

Caso práctico 4 (continuación)La impedancia se determinará conocida la tensión y laintensidad del primario:Z = U 1n380 = = 4 691 ΩI 1 0 ,0810La potencia aparente se determinará conocida la tensióny la intensidad del primario:S sap = U 1n · I 1 = 380 · 0,081 = 30,78 VAEl ángulo de desfase ϕ entre la tensión y la intensidadde corriente.P102,2cos ϕ = = = 0,0714S 3 0,78sapHay que tener en cuenta algunas consideraciones cuandose producen pérdidas en el hierro o en vacío de un transformador;estas pérdidas tienen bastante importancia durantesu explotación, ya que por ella misma provoca un consumode energía incluso cuando el transformador no tieneconsumo.En los momentos que no tiene consumo exterior, esta energíadeberá ser abonada por el usuario, debido a que loscontadores de energía se conectan siempre en los primariosde los transformadores de los centros de transformación.También se ha comprobado que las pérdidas en el hierroson aproximadamente proporcionales al cuadrado de la inducción,por lo que al usuario le interesan inducciones bajas;pero el interés de los constructores de transformadoreses dar un valor tan elevado como puedan.1.º Determinar las características del transformador.2.º Exponer los objetivos del ensayo.3.º Diseñar el esquema de montaje del ensayo (puede sercomo el de la Figura 4.7) y realizar los cálculos previos.4.º Procederemos a localizar los aparatos de medidas necesariospara realizar todas las medidas que el ensayorequiere, y un autotransformador regulable para disponerde diferentes valores de las tensiones. Para esorecurrimos al esquema de montaje que tenemos en la Figura4.7.5.º Realizaremos el montaje de los elementos que requierenel ensayo según el esquema de montaje.6.º Procederemos a realizar las medidas pertinentes, anotandoen un cuadro de valores todos los datos que losaparatos de medidas nos vayan aportando, como indicael protocolo de ensayos.7.º Cotejaremos los datos obtenidos con los cálculos previos,procederemos a determinar la potencia perdida yredactaremos las conclusiones.Denominaremos protocolo de ensayo al documentoque recoge el proceso que hemos expuesto anteriormente.Este protocolo se realiza también con los ensayos del transformadoren carga y en cortocircuito, como veremos másadelante.4.3 Transformador en cortocircuitoEn los transformadores, al igual que en cualquier dispositivoeléctrico, se producen pérdidas de potencia; una partede éstas se producen ya en vacío y se mantienen constantese invariables en carga.V1V2P2I ccR ccX ccV ' 2 = 0P1mU cc70Tabla 4.2. Cuadro de valores para la realización del ensayo.Para realizar el ensayo de un transformador, deberemos seguirun determinado orden, que puede ser éste:Fig. 4.8. Circuito equivalente de resistencias e inductancias de un transformadoren cortocircuito.

PROTOCOLO DE ENSAYO DE TRANSFORMADORESTipo de ensayoENSAYO EN VACÍOS 1 ___________________(VA) U 2 __________(V) f________(Hz)Características del transformador S 2 ___________________(VA) I 1 ___________(A)U 1 ___________________(V)I 2 ___________(A)Objetivos del ensayoDeterminar las pérdidas en el hierroEsquema de montajeInstrumentos de medidasy regulación a utilizarU 1 (voltios) U 2 (voltios) I 1 (amperios) I 2 (amperios) W 1 (vatios) W 2 (vatios)(m) Relación detransformaciónTabla de valoresde las medidas realizadasa diferentes valoresde la tensiónCálculos definitivosde la potencia perdidaen el hierro71Tabla 4.3. Ficha para el protocolo de ensayo de un transformador.

