TRANSFORMADORES. El transformador es un aparato estático, de inducción electromagnética, destinado...

TRANSFORMADORES.
El transformador es un aparato estático, de inducción electromagnética, destinado a transformar un
sistema de corrientes alternas en uno o más sistemas de corrientes alternas de igual frecuencia y de
intensidad y tensión generalmente diferentes.
El transformador es una máquina eléctrica estática, que transforma energía eléctrica, con una
tensión e intensidad determinada, en energía eléctrica con tensión e intensidad distintas o
iguales.
Un transformador está constituido por dos circuitos eléctricos acoplados mediante un
circuito magnético.
Los circuitos eléctricos están formados por bobinas de hilo conductor, normalmente
cobre. Estas bobinas reciben el nombre de devanados y, comúnmente se les denomina
devanado primario y secundario del transformador.
Las condiciones de funcionamiento para las cuales se diseña un transformador constituyen sus
valores nominales. En transformadores de potencia y distribución, las características
nominales o de placa son, la frecuencia, las tensiones eficaces de primario y secundario y la
potencia aparente. Los valores nominales de un transformador están limitados por el
calentamiento máximo admisible de los aislantes, debido a las pérdidas.
Un parámetro fundamental en los transformadores es su relación de transformación.
Un transformador transforma tensiones, corrientes e impedancias, de acuerdo con las
siguientes leyes:
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES.
Un transformador está formado por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. El circuito
magnético está formado por chapas de material ferromagnético (generalmente una aleación
de hierro y silicio), apiladas y aisladas entre ellas para reducir las corrientes de Foucault.
Sobre el núcleo magnético, se encuentran enrollados los circuitos eléctricos primario y
secundario, cada uno con un número determinado de espiras o vueltas.
El circuito que recibe la tensión que queremos transformar será el circuito primario, mientras
que el que proporciona la tensión ya transformada (elevada o reducida) será el secundario.
Como se puede ver en la figura, si se conecta la bobina primaria a una tensión de entrada
U 1 y la bobina secundaria a un receptor, la tensión de entrada produce en el bobinado
primario una corriente eléctrica I1 que a su vez inducirá un flujo magnético alterno φ.
El flujo circula a través del circuito magnético y, al llegar al bobinado secundario, induce en éste
otra tensión eléctrica alterna de diferente valor U 2 pero con la misma frecuencia. Esta variación
depende del número de espiras de las bobinas (N1 y N 2).
La relación de transformación (m) es la expresión matemática que describe la relación que existe
entre los valores de los dos bobinados:
CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO.
Para explicar el principio de funcionamiento del transformador se propone uno ideal. Es decir:
reluctancia nula, pérdidas eléctricas y magnéticas (parásitas y por histéresis) nulas, corriente de
magnetización nula, flujos de dispersión nulos. Ahora se considera todos estos aspectos de un
transformador real.
En la figura se representa un esquema más realista de un transformador. En él se muestran los flujos
de dispersión de primario y secundario, además del flujo común. También se muestran las
resistencias óhmicas propias de los devanados R1 y R2. Estas resistencias, son las propias de los
devanados, y se han situado como si estuvieran fuera de las bobinas.
Los flujos Φ1 y Φ2, son los flujos totales presentes en cada una de las bobinas. De ellos, una parte
es común a las dos bobinas, y otra, es propia de cada una de ellas; esa parte no común se llama flujo
de dispersión que se cierran por el aire, y no por el núcleo del transformador. De modo que:
Φ1= Φ + Φld
Φ2= Φ + Φld
Por la ley de inducción, cada uno de estos flujos, cuando varíen, inducirán tensiones en las bobinas
en las que se asientan. Esas tensiones serán:
Los dos primeros sumandos de estas expresiones se pueden sustituir por:
Es decir, como si cada uno de los bobinados tuviese una parte que abraza al hierro y otra que abraza
al aire (ambas con el mismo número de espiras).
A la parte que queda en el aire se le asignan las autoinducciones que correspondan Ld2 y Ld1.
Según el número de espiras, la permeabilidad del aire, y la disposición geométrica que se tenga,
estas autoinducciones serán más o menos grandes. (Según sea la forma en la que esté construido el
transformador, el flujo disperso puede ser mayor o menor.)
Respecto al flujo común, éste inducirá en cada bobinado, tensiones proporcionales al número de
espiras de cada uno, habiendo por tanto una relación exacta entre cada una de estas tensiones,
correspondiente a la relación de espiras.
Suponiendo que se trabaja con magnitudes senoidales, podemos aplicar el cálculo simbólico y la
notación compleja, pudiendo escribir lo siguiente:
Dice, que de la tensión de entrada se descuenta una caída en la resistencia del bobinado primario R1
y otra en la reactancia de dispersión X1.
Y continuando con el criterio de signos adoptado; en el secundario se tiene:
Esto es: de la tensión inducida por el flujo mutuo E2, descontando las caídas en R2 y X2, se llega a
lo realmente disponible para aplicar a la carga: V2.
Estas caídas de tensión no son muy elevadas (entre el 1 y el 10 por ciento en los transformadores
comerciales), de modo que se puede afirmar con bastante exactitud que la relación de tensiones en
bornes del transformador, coincide con la relación de espiras:
El siguiente paso hacia el transformador real es introducir la corriente de magnetización y las
pérdidas magnéticas. (Se observa que al separar R1 y R2, ya se han introducido las pérdidas
eléctricas.)
Con lo hecho hasta ahora el modelo del transformador sería el siguiente:
Donde las bobinas acopladas representan a un transformador ideal de relación de transformación
N1/N2.
Todavía no se tiene en cuenta, el hecho de que el transformador en vacío consume una corriente no
nula. En efecto, en un transformador ideal, si uno de los arrollamientos está abierto (corriente nula),
por el otro arrollamiento no puede pasar ninguna corriente (aunque esté conectado a un circuito
cerrado y alimentado). Esto no ocurre en la realidad, sino que cuando se deja a un transformador en
vacío (secundario abierto), por el primario circula una corriente I0, llamada corriente de vacío,
necesaria para generar el campo magnético del núcleo.
La idea del transformador ideal proviene del hecho de suponer que la reluctancia del hierro es nula,
lo cual es falso pero acertado, dado que sin ser nula, sí que es muy pequeña en comparación en la
del aire. Si la reluctancia del circuito magnético no es nula, entonces, aun estando el secundario
abierto, existirá una corriente necesaria para magnetizar el circuito, que cumplirá con la ecuación:
(Suma de fuerzas magnetomotrices= flujo x reluctancia)
i1 es la intensidad que circula por el primario, que en este caso al ser nula la del secundario,
llamamos intensidad de vacío i0. El flujo magnético en principio no se sabe cuál será; se le puede
llamar vacío, al igual que a la corriente. El valor que tenga, será aquel que la reluctancia del núcleo
y la cuantía de la tensión aplicada al primario determinen.
Por ejemplo, si el material magnético es de mala calidad, la reluctancia será grande, y el flujo que se
obtenga con una determina tensión, no será tan grande como el que se obtendría con un material de
mejor calidad. En otras palabras, cuando mejor sea el material magnético, menor esfuerzo será
necesario para generar un campo magnético apreciable en el núcleo. De la misma forma, con un
material determinado, cuanto más grande sea la tensión aplicada al primario, mayor será el flujo
creado.
CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES. DESIGNACIONES Y SIMBOLISMOS.
Se clasifican según diferentes criterios. Hay dos grandes grupos: los transformadores de
potencia y los transformadores de tensión.
Transformadores de potencia
Función: elevador, reductor o separador
Número de fases: monofásico o trifásico
Ambiente: interperie o interior
Refrigerante: sin refrigerante o con refrigerante
Sistema de refrigeración: natural o forzada
Transformadores de medida:
De intensidad
De tensión
Según el servicio:
De potencia y distribución (V y f constantes)
De comunicaciones (V y f variables)
De medida y protección
Según el circuito magnético:
De columnas
Acorazados
Según la refrigeración:
Transformadores en seco
Transformadores en baño de aceite
Transformadores con refrigeración natural
Transformadores con refrigeración forzada
Según el sistema de tensiones:
Monofásicos
Trifásicos
Etc.
Los símbolos más utilizados son los que se indican:
CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO
Las normas fijan condiciones normales de servicio, a saber:
 Altitud de la instalación (hasta 1000 metros sobre el nivel del mar)
 Temperatura del refrigerante, por ejemplo para aparatos refrigerados por aire, la
temperatura del aire ambiente no debe exceder los 40 °C.
Además en las normas se fijan temperaturas mínimas del aire y valores promedios diarios y
anuales que, si se previese excederlos, es indispensable indicarlos claramente a nivel de
especificación.
Los transformadores se identifican con una sigla que define el modo y el medio de
refrigeración utilizado.
Los transformadores pueden ser sumergidos en aceite mineral, sintético u otro líquido
refrigerante, o ser de tipo seco.
Los primeros son aquellos cuyas partes activas, estén o no aisladas y eventualmente
impregnadas, están inmersas en aceite u otro líquido dieléctrico. La aislación se realiza con
materiales pertenecientes a la clase A (105 °C).
Los de tipo seco son aquellos cuyas partes activas, estén o no aisladas y eventualmente
impregnadas, están en contacto inmediato con un aislante gaseoso (generalmente aire) o
bien sólido (generalmente resinas epóxicas o a base de siliconas). La aislación se realiza
con materiales pertenecientes a la clase F (155 °C) o H (180 °C).
Cada medio de refrigeración se identifica con una letra de acuerdo a la siguiente tabla:
Aceite mineral o líquido aislante sintético
inflamable
Líquido aislante sintético no inflamable
Gas
Agua
Aire
O
L
G
W
A
Según el modo como circule el medio refrigerante se utilizan los siguientes símbolos:
Natural
Forzado
Dirigido para el caso particular de
aceite
N
F
D
Las normas fijan las condiciones normales de servicio, fueron especificadas, pero en la aplicación
puede ocurrir que se tengan funcionamientos que se aparten de las condiciones normales esta
situación debe ser indicada por el usuario.
Sobreelevación de temperatura es la diferencia entre la temperatura en distintas partes de la
máquina y la temperatura ambiente.
La sobreelevación de temperatura de los arrollamientos, núcleo y aceite de los transformadores
diseñados para funcionar a altitudes que no excedan las normales no deben superar los límites que
se indican en las tablas 1 y 2.
TABLA 1.1 - Límites de temperatura para transformadores secos
Parte de la máquina
Modo de refrigeración
Clase de
aislamiento
A
Máxima sobreelevación
de temperatura (° C)
60
Aire, natural o forzado
E
75
B
80
F
100
H
125
Arrollamientos:
(valor medio medido
por variación de
resistencia)
Núcleo y otras partes
situadas:
Todos los tipos
¾
a) Próximo a los
arrollamientos
a) Como para los
arrollamientos
b) No puede alcanzar
un valor que dañe el
núcleo y materiales
adyacentes
b) No próximo a los
arrollamientos
TABLA 2 -Límites de temperatura para transformadores en aceite u otro líquido dieléctrico
(Clase A)
Parte de la máquina
Arrollamientos:
Máxima sobreelevación de temperatura (°
C)
65 cuando la circulación del aceite es
natural o forzada
(valor medio medido por variación
de resistencia)
pero no dirigida
Temperatura máxima del aceite
(próximo a la tapa):
70 cuando es forzada y dirigida
60 cuando el transformador tiene tanque
conservador
Medida con termómetro
o es hermético
Núcleo, partes metálicas y materiales
55 cuando ni tiene tanque conservador ni
es hermético
La temperatura no debe alcanzar, en
magnéticos
ninguna parte, valores que dañen el núcleo, el aceite y los
arrollamientos
Cuando el transformador está diseñado para funcionar en lugares donde la temperatura del aire de
refrigeración excede los valores indicados en las normas, la sobreelevación de temperatura
admisible para los arrollamientos, núcleo y aceite, lógicamente se debe reducir.
Para potencias de 10 MVA o mayores la reducción que se aplica a la sobretemperatura coincide con
el exceso de temperatura del aire de refrigeración.
Para potencias menores la sobreelevación se deberá reducir del siguiente modo:
· Si el exceso de temperatura es menor o igual a 5 °C se reduce en 5 °C.
· Si el exceso de temperatura es mayor de 5 °C y como máximo igual a 10 °C se reduce en 10 °C.
Si el transformador esta diseñado para operar a una altura mayor de 1000 m, pero es ensayado a una
altura normal, los límites de sobreelevación de temperatura indicados se deben también reducir en
un cierto porcentaje en proporción a la altura
Para cada modo de refrigeración, por cada 500 m o fracción de 500 m por encima de los 1000 m la
reducción se indica en la tabla siguiente.
TABLA 3: Porcentaje de reducción del límite de sobrelevación de temperatura
Circulación de aire
natural
Transformadores
en 2.0%
aceite
Transformadores secos 2.5%
forzado
3.0%
5.0%
En rigor los límites de sobreelevación de temperatura que se fijan, y que dimensionan la máquina
desde el punto de vista térmico, y se utilizan en la verificación de sus prestaciones, están fijados con
un criterio de temperatura máxima de las zonas más calientes de manera de que los materiales y en
particular los aislantes conserven sus propiedades.
En consecuencia es aceptable utilizar un transformador controlando que la temperatura de su zona
más caliente quede contenida en un valor de seguridad independientemente de la condición
ambiental, y en esta forma la máquina es aprovechable en todo momento al máximo, este criterio
aunque no contemplado (aún) por las normas permite (de todos modos) un aprovechamiento más
racional del mismo.
Las pruebas de calentamiento que establecen las normas, tienen por finalidad verificar el
dimensionamiento térmico de la máquina con relación a la sobreelevación media de la temperatura.
Para máquinas de gran potencia esta prueba se realiza solamente con el método de cortocircuito y
consiste en determinar:

La sobreelevación de temperatura del aceite en la parte superior de la máquina (vaina para
termómetro) una vez alcanzado el régimen térmico con las pérdidas totales (en el hierro y en
los arrollamientos).

El gradiente medio entre el conductor de los distintos arrollamientos y el aceite, circulando por
el arrollamiento ensayado la corriente nominal, pudiéndose de este modo calcular la
sobreelevación media de los arrollamientos respecto a la temperatura ambiente.
La variación de la temperatura ambiente (verano-invierno) incide en la repetibilidad de las
mediciones.
Con el aumento de la temperatura disminuye la viscosidad del aceite, aumentando de este modo su
circulación y mejorando el intercambio térmico entre el aceite y las paredes de los órganos de
refrigeración.
En cambio con el aumento de la temperatura disminuye la densidad del aire y en consecuencia se
reduce el intercambio térmico entre las paredes de los órganos refrigerantes y el aire, suponiendo un
caudal de aire constante.
Teniéndose en cuenta ambos efectos en forma conjunta, la refrigeración tiende a mejorar con el
incremento de temperatura ambiente.
Por ejemplo se puede encontrar experimentalmente una reducción en la temperatura de los
devanados de 2 a 3 °C al pasar la temperatura ambiente de 20 a 30 °C. Además del control de la
sobreelevación de la temperatura media, es de fundamental importancia verificar la ausencia de
puntos calientes peligrosos, a fin de obtener máquinas de elevado grado de confiabilidad.

Forma de onda de la tensión de alimentación que caracteriza el ambiente eléctrico en el que
operará el transformador (la norma la supone aproximadamente senoidal).
Para transformadores polifásicos, la tensión de alimentación debe ser aproximadamente simétrica
(la norma no indica el grado de asimetría).
TIPOS DE NÚCLEOS MAGNÉTICOS.
El circuito magnético está constituido por chapas de aleaciones de hierro-silicio o hierro-níquel,
aisladas unas de otras para limitar las pérdidas por corrientes de Foucault. El espesor de las
chapas suele oscilar entre 0,33 y 0, 5 mm.
Transformador monofásico de columnas
Están formados por dos columnas verticales de igual sección, unidas entre sí por dos culatas
o yugos horizontales . La gran ventaja de este diseño es que los bobinados están
completamente separados, por lo tanto son adecuados para equipos de mucha seguridad como
los aparatos de electromedicina.
Transformador trifásico de columnas
Se construyen para grandes potencias. Tienen tres
horizontales.
columnas
verticales
y
dos
culatas
Transformadores acorazados
Se caracterizan por tener dos columnas exterior por las cuales circula el circuito magnético
y una columna centran donde se colocan los dos circuitos eléctricos.
La columna central deberá tener el doble de sección que las columnas exteriores, ya que
los flujos que se distribuyen por las columnas laterales convergen en la columna central como se
puede ver en la figura.
Estos transformadores se utilizan para
pequeñas potencias en cuadros eléctricos, en
aparatos con circuitos eléctricos, en
máquinas herramientas, en aparatos de
televisión, etc.
Los transformadores de columnas requieren
mayor cantidad de bobinado pero menor
cantidad de hierro que los transformadores
acorazados de las mismas características.
Transformadores toroidales
En estos transformadores, el núcleo magnético tiene forma de anillo cerrado. De esta forma el flujo
magnético no se dispersa y no se ven afectadas bobinas adyacentes. Se utilizan, por lo tanto,
en lugares donde es importante que el transformador no interfiera con otros equipos:
aparatos de medidas, interruptores diferenciales, circuitos electrónicos y en la construcción de
autotransformadores.
Autotransformadores
Son máquinas cuyos bobinados primarios y secundarios está unidos físicamente, cosa que no ocurre
con los transformadores normales. Se suelen utilizar en aquellos casos en que hay poca
diferencia entre la tensión primaria y secundaria. Suelen tener núcleo toroidal.
Ofrecen dos ventajas
Ahorro de material en el circuito magnético y como consecuencia, menos peso y menor precio
Se pueden utilizar como reguladores de tensión alterna de forma precisa y económica.
El inconveniente es que al estar unidos los dos bobinados no separan el circuito de
distribución del circuito eléctrico utilizado por los usuarios.
Aplicaciones típicas: control de máquinas eléctricas, instalaciones de climatización y regulación de
alumbrado.
Transformadores Trifásicos
Como el la producción, transporte y distribución de energía eléctrica se realiza mediante el
sistema trifásico, es necesario utilizar transformadores trifásicos para adaptar las tensiones a
los receptores y a los requisitos de los diferentes tramos de la red de transporte y distribución.
El transformador trifásico se consigue mediante el montaje de tres transformadores monofásicos
conectados cada uno a una fase de la red trifásica. Este montaje se llama banco trifásico.
Las partes esenciales del transformador trifásico son: tres
bobinados primarios, tres bobinados secundarios, circuito
magnético de tres columnas y dos culatas o yugos y un sistema de
refrigeración (puede ser mediante aire, con o sin ventiladores, o
mediante cubas de aceite refrigerante en los transformadores de
mayor potencia).
Un aspecto muy importante es determinar cómo se conectan los
extremos finales de los bobinados primarios y los extremos
iniciales de los bobinados secundarios.
Conexión en estrella: consiste en conectar entre sí los tres
extremos de los bobinados
Conexión en triángulo: consiste en conectar el final de cada
bobinado al principio del siguiente.
Transformadores de medidas
Los transformadores de medidas son aquellos que, por su particular construcción sólo se utilizan
para midificar las características de algunas magnitudes eléctricas y adaptarlas a los aparatos de
medidas convencionales.
Por seguridad, los bobinados secundarios de estos transformadores deberán estar conectados a
tierra.
a) Transformador de intensidad
Reduce la elevada intensidad que recorre un circuito a una menor intensidad. Una gran ventaja que
tiene este transformador es que conseguimos utilizar amperímetros menos voluminosos que
nos permiten colocarlos en espacios limitados, como cuadros de protección o cuadros de
automatismo. El secundario no debe funcionar en vacío o a circuito abierto. En el secundario
siempre debe haber un amperímetro conectado o bien se debe cortocircuitar.
b) Transformador de tensión
Al igual que el transformador de intensidad, se utiliza para reducir la tensión elevada para instalar
aparatos de medidas en cualquier cuadro eléctrico sin tener que recurrir a enormes voltímetros.
Tienen una estructura interna igual que el transformador monofásico de potencia. Pueden funcionar
en vacío. No deben cortocircuitarse.
Se utilizan en equipos de medidas de alta tensión, reducciones de tensiones en muy baja potencia,
como equipos de radio, equipos de vídeo, equipos informáticos, etc.
SIMBOLOS PARA REPRESENTAR TRANSFORMADORES.
Como cualquier otro dispositivo que interviene en un circuito eléctrico, el transformador debe ser
representado mediante una simbología específica:
A, B y C: Transformadores monofásicos de 5000V en el primario y 230 en el secundario, 20 KVA
de potencia y 50 Hz. A corresponde a una representación unifilar, y B y C representación
multifilar.
D y E: autotransformadores monofásicos de 380V en el primario y regulables de 0 a 380 V en el
secundario, 1KVA a 50 Hz. El símbolo D corresponde a la representación unifilar, el E a la
multifilar.
F, G y H: Transformadores trifásicos a 6000 V en el primario y 380 V en el secundario,
400 KVA a 50 Hz. Conexión en triángulo en el primario y estrella en el secundario. Los
tres símbolos representan al mismo transformador.
APLICACIONES DEL TRANSFORMADOR.
1) Usos industriales:
 Amplitud y frecuencia de entradas fijas.
 No hay ganancia en potencia (Sino perdidas, Ej corrientes parásitas). Lo que puede haber es
ganancia de tensión.
 Uso de grandes potencias.
Teniendo su principal aplicación como variador de tensión, es en las líneas de transporte de energía
eléctrica donde su aplicación es fundamental, debido a su doble vertiente tanto como elevador como
reductor.
2) Elemento de circuito.
1. Sistemas para acoplo magnético (Ej. Circuitos magnéticos)
2. Sistemas electrónicos.
Debido a la propiedad del transformador de reflejar impedancias se utiliza como:
 Adaptador de impedancias
 Separador (Aislador de cargas de fuente)
3) Elementos de medida.
Son necesitados como elementos de adaptador para la instrumentación.
CONEXIONES.
Para ser empleados en circuitos trifásicos, los transformadores monofásicos (caso de bancos
trifásicos a base de transformadores monofásicos) o los arrollamientos de cada una de las fases
o columnas (caso de transformadores trifásicos) pueden conectarse según diversas disposiciones,
unas simétricas y otras asimétricas.
Si la conexión es simétrica, cada fase del primario es igual que las otras dos, y lo mismo ocurre con
las fases del secundario.
Si la conexión es asimétrica, no existe identidad, desde el punto de vista eléctrico,
magnético y constructivo, entre las tres fases. Un ejemplo notable de disposición asimétrica es la
conexión en V o en triángulo abierto que emplea sólo dos transformadores monofásicos (caso de
bancos de transformadores) o dos de las tres fases de un transformador trifásico, cuando una de
ellas queda fuera de servicio.
Las conexiones simétricas son:
Estrella (AT) - estrella (BT)
Triángulo (AT) - triángulo (BT)
Estrella (AT) - triángulo (BT)
Triángulo (AT) - estrella (BT)
Estrella (AT) - zig zag (BT)
Triángulo (AT) - zig zag (BT)
Yy
Dd
Yd
Dy
Yz
Dz
La conexión estrella consiste en unir los terminales de igual polaridad (de primario o
secundario) para formar el punto neutro de la estrella.
La conexión triángulo consiste en unir los extremos de polaridad opuesta de fases adyacentes para
formar un triángulo.
La conexión zig zag (sólo se emplea en el lado de menor tensión) consiste en subdividir en dos
partes iguales los devanados secundarios, se forma un neutro como se indica en la siguiente figura y
se conectan en serie, a cada rama de la estrella, las semibobinas invertidas de las fases adyacentes
en un cierto orden cíclico.
CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE LOS DIFERENTES GRUPOS DE
CONEXIÓN EN TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
En líneas generales, puede decirse que, en transformadores pequeños o medianos con
tensiones elevadas o muy elevadas (arrollamientos previstos para intensidades de corriente
pequeñas), el constructor prefiere la conexión estrella.
Tratándose de potencias elevadas y tensiones moderadas (arrollamientos previstos para
intensidades de corriente elevadas), se prefiere la conexión triángulo.
CONEXIÓN Yy0 (A2 - VDE)
CARACTERÍSTICAS:
Disponibilidad de neutro en B.T1
No recomendable cuando se prevén grandes desequilibrios: IN ≤ 10% Inom.
APLICACIONES:
Potencias pequeñas y cargas equilibradas.
Subestaciones elevadoras de M.T. (hasta 66 KV), p.e., 20 KV/66 KV.
Transformador de distribución en M.T., p.e., 66 KV/6 KV (esta aplicación es más rara a causa del
mal comportamiento frente a cargas desequilibradas).
CONEXIÓN Dy5 (C1 - VDE)
CARACTERÍSTICAS:
Disponibilidad de neutro en B.T.
Admite desequilibrios: IN ≈ Inom.
No genera terceras armónicas de tensión
APLICACIONES:
Transformadores elevadores de principio de línea (de Central), p.e., 10 KV/132 KV
Transformador de distribución en B.T. (Centro de Transformación M.T. /B.T)
CONEXIÓN Dy5 (C1 - VDE)
CARACTERÍSTICAS:
Disponibilidad de neutro en B.T.
Admite desequilibrios: IN ≈ Inom.
No genera terceras armónicas de tensión.
APLICACIONES:
Transformadores elevadores de principio de línea (de Central), p.e., 10 KV/132 KV
Transformador de distribución en B.T. (Centro de Transformación M.T. /B.T)
CONEXIÓN Yd5 (C2 - VDE)
CARACTERÍSTICAS:
1 B.T. ≤ 1 KV
A.T. > 1 KV
M.T. = 15 KV # 20 KV # 28 KV # 36 KV
2 150 Hz
3 La conexión Dy con neutro a tierra, es la más empleada en C.T.
Según normas UNE (20-138-90) en transformadores de distribución en B.T.:
Snom ≤ 100 KVA ⇒ Yzn11
Snom ≤ 160 KVA ⇒ Dyn11
Imposibilidad de neutro en B.T.
Admite desequilibrios: IN ≈ Inom.
No genera terceras armónicas de tensión.
APLICACIONES:
Transformadores reductores de final de línea (de Subestación), p.e., 132 KV/20 KV.
CONEXIÓN Yz5 (C3 - VDE)
CARACTERÍSTICAS:
Disponibilidad de neutro en B.T.
Admite desequilibrios: IN ≈ Inom.
No genera terceras armónicas de tensión.
Se puede conectar a tensiones relativamente elevadas. Como transformador de C.T., con tensiones
elevadas, es más barato que el Dy.
APLICACIONES:
Exclusivamente para redes de distribución en B.T. (Centros de Transformación) de reducida
potencia (≤ 400 KVA). Es idóneo para cargas muy desequilibradas.
CONEXIÓN Dy11 (D1 - VDE)
CARACTERÍSTICAS:
Disponibilidad de neutro en B.T.
Admite desequilibrios: IN ≈ Inom.
No genera terceras armónicas de tensión.
APLICACIONES:
El Dyn11 es el más común en C.T., p.e., 20 KV/400 V.
MANTENIMIENTO DE TRANSFORMADORES.
El mantenimiento y operación de máquinas eléctricas se ha tenido que reducir a labores activas de
mantenimiento consiguiendo la reducción de costes a corto plazo pero generando un mayor riesgo
de uso de las mismas a medio y largo plazo. Las condiciones de operación también han cambiado
en el sentido de sacar el máximo partido a cada máquina funcionando las mismas a los máximos
regímenes posibles y en ocasiones por encima del nominal. Este marco de trabajo tiende a
envejecer prematuramente el parque de máquinas y si las mismas no son objeto de un mínimo
programa de mantenimiento que detecte situaciones de riesgo o de limitación de uso, la
situación resultante conducirá a medio plazo a un irregular campo de maniobra (averías,
paradas no programadas, interrupciones de suministro...) que hoy en día son tan habituales y
negativas ante el cliente para la cadena de producción.
Existen una serie de técnicas de mantenimiento que desde el punto de vista eléctrico y a
través de determinados ensayos de campo que nos permiten poder seguir el estado del
transformador como se ha indicado y para el caso de avería detectar con agilidad el problema
acaecido y ejecutar las acciones oportunas.
ENSAYOS DE CAMPO EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA.
En función de mantenimiento la importancia de la máquina y de las posibilidades de parada, lo
apropiado es organizar sobre cada transformador un ajustado programa de mantenimiento
mediante un protocolo de ensayos previamente acordado.
ENSAYOS DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICO / MAGNÉTICO.
Se trata de la realización con instrumentación portátil (transportable en turismo/camioneta de
ensayos) de una serie de medidas que permitan la obtención de los parámetros básicos del
transformador. Se estudiará su estado puntual para emitir un diagnóstico y la tendencia de los
parámetros para la ejecución de acciones programadas. Todos los ensayos de este grupo son offline (fuera de servicio).
Ensayos de circuito eléctrico/magnético:




Ensayo de vacío. Relación de transformación (TTR). Polaridad, grupo de conexión y
corriente de excitación.
Ensayo de cortocircuito (impedancia de dispersión).
Resistencia de bobinados.
Respuesta de frecuencia (FRA).
ENSAYO DE VACÍO. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN. POLARIDAD, GRUPO DE
CONEXIÓN Y CORRIENTE DE EXCITACIÓN.
Este ensayo tradicionalmente conocido como “ensayo de vacío” se basa en la inserción de una
tensión alterna en el devanado de alta tensión del transformador por cada una de sus fases
estando el lado de baja abierto. En función de los datos recogidos se obtienen estos
parámetros significativos del transformador:
Relación de transformación (TTR de “Transformer Turn Ratio”): Cociente entre la
Tensión en alta / tensión en baja. Se debe de corresponder con los valores del protocolo del
transformador / placa de características.
En el transformador de potencia con regulador se aprovechará para realizar el registro de todas las
posiciones del mismo lo cual aporta una información extra de su estado y el Cambiador de Tomas
en Carga (CTC). Esta medida informará directamente de la presencia de cortocircuitos entre
espiras.
Polaridad / grupo de conexión. Se puede corroborar el grupo de conexión con el parámetro
anterior y mediante los desfases entre tensiones alta / baja.
Corriente de excitación. Es la corriente que circula por el devanado de alta con la baja abierta. Esta
corriente debería de ser proporcional a la del ensayo de vacío de fábrica pero con la alinealidad
que supone el uso de tensiones de ensayo distintas a la nominal.
No debe existir excesiva desviación entre los valores medidos entre fases y es normal una ligera
diferencia (por geometría) entre fases extremas y central. Existirán importantes variaciones cuando
haya problemas de puntos calientes, deterioro en el paquete magnético, aflojamiento del núcleo
o desprendimiento del shunt magnético.
- ENSAYO DE CORTOCIRCUITO (IMPEDANCIA DE DISPERSIÓN).
Este ensayo tradicionalmente conocido como “ensayo de cortocircuito” se basa en la inserción de
una tensión por un devanado (el de alta) estando el otro devanado en cortocircuito. Este ensayo
simula al de fábrica pero no es del todo comparable en cuanto a resultados al no circular valores
nominales. Es habitual registrar las posiciones nominal y extremas si hubiera regulador.
Tensión de cortocircuito. Este parámetro normalmente dado en % e identificado en la placa de
características del transformador es el resultado extrapolado por linealidad de tensiones al valor
nominal y debería de aproximarse al del protocolo / placa de características del
transformador. Su variación indicará irregularidades en el circuito magnético, desplazamiento
de bobinados, cortocircuitos, deformaciones mecánicas...
- RESISTENCIA DE BOBINADOS (WINDING RESISTANCE).
Con esta prueba se persigue la determinación de la resistencia óhmica pura de los devanados de
cada fase tanto en el lado de alta como en el de baja tensión y si existe regulador para cada posición
del mismo. Lo que a primera vista puede parecer sencillo de medir, no lo es tanto, ya que es
preciso hacer circular corrientes relativamente elevadas para registrar los mínimos valores de
resistencia habituales µΩ/mΩ/Ω con la precisión requerida. Estas corrientes han de circular a la vez
a través de las inductancias equivalentes del transformador.
El carácter elevadamente inductivo de los transformadores (L asociada y núcleo magnético) implica
tiempos de magnetización y estabilización de la medida que deben ser tenidos en cuenta a la hora de
determinar el fin de la misma y proporcionar los resultados.
Esto es especialmente importante en transformadores de elevada potencia o diseños o
configuraciones especiales.
La medida definitiva debe de ser corregida en temperatura para conseguir resultados comparables
en el tiempo y se deben convertir los parámetros compuestos a simples (esto es, si se mide una
estrella y la medida se ha realizado entre fases sin neutro; extraer los valores de cada bobinado
de fase por separado). El resultado de este ensayo debe de ser comparable con el del protocolo
de fábrica y dará una indicación clara del estado de los bobinados, el regulador y el
conexionado (aflojamiento o calentamientos).
- ENSAYO DE RESPUESTA
RESPONSE ANALISYS”).
EN
FRECUENCIA
(FRA
DE
“FREQUENCY
El objetivo de este ensayo es determinar la curva de respuesta en frecuencia del conjunto
equivalente eléctrico / dieléctrico / magnético / mecánico del transformador evaluado. Hay dos
acercamientos a este ensayo:
Técnica Barrido en frecuencia. Se utiliza un generador de barrido de baja tensión
sincronizado con un medidor de nivel que para cada fase registran su curva de respuesta en
frecuencia. El resultado es una curva que correlaciona frecuencias en eje horizontal y atenuaciones
por fase en el eje vertical.
Técnica del pulso. Se inserta un pulso rápido de ~500V al transformador y se recoge el mismo tanto
en la entrada como en la salida de cada fase.
Ya en el PC, se usan técnicas de proceso digital de señal y algoritmos matemáticos que pasan del
dominio del tiempo al de la frecuencia generando el mismo resultado que con la técnica de barrido.
Ambas técnicas presentan como resultado la misma “firma” del transformador que incorpora
implícita en su interior toda la información del completo estado eléctrico / dieléctrico / /magnético /
mecánico. Este ensayo es muy útil como complemento a los habituales y puede además servir
para comprobar que el transformador no haya sufrido alteraciones debidas al transporte,
bobinados sueltos o desplazados, problemas en el núcleo magnético, etc
Diagnóstico y tendencias
Los resultados de los ensayos anteriores se convierten en los distintos parámetros registrados
del transformador y que fueron previamente programados en el protocolo de ensayos. Estos
parámetros se someterán a una evaluación de criterios para la emisión del diagnóstico.
Los criterios de diagnóstico pueden variar en función del transformador pero existen unos
valores mínimos, otros normalizados y otros que de modo empírico conforman los programas
expertos de diagnóstico que en este sentido dan una interpretación de los criterios de fallo.
Estos programas dan una orientación del estado de la máquina, pero debe ser el experto de
mantenimiento quien con todos los datos de la misma indique el diagnóstico final y ejerza las
acciones oportunas: reparar, continuar la operación, programar nuevos ensayos, recomendar
limitación de servicio...
Otro alcance vendrá determinado por el histórico/tendencias del transformador. La evolución de
los parámetros del mismo puede ayudar en la detección de la velocidad de degradación de la
máquina y en las exigencias de mantenimiento de la misma.
ENSAYOS DE CAMPO DEL SISTEMA DIELÉCTRICO.
Uno de los elementos clave en la operación del transformador de potencia y el que va a determinar
su vida útil remanente es su dieléctrico. El dieléctrico se divide en: dieléctrico líquido (usualmente
aceite) sobre el que tendremos cierto grado de manipulación a través de posibles tratamientos y
dieléctrico sólido (papel) sobre el que nuestras acciones son limitadas exclusivamente a la
comprobación externa e indirecta de su estado. En función de la política de mantenimiento de la
empresa propietaria, de la importancia de la máquina y del riesgo tolerable de avería, lo apropiado
en su caso es realizar sobre ella ensayos según un apropiado programa y protocolo previamente
acordados. Los programas de mantenimiento darán como resultado un mayor conocimiento
del estado y disponibilidad de los transformadores. A largo plazo esto se traducirá en un
concepto muy importante: “Extensión de la vida de los transformadores de Potencia”.
ENSAYOS ELÉCTRICOS DEL CIRCUITO DIELÉCTRICO.
Existe un conjunto de ensayos que mediante instrumentación electrónica de medida nos
puede proporcionar una evaluación en campo del estado puntual del dieléctrico del
transformador de potencia. Se van a describir los ensayos más habituales. De nuevo serán
todos off-line (transformador fuera de servicio) salvo las excepciones indicadas.
- RESISTENCIA DE AISLAMIENTO (IR, INSULATION RESISTANCE).
Este ensayo ha sido el más corriente históricamente siendo llamado en la terminología de los
operarios “meggar” al transformador (el término viene de la marca de los primeros equipos
Megger).
En este ensayo se utiliza un equipo de medida capaz de generar altas tensiones en continua
typ.5000V que aplicadas entre extremos del dieléctrico del transformador de potencia (un extremo a
los bornes unidos de alta y el otro a la baja y al chasis) permite evaluar el estado puntual del
dieléctrico en su interior. El equipo dispone de una fuente de alta tensión continua operando con
baterías o desde la red de alimentación. La filosofía de medida se basa en el registro de la
corriente / tensión de forma continua que evoluciona como respuesta a un escalón de tensión.
La curva obtenida (figura 20) responde al espectro equivalente de todas las Ra/Ca asociadas
al circuito de la figura 18. El aspecto de la curva y la posición del máximo son indicativos de la
calidad definitiva del dieléctrico papel / aceite. Mayor humedad = mayor desviación del máximo
hacia la izquierda en el eje de tiempos.
Capacidad / Tangente de delta y pérdidas en el dieléctrico /bornes (DDF & Capacitance,
Dissipation Factor & Capacitance / Bushings).
Otro acercamiento habitual a la hora de realizar la evaluación del dieléctrico es el de tangente de
delta. En este ensayo se utiliza una tensión alterna y se busca conocer el ángulo de pérdidas del
elemento bajo ensayo. Este equipo de ensayo suele ser mas voluminoso ya que para poder
generar corriente suficiente en elevadas tensiones alternas es precisa una voluminosa fuente de
alimentación. Esta técnica de medida es de nuevo off-line aunque existen equipos de medida
desarrollados que permiten acercamientos on-line. Esta medida incorpora información del
grado de humedad y contaminación y emula (mayor tensión) el comportamiento y las agresiones
de tensión próximas a las de servicio. Es importante anotar la temperatura del transformador y la
humedad ambiental (fugas superficiales).
- ENSAYOS DE DESCARGAS PARCIALES (PD, PARTIAL DISCHARGE TEST).
Las descargas parciales son pequeñas descargas que aparecen en el interior de los
dieléctricos como manifestación de la degeneración de los mismos. Aparecen como efecto del
incremento del campo eléctrico en pequeños vacíos gaseosos en el interior del aceite aunque
también se pueden dar en el papel o epoxy o como resultado de la presencia de contaminaciones
metálicas, etc. Estas descargas aceleran los efectos de degradación térmica y aunque para el caso
del aceite son auto-regenerables, conducen en algunos casos exponencialmente a la destrucción
del transformador de potencia. Hay dos sistemas usuales de detección, acústicos y eléctricos.
El sistema acústico busca registrar la manifestación mecánica sonora (en el rango
ultrasónico) de las descargas posibilitando incluso con algún sistema determinar su localización.
El sistema eléctrico permitiría determinar las descargas y correlacionarlas con otros parámetros.
Este ensayo puede realizarse on-line u offline si se usa fuente aparte para energizar la máquina
(posibilidad complicada en campo). En este ensayo de nuevo es importante aportar al informe la
temperatura de la máquina y condiciones de entorno.
ENSAYOS FISICO-QUÍMICOS.
Otro bloque importante de ensayos son aquellos en los que en campo sólo se extrae adecuadamente
(ver normas) una muestra de aceite on/off line a partir de la cual luego vamos a deducir ciertas
características de operación del transformador.
- RIGIDEZ DIELÉCTRICA (BREAKDOWN VOLTAJE).
La degradación del aceite se puede apreciar con sencillez con el registro de este parámetro.
El ensayo se basa en la inserción entre electrodos sumergidos en aceite de una tensión creciente
hasta que se produce la descarga. Se repite el ensayo seis veces para conseguir una media repetible.
La única desventaja es que se precisa extraer del transformador una muestra significativa (la célula
de ensayo contendrá 350...600ml). El informe contendrá la temperatura de la muestra.
- HUMEDAD (WATER CONTENT).
Hasta últimamente, la evaluación de la humedad disuelta en aceite era un proceso de laboratorio
relativamente complejo. Hoy día, la firma Megger ha puesto en el mercado un equipo portátil que
unido a unos reactivos de sencilla localización y unos mínimos cuidados de ensayo permite realizar
el registro en campo / fábrica / taller de una forma cómoda y sencilla. El sistema implementado es
el Karl-Fischer, el habitual normalizado de laboratorio pero ofrecido de modo portátil. Presenta
una buena repetibilidad y precisión. Sólo requiere una pequeña muestra de aceite (1ml) y el
sistema ejecuta el control completo del proceso químico eliminando la humedad disuelta e
indicando su cantidad en ppm, %...
Otros parámetros del aceite.
Otros ensayos habituales de laboratorio y que reportan información complementaria del estado
del aceite / transformador son:
Tangente de delta en líquidos, tensión interfacial, acidez orgánica, contenido de inhibidor
de oxidación, color, aspecto, punto de inflamación y escurrimiento, lodos, densidad,
viscosidad, contaminantes sólidos, residuo carbonoso, cenizas, contenido en PCB...
- CROMATOGRAFÍA DE GASES (DGA & RATIO ANÁLISIS).
El análisis de gases disueltos en aceite se inició alrededor de 1956 en investigaciones de los gases
procedentes del disparo de los relés Buchholz protectores del transformador. Ciertas
investigaciones sobre los gases allí generados han creado normativas concretas que permiten
realizar interpretaciones de los posibles problemas existentes en el interior del transformador.
Son parámetros básicos tanto las cantidades de ciertos tipos de gases generados como las
proporciones relativas entre distintos gases y la velocidad de aparición / variación de los
gases en las muestras recogidas. Se puede por tanto extraer información indirecta de la
existencia de Descargas Parciales, puntos calientes, arco, combustiones, envejecimiento,
sobrecalentamiento, detectándose fallos incipientes que podrían determinar la avería del
transformador.
- CROMATOGRAFÍA DE FURANOS (FURAN ANÁLISIS).
En este ensayo de laboratorio se busca determinar la cantidad de cierto componente (furaldehidos)
en una muestra de aceite aislante. La teoría es que este tipo de derivados furánicos nunca
está presente en el aceite de modo natural y solo existirá como subproducto de degeneración del
papel anexo en el transformador.
Como complemento, indicar que existen tratamientos para reducir el grado de humedad y
purificar el aceite eliminando productos de degradación y retirando partículas metálicas, etc.
Pero el acceso al papel del transformador está limitado a su interface con el aceite, por lo que la
vida del transformador es la vida del papel.
BIBLIOGRAFÍA.

El Prisma. Biblioteca Virtual. Ingeniería Mecánica. Extraído el 8 de Enero de 2010 de
http://www.elprisma.com/apuntes/apuntes.asp?page=50&categoria=603

Universidad Tecnológica de Puebla. Transformadores y motores de inducción. Electricidad y
Electrónica Industrial. 2004.

Universidad Nacional de la Plata. Argentina. Extraído el 8 de Enero de 2100 de
http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/Libros%202007/libros/cme/vol-01/2capit1/cm-01a.htm

Colegio Salesiano “San Bartolomé” – MÁLAGA. Departamento de Electricidad y Electrónica.
Transformadores.