Clase_1_trafos

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Máquinas Eléctricas I
Docente: Álvaro Jaramillo Duque
Oficina: 19-445
Correo: alvaro.jaramillod@udea.edu.co
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Atención a estudiantes
Horario y lugar:
Martes y Jueves de 10-12 am 
Oficina: 19-445
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Contenido resumido
Unidad 1: 
● Generalidades, principio de funcionamiento del transformador 
y pruebas.
Unidad 2: 
● Grupos horarios y solución de transformadores 
Unidad 3: 
● Transformadores en paralelo, auto-transformador, 
transformador tri-devanado.
Unidad 4: 
● Máquinas de corriente continua.
● Visitas a fabrica de transformadores.
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Evaluación propuesta
Actividad Porcentaje Temas
Examen 15 Unidad 1 
Quiz 10 Unidad 2
Examen 20 Unidad 2
Examen 20 Unidad 3
Examen 20 Unidad 4
Expo. Artículo 15
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Bibliografía
Libros:
● Máquinas eléctricas y transformadores de Irvin 
Kosow
● Maquinas eléctricas de Chapman.
● Cualquier libro de transformadores o 
maquinas eléctricas
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Bibliografía - Normas
Uso de normas nacionales e internacionales 
como referencia bibliográfica principal:
● ICONTEC
● IEEE – ANSI
● IEC
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Introducción
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Introducción
● Un transformador es un dispositivo 
electromagnético, cuya función principal es la 
de aumentar o disminuir la magnitud de la 
tensión en un circuito de corriente alterna. 
● La conversión se realiza casi sin pérdidas
PotenicaEntrada≈PotenicaSalida
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Introducción
● Consiste normalmente en dos o más bobinas 
de alambre envueltas alrededor de un núcleo 
ferromagnético.
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¿Por qué son importantes los trafos?
● Primer sistema de distribución en EEUU fue de 
CC a 120V, y diseñado por Thomas A. Edison 
para iluminación con bombillas incandescentes 
(Nueva York, 1882)
● Transmisión a baja tensión > corrientes altas
● Corrientes altas > caídas de tensión y perdidas en 
las líneas.
● Limitación en la cobertura > centrales pequeñas y 
locales
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¿Por qué son importantes los trafos?
● Un transformador cambia idealmente de un 
nivel de tensión a otro sin afectar la potencia 
suministrada.
● Se eleva la tensión > disminuye la intensidad
● Si se reducen las corrientes en un factor de 10, 
las perdidas se reducen en un factor de 100
PLosses=I
2R
PotenicaEntrada≈PotenicaSalida
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¿Por qué son importantes los trafos?
Sistema de suministro eléctrico actual
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¿Por qué son importantes los trafos?
● En un sistema eléctrico moderno, la potencia 
eléctrica es generada a tensiones de 3 a 36 kV. 
● Luego los transformadores elevan la tensión a 
110 kV y superiores, para transmitir la 
potencia a largas distancias con pocas 
perdidas.
● Luego se bajan las tensiones a niveles de 33, 
13.2 y 7.6 kV para la distribución y finalmente 
a 220 y 110 V para el uso final. 
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Resolución CREG 097 de 2008 
● Niveles de Tensión. Los sistemas de Transmisión 
Regional y/o Distribución Local se clasifican por 
niveles, en función de la tensión nominal de 
operación, según la siguiente definición:
● Nivel 4: Sistemas con tensión nominal mayor o igual 
a 57,5 kV y menor a 220 kV.
● Nivel 3: Sistemas con tensión nominal mayor o igual 
a 30 kV y menor de 57,5 kV.
● Nivel 2: Sistemas con tensión nominal mayor o igual 
a 1 kV y menor de 30 kV.
● Nivel 1: Sistemas con tensión nominal menor a 1 kV.
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Resolución CREG 097 de 2008 
● Sistema de Transmisión Nacional (STN). Es el sistema interconectado 
de transmisión de energía eléctrica compuesto por el conjunto de 
líneas, equipos de compensación y subestaciones que operan a 
tensiones iguales o superiores a 220 kV, los transformadores con este 
nivel de tensión en el lado de baja y los correspondientes módulos de 
conexión.
● Sistema de Transmisión Regional (STR). Sistema de transporte de 
energía eléctrica compuesto por los Activos de Conexión del OR al STN 
y el conjunto de líneas, equipos y subestaciones, con sus equipos 
asociados, que operan en el Nivel de Tensión 4. Los STR pueden estar 
conformados por los activos de uno o más Operadores de Red.
● Sistema de Distribución Local (SDL). Sistema de transporte de 
energía eléctrica compuesto por el conjunto de líneas y subestaciones, 
con sus equipos asociados, que operan a los Niveles de Tensión 3, 2 y 1 
dedicados a la prestación del servicio en un Mercado de 
Comercialización. 
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 IEEE 14 Barras - Convenciones
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Funcionamiento
● Un transformador tiene al menos dos bobinas.
● La bobina a la cual se conecta la fuente se le 
llama primario. La bobina a la cual se conecta 
la carga se le conoce como secundario.
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Funcionamiento
● Si V2 > V1, el transformador se denomina como 
elevador. Para mantener la relación de potencia:
P2 » P1 V2 I2 » V1 I1  I2 < I1
● Si V2 < V1, el transformador se denomina 
reductor y para mantener la relación de 
potencia I2 > I1.
● Si V2 » V1, el transformador es llamado de 
aislamiento y para mantener la relación de 
potencia I2 » I1.
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Funcionamiento
Los transformadores se utilizan para:
● Cambiar los niveles de tensión y corriente 
entre el circuito primario y secundario.
● Aislar eléctricamente un circuito de otro.
● Adaptar impedancias entre la salida de un 
circuito y la entrada de otro.
● Para medida de variables eléctricas (Tensiones, 
intensidades e impedancias). 
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Características constructivas
● Los transformadores se fabrican en un amplio 
rango de potencias dependiendo de la 
aplicación (desde algunos VA hasta potencias 
del orden de los 100 o más MVA).
● Las partes principales que caracterizan los 
transformadores son el núcleo ferromagnético 
y los devanados, además, dependiendo del 
nivel de potencia, se agregan accesorios.
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Características constructivas
Núcleo:
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Características constructivas
Núcleo
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Características constructivas
Núcleo:
● Está formado por un paquete de chapas o 
láminas de acero al silicio, de espesores de 0,3 
a 0,7 mm por lámina.
● El silicio incrementa la resistividad del material 
y reduce las corrientes parásitas.
● Se emplean núcleos laminados (en que las 
láminas están aisladas eléctricamente entre sí 
con barniz) para reducir las perdidas por 
corrientes de Foucault.
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Características constructivas
Núcleo (Transformadores monofásicos)
● Para transformadores monofásicos se 
emplean básicamente dos tipos de núcleos, 
denominados de columna (tipo ventana) y tipo 
acorazado.
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Características constructivas
Núcleo (Transformadores monofásicos)
● En el tipo acorazado las espiras quedan más 
sujetas.
● El tipo columna es de construcción más 
sencilla, porque la superficie que se ha de 
aislar es más pequeña. 
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Características constructivas
Núcleo (Transformadores monofásicos)
Aplicaciones:
● En distribución de energía eléctrica, para 
reducir de 7,6 kV a 220/110 V
● De pequeñas potencias en soportes de 
líneas eléctricas rurales.
● Para construir bancos trifásicos.
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Características constructivas
Núcleo (Transformadores trifásicos)
Tipo ventana:
● Es el más usado. Se lo encuentra 
desde pequeñas potencias (10 kVA) 
hasta muy grandes (150 MVA).
● Elevadores de tensión en las 
centrales.
● Reductores en las subestaciones.
● De distribución en ciudades, 
barrios, fábricas.
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Características constructivas
Núcleo (Transformadores 
trifásicos)
Tipo cinco columnas:
● Tienen mejor relación de 
volumen potencia respecto 
a otros diseños y son 
utilizados cuando hay 
restricciones de tamaño, 
transporte y ubicación.
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Características constructivas
Núcleo (Transformadores 
trifásicos)
Tipo acorazado:
● Presenta gran robustez 
mecánica que lo hace soportar 
esfuerzos de cortocircuitos 
frecuentes.
● Se usan para hornos eléctricos, 
suministran corrientes de hasta 
60kA.
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Características constructivas
Nucleo
● El núcleo puede tener sección cuadrada. Pero 
es más frecuente aproximarlo a la circular 
(cruciforme).
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Características constructivas
Devanados
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Características constructivas
Devanados
● Constituyen el circuito eléctrico.
● Se realizan con conductoresde cobre o 
aluminio en forma de hilos redondos o de 
sección rectangular.
● Los conductores están recubiertos por una 
capa aislante (barniz y/o cinta).
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Características constructivas
Devanados
Concéntricos:
● Los devanados tienen forma de 
cilindros coaxiales.
● Generalmente se coloca el 
devanado de baja tensión más 
cerca de la columna (más fácil de 
aislar).
● Entre los devanados se intercala 
un cilindro aislante de cartón o 
papel.
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Características constructivas
Devanados
Alternados:
● Los devanados se 
subdividen en secciones o 
galletas que se colocan 
alternadamente.
● Con esta configuración se 
buscan disminuir los flujos 
de dispersión entre los 
devanados.
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Características constructivas
Refrigeración
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Características constructivas
Refrigeración
● Como en toda máquina eléctrica, es necesario un 
sistema de refrigeración adecuado para evitar 
altas temperaturas en su interior.
● En los transformadores por lo general se utiliza 
aceite como medio refrigerante.
● El aceite no sólo es refrigerante sino que también 
es aislante (capacidad térmica y rigidez 
dieléctrica superior a la del aire) además de 
proteger el aislamiento de los elementos 
atmosféricos.
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Características constructivas
Refrigeración
● El núcleo y los devanados se introducen en una 
cuba.
● La cuba puede ser plana, ondulada, con tubos 
o con radiadores adosados.
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Características constructivas
Refrigeración
Tipos de aceites: Aceite mineral
● Es un producto de la destilación del petróleo.
● Con el tiempo se envejece y pierde propiedades.
● Inconvenientes:
● Es inflamable
● Sus vapores, forman con el aire mezclas explosivas.
● Su uso es prohibido en ciertas ubicaciones y 
ambientes.
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Características constructivas
Refrigeración
Tipos de aceites (Aceite mineral):
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Características constructivas
Refrigeración
Tipos de aceites: Askarel
● Líquido aislante sintético.
● No es inflamable ni explosivo.
● Por problemas de eliminación y reducción 
(impacto ecológico) se prohibieron en los 80s.
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Características constructivas
Refrigeración
Tipos de aceites: Aceites de siliconas
● Nuevo avance tecnológico.
● Reducido impacto ambiental.
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Características constructivas
Refrigeración
Tipos de aceites: Aceite vegetal
● Mucho menos inflamable que el aceite 
mineral.
● Totalmente biodegradable.
● Mayor rigidez dieléctrica.
● Alarga la vida útil del transformador.
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Características constructivas
Refrigeración
Aceites con PCB
● El bifenilo ploriclorado (PCB) es un compuesto químico 
formado por cloro, carbón e hidrógeno
● La producción comercial comenzó en los EEUU en 1929 
para los transformadores y condensadores industriales
● En 1976, luego de un accidente, fue prohibido en 
Estados Unidos y Europa. 
● Efectos: Daños en la piel (similar al acné adolescente), 
hígado y es agente cancerígeno.
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Características constructivas
Refrigeración
Aceites con PCB
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Características constructivas
Refrigeración
Transformadores secos
● Los devanados están totalmente encapsulados 
en una masa de resina epoxi.
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Características constructivas
Refrigeración
Transformadores secos
● Devanados 
expuestos 
● Refrigeración natural 
o forzada 
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Características constructivas
Refrigeración
Transformadores secos:
● Idóneo para instalaciones que requieren gran 
seguridad (interiores) como hospitales, centros 
comerciales, minas, etc.
● No propagan el fuego, son autoextinguibles, no se 
derrama material inflamable.
● No tienen foso colector de aceites ni equipos 
contra incendios.
● Más seguro y fiable.
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Características constructivas
Refrigeración
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Características constructivas
Accesorios
1 Núcleo
2 Devanados
3 Cuba
4 Aletas refrigeración
5 Aceite
6 Depósito expansión
7 Aisladores