La otra parte de las pérdidas de potencia se producen enlos conductores de los bobinados primario y secundario, sometidosa la intensidad nominal. Se denominan pérdidasRI 2 debidas al cobre (P cu ).Las pérdidas de potencia en el cobre (P cu ) se determinan medianteel ensayo en cortocircuito.En el ensayo en cortocircuito, como las intensidades son nominales,se producen pérdidas en el cobre por efecto Joulesimilares a las que se dan cuando el transformador está encarga; se diferencian en el rendimiento cuando el índice decarga es menor que la unidad.4.4 Ensayo en cortocircuitoAutotransformadorregulableA rV ccW ccI 1nN 1I 2nN 2A 2Con el ensayo en cortocircuito, conseguimos las intensidadesnominales en los dos bobinados, aplicando una pequeña tensiónal primario y cortocircuitando el secundario con un amperímetro(el amperímetro tiene una resistencia prácticamentenula), como se muestra en las figuras 4.9 y 4.10.En muchos ensayos en vacío, la I cc supera el 25 % de la intensidadnominal (I n ).AutotransformadorregulableA rV ccW ccI 1nN 1I 2nN 2A 2Fig. 4.10. Esquema de montaje para el ensayo en cortocircuito de un transformador.Las pérdidas en el cobre se calculan mediante:P cu = R 1 · I 1n2 + R 2 · I 2n2A. Pérdidas en cortocircuitoEstas pérdidas se determinan directamente con el vatímetroconectado en el primario, que corresponde a la potenciaen cortocircuito (Pcc) (véase la Figura 4.9).P cc = P cu72Fig. 4.9. Esquema de montaje de un transformador en cortocircuito.El procedimiento es el siguiente:Con un autotransformador regulable y comenzando desdecero, aplicamos progresivamente la tensión, que se incrementavoltio a voltio, hasta conseguir las intensidades nominalesen los dos bobinados.La tensión aplicada, una vez alcanzada la intensidad nominalen el secundario, recibe el nombre de tensión de cortocircuito(U cc ). Esta tensión supone un valor bajo con respectoa la tensión nominal aplicada al transformadorcuando está en carga.En la práctica, la U cc se da en valores porcentuales oscila entreun 4 % y un 10 % de la tensión nominal U 1n . En transformadoresde distribución, la tensión nominal se representacon la letra u minúscula seguida de cc, que indica el valoren cortocircuito (U cc ), así como en las demás magnitudes,como son las impedancias, las inductancias, etc.u cc = U cc · 1 00 (en %)U1nQueremos conocer las pérdidas de potencia en los bobinadosprimario y secundario de un transformador.Para ello conectamos el secundario en cortocircuito; elamperímetro del secundario nos mide una intensidadde 6 A y 2 A en el amperímetro del primario. Midiendolas resistencias de los bobinados con un polímetrodigital, tenemos como R 1 una resistencia de 0,85 Ω, yR 2 , una resistencia de 1,4 Ω.I 2ccI 1ccU 1ccP 1ccCaso práctico 5P cu = R 1 · I 1n2 + R 2 · I 2n2= 0,85 · 6 ++ 1,4 · 2 = 5,1 + 2,8 = 7,9 WTabla 4.4. Tabla de valores para el ensayo en cortocircuito de untransformador.

B. Resistencias, inductancias e impedanciasen cortocircuitoLos valores de la resistencia (R cc ), de la inductacia (X cc ), y dela impedancia (Z cc ) de los circuitos en el ensayo en cortocircuitose obtendrán mediante:• Resistencia:4.5 Rendimiento del transformadorEl rendimiento del transformador se define como larelación entre la potencia cedida al exterior de la máquinapor el bobinado secundario y la potencia absorbida por elbobinado primario:• Inductancia:• Impedancia:Donde:R cc = R 1 + R’ 2X cc = X d1 + X’ d 2Z cc2 = R cc2 + X cc2Z cc = R cc2 + X cc2 η = P PPara determinar el rendimiento de un transformador, podemosseguir el método directo, es decir, medir lapotencia del primario con un vatímetro y la del secundariocon otro, de forma que el rendimiento vendrá determinadopor el cociente que resulta entre ellos, como se expone enla fórmula anterior, en tanto por uno y en tanto por cien,como se indica a continuación:21También:Z cc = U ccI 1Por lo tanto la corriente de cortocircuito siempre dependeráde las resistencias de sus bobinados y de las inductanciasde dispersión provocadas por los mismos.C. La intensidad de cortocircuitoLa intensidad en cortocircuito (Icc) se obtiene así:2η = W · 100 (en %)W1Este resultado puede impedirnos calcular el rendimiento, debidoa que el error de medida de los voltímetros es mayorque la pequeña diferencia entre P 2 y P 1 .Con el método indirecto podemos determinar el rendimientoa través del cociente que resulta de la potencia queel transformador cede el exterior y la potencia absorbidapor el transformador, sumándole las pérdidas en el cobre ylas pérdidas en el hierro.U2I cc = ZDado que no se conoce la tensión del secundario, se obtienesustituyendo la tensión del secundario (U 2 ) por su valoren la expresión de la relación de transformación, siendo:I cc =cc U 1mRcc2 + Xcc2D. El factor de potencia de cortocircuitoUna vez obtenidos los datos en el ensayo (la potencia y latensión de cortocircuito), el coseno de ϕ será:cI 1nPcos ϕ cc = Uccc·Puη = (Pu + P + P Fe )4.6 RefrigeraciónLa refrigeración en los transformadores se produce de diferentesmaneras debido al tipo de construcción, a la potencia,al medio ambiente donde se encuentre, etc.Los transformadores de pequeña potencia se suelen refrigerarmediante la expulsión del aire caliente directamentea la atmósfera. El calentamiento en el transformador se producepor las pérdidas de energía eléctrica.En los transformadores secos, el escaso efecto refrigerantedel aire no es suficiente para su refrigeración natural, porcu73

lo que son construidos con gran superficie de evacuación deaire.Está normalizado que los transformadores trabajen de formapermanente en régimen nominal y a una altitud de 1 000metros; el calentamiento medio no debe superar los 65 ºCa temperatura ambiente, admitiendo 40 ºC como temperaturamáxima del ambiente.4.7 Medida de temperaturaSe utilizan varios métodos para medir la temperatura en eltransformador:• Método por termómetro.• Método por variación de resistencias de los bobinados.• Método por detectores internos de temperatura.1 Núcleo de tres columnas construido a base de chapas magnéticasde grano orientado de bajas pérdidas aisladas por amboslados.2 Arrollamiento de baja tensión construido con banda de aluminio;las espiras están fijamente pegadas entre sí mediante materialaislante laminado.3 Arrollamiento de alta tensión a base de bobinas individuales dealuminio, bobinados en fleje; la resina se trata en vado.4 Terminales de baja tensión; arriba, por el lado posterior, y abajo,mediante consulta.41623587A. El método por termómetroConsiste en tomar la temperatura en el aceite refrigerante ysobre el núcleo a aquellos transformadores que tienen cubade aceite.A los transformadores secos se les toma en el núcleo, enotras partes metálicas y en el bobinado, si se tiene accesoa él, mediante unas sondas específicas para cada punto decontacto que se introducen en la parte del transformadorque vayamos a medir, y se conecta a un termómetro digital,como el de la Figura 4.12.B. El método por variación de resistenciasConsiste en medir las resistencias en frío, y después de untiempo estipulado de aproximadamente cuatro horas, unavez que el transformador está funcionando en régimen nominal,volver a medir las resistencias de los bobinados ycalcular la variación de temperatura en función de la diferenciade resistencias en los mismos.C. El método por detectores internos de temperaturaConsiste en introducir, durante la construcción del transformador,unos sensores de temperatura (termorresistores) queactúan en forma de señal al detectar la temperatura que seles ha marcado.5 Terminales de alta tensión: disposición variable para optimizarel diseño del C.T.6 Separadores elásticos: eliminación de vibraciones entre núcleoy devanados, lo que reduce el ruido.747 Armazón y chasis con ruedas orientables para desplazamientolongitudinal y transversal.8 Aislamiento de resina epoxy/cuarzo molido exento de mantenimiento,seguro contra la humedad y tropicalizado, de difícil combustióny autoextinguible.Fig. 4.11. Transformador trifásico seco.Fig. 4.12. Termómetro digital con sonda de temperatura.

4.8 Medida de aislamientoLa medida de aislamiento consiste en verificar el total aislamientode los circuitos eléctricos del transformador entresí, y entre éstos y las partes metálicas del transformador.Un aislamiento defectuoso no detectado por el comprobadorde continuidad puede provocar cortocircuito en el transformadory generar mayores problemas en el funcionamiento,además de poner en peligro a las personas queestén cerca de éstos. Para ello se utiliza un aparato de medidallamado «medidor de aislamiento» o megóhmetro.El ensayo consiste en medir entre masas y los bobinadosuna tensión entre 500 y 1 000 voltios en corriente continuasuministrada por el medidor de aislamiento (megger).Para que la resistencia de aislamiento cumpla los límites establecidospor el Comité Electrotécnico Internacional, el valormínimo será:Donde:R ais = U ·1 000R ais = resistencia de aislamiento en M Ω con un mínimo de250 000 M ΩU = tensión más elevada de la máquina en voltiosTensión Medida Resulta- Resis-Máquina de prue- de aisla- do de la tenciaba en V miento medida de falloTransfor- entre 500 primariomador y 1 000 y masamonofásicoentre 500y 1 000entre 500y 1 000secundarioy masaprimario ysecundarioTabla 4.5. Medida de aislamiento en una máquina eléctrica.4.9 Medida de rigidez dieléctricaLa rigidez dieléctrica es la tensión por unidad de espesorque aguanta el aislante sin perforarse. Se expresa enkV/cm.Esto no es suficiente para que el aislante sea adecuado a latensión de funcionamiento, ya que existen muchos factoresque pueden complicar el aislamiento, como, por ejemplo,la humedad, el envejecimiento, el calentamiento excesivo,etc. Para ello se establecen unas normas que deben respetarsepara el buen funcionamiento de la máquina.La rigidez dieléctrica depende de la naturaleza del aislante,y la tensión que éste puede soportar es el producto de larigidez dieléctrica por el espesor.kVRigidezdieléctricaFig. 4.14. Dibujo del medidor de rigidez dieléctrica.75Fig. 4.13. Medidor de aislamiento con megóhmetro.La medida se realiza entre cada uno de los bobinados ymasa, y entre los bobinados. Se le irá sometiendo pro-

gresivamente durante un minuto a una tensión igual a2 Un + 1 000 V a 50 Hz, sin superar la tensión máximade 1 500 V.Tensión Medida Resulta- Resis-Máquina de prue- de rigi- do de la tenciaba en V dez di- medida de falloeléctricaTransfor- 2 Un + primariomador + 1 000 y masamonofásico 1 5002 Un + secundario+ 1 000 y masa 1 5002 Un + primario+ 1 000 y secun- 1 500 darioTabla 4.6. Medida de rigidez dieléctrica en una máquina eléctrica.4.10 Acoplamiento en paralelode transformadores monofásicosCuando tenemos una demanda de potencia mayor que laque podemos suministrar mediante un transformador, cabela posibilidad de cubrir esa necesidad acoplando dos o mástransformadores en paralelo.Para que esto sea posible, deben darse las siguientes condiciones:• Igual relación de transformación.• Iguales tensiones de cortocircuito.• Misma conexión a la red.La potencia nominal no debe ser superior al doble de lapotencia del otro transformador.4.11 Normas de seguridaden el taller de ensayos• Conectar siempre a tierra la estructura metálica del transformadorque se vaya a ensayar.• En el ensayo en cortocircuito, poner mucha atención a latensión que se le proporciona progresivamente al bobinadoprimario, y no exceder nunca la intensidad nominaldel primario o del secundario.• En el ensayo de aislamiento, comprobar que los bornesdel transformador están desconectados de la red eléctrica.Conceptos básicos76Corrientes de Foucault: corrientes producidas encualquier material conductor cuando se encuentra sometidoa una variación del flujo magnético. Como losmateriales magnéticos son buenos conductores eléctricos,en los núcleos magnéticos de los transformadores segenera una fuerza inducida que origina una corrientede circulación.Histéresis magnética: fenómeno que se producecuando la imantación de los materiales ferromagnéticosno sólo depende del valor del flujo, sino también de losestados magnéticos anteriores. En los transformadores,al someter el material magnético a un flujo variable, seproduce una imantación que se mantiene cuando éstecesa, lo que provoca una pérdida de energía.Protocolo de ensayo: documento que recoge los datosdel proceso de ensayo de un transformador: característicasdel transformador, objetivos del ensayo, diseño delesquema de montaje del ensayo, detalle de los aparatosnecesarios para realizar todas las medidas, relación delos valores obtenidos y los cálculos definitivos.Rendimiento del transformador: relación entre lapotencia cedida al exterior de la máquina por el bobinadosecundario y la potencia absorbida por el bobinadoprimario.Transformador ideal: transformador en el que noexisten ningún tipo de pérdidas, ni magnéticas ni eléctricas.La inexistencia de pérdidas supone la ausencia deresistencia e inductancia en los bobinados.

Autoevaluación1. ¿Cómo se expresaría que un transformador se encuentraen vacío?2. ¿Qué se determina con el ensayo de un transformadoren vacío?3. ¿Qué son pérdidas en el hierro?4. ¿Cuál será la potencia perdida en el hierro por Foucaulten un transformador con una inducción de 1 Tesla(10 000 Gauss) y un espesor de la chapa magnéticade 0,35 mm, conectada a una red con unafrecuencia de 50 Hz?5. ¿Qué son pérdidas en el cobre?6. ¿Qué se determina con el ensayo en cortocircuito?7. ¿Cuál será la potencia perdida en el cobre?– Un vatímetro.– Un amperímetro.• Procedimiento:Cl 1 = 220 V1.º Mediremos la tensión del bobinado primario U 1con el voltímetro V 1 .2.º Mediremos la intensidad de corriente del bobinadoprimario I 10 con el amperímetro A 1 .3.º Mediremos la potencia activa P 10 con el vatímetroconectado al bobinado primario.P 10 = 1'8 W I 10 = 0'05 A R cu = 1'40 ΩV2 = 125 VI 0Actividades8. Define y demuestra el rendimiento de un transformador.9. Calcula la resistencia de aislamiento de un transformadorde 380 V en el primario y 220 V en el secundario.La potencia es de 30 kVA.10. Cita y explica los métodos para el cálculo del rendimientode un transformador.V 1W 1 A 1V 2Fig. 4.15. Esquema del transformador en vacío.Resultados de las medidas:Actividades de enseñanza–aprendizaje11. Ensayo de un transformador en vacío.• Objetivos:– Determinar las pérdidas de un transformador envacío.– Efectuar el montaje real de un ensayo en vacío.U 10I 10U 20R cuP 10220 V0,05 A125 V1,4 Ω1,8 W• Datos:– Calcular la potencia en vacío de un transformadorconectado a una red de 220 V. Para ello procederemosa realizar las medidas necesarias conlos aparatos correspondientes.• Medios didácticos:– Un transformador monofásico de pequeña potencia.– Un autotransformador regulable de tensión.– Dos voltímetros.• Contesta:a) Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en lasmediciones, calcula: la relación de transformación,la potencia activa en vacío (potencia perdida), laimpedancia (Z) y la potencia aparente (S sap ).b) Determina el ángulo de desfase ϕ entre la tensióny la intensidad de corriente.c) Contrasta las pérdidas de potencia por Foucaulty por histéresis.d) Comprueba las pérdidas totales en el hierro.77

Actividades12. Ensayo de un transformador en cortocircuito.• Objetivos:– Conocer las conclusiones del ensayo de transformadoren cortocircuito.– Conocer el montaje real de un ensayo en cortocircuito.– Conocer la tensión de cortocircuito (en %).• Medios didácticos:– Un transformador monofásico de pequeña potencia.– Un autotransformador regulable de tensión.– Un voltímetro.– Dos amperímetros.– Un vatímetro.• Datos:– Tenemos un transformador de tensión nominal enel primario de 220 V y queremos conocer la tensiónen cortocircuito (en %), por lo que hemos derealizar el montaje requerido como indica la Figura4.16.2.º Tomaremos los datos de la medida de los amperímetrosdel primario A 1 y del secundarioA 2 .3.º Tomaremos los datos de la potencia activa conel vatímetro conectado al bobinado primario.I 1n U cc P cc4.º En el transformador ensayado, obtenemos el resultadopara la tensión en cortocircuito. La tensiónen cortocircuito es de gran importanciapara el cálculo de la impedancia interna Z deltransformador, de la potencia perdida en el cobreP cu ,de los bobinados, del factor de potenciaϕ y de la intensidad en cortocircuito I cc . Porlo tanto, a partir de estos valores podríamosdeterminar el cos ϕ cc .• Contesta:a) Determina las pérdidas en el cobre.b) Determina la tensión de cortocircuito de un transformador.13. Medida de aislamiento del transformador.AutotransformadorregulableI 1n = 0'32 A P cc = 5 WU cc = 18 VI 1A 1W ccII 2nU 1nccN 1 N 2A 2• Objetivo:– Verificar si el transformador cumple la normativasobre aislamiento.– Manejar el medidor de aislamiento o megohmetro(megger).• Medios didácticos:Fig. 4.16. Esquema del transformador en cortocircuito.– Transformador monofásico.78• Procedimiento:1.º Aplicaremos tensión de forma progresiva y devoltio en voltio hasta conseguir en el bobinadoprimario o en el secundario la intensidad nominalmedida por los amperímetros correspondientes.– Medidor de aislamiento.• Procedimiento:1.º Desconectamos los bobinados primario y secundariode la red y de la carga, respectivamente.2.º Conectamos el megóhmetro entre el bobinadoprimario y la carcasa metálica del transformador.

3.º Conectamos el megohmetro entre el bobinadosecundario y la carcasa metálica del transformador.4.º Conectamos el megohmetro entre el bobinadoprimario y el secundario.• Datos:Tensión Medida Resulta- Resis-Máquina de prue- de aisla- do de la tenciaba en V miento medida de falloTransfor- entre 500 primario Infinito (∞)mador y 1 000 y masamonofásicoentre 500 secundario Infinito (∞)y 1 000 y masaentre 500 primario y Infinito (∞)y 1 000 secundarioTabla 4.7. Medida de medidas de aislamiento en una máquina eléctrica.• Procedimiento:1.º Identificar la tensión mayor a la que trabaja eltransformador.2.º Conectar el medidor de rigidez dieléctrica a unborne del primario y a la carcasa metálica deltransformador; aumentar progresivamente el valorde la tensión de rigidez dieléctrica hasta llegara 1 500 voltios durante un minuto.3.º Conectar el medidor de rigidez dieléctrica a unborne del secundario y a la carcasa metálica deltransformador; aumentar progresivamente el valorde la tensión de rigidez dieléctrica hasta llegara 1 500 voltios durante un minuto.4.º Conectar el medidor de rigidez dieléctrica a unborne del primario y a otro borne del secundariodel transformador; aumentar progresivamente elvalor de la tensión de rigidez dieléctrica hasta llegara 1 500 voltios durante un minuto.ActividadesEl resultado obtenido en la medida de aislamientopor el medidor de aislamiento es infinito en cadauna de las medidas, como indica el cuadro anterior.• Contesta:a) Comprobar mediante fórmula si el resultado estádentro de los límites normalizados.14. Medida de rigidez dieléctrica en sólido.• Objetivos:– Comprobar la posibilidad de perforación de unaislante.– Estudiar el concepto de «rigidez dieléctrica».• Medios didácticos:– Transformador monofásico.– Medidor de rigidez dieléctrica (chispómetro).Tensión Medida Resulta- Resis-Máquina de prue- de rigi- do de la tenciaba en V dez di- medida de falloeléctricaTransfor- 2 Un + primario *mador + 1 000 y masamonofásico 1 500• Contesta:2 Un + secundario *+ 1 000 y masa 1 5002 Un + primario *+ 1 000 y secun- 1 500 dario(*) No se ha disparado el medidor de rigidez dieléctrica.Tabla 4.8. Medida de rigidez dieléctrica en una máquina eléctrica.a) Comprueba mediante fórmula si el resultado dela medida está dentro de lo normalizado.b) Identifica una perforación provocada.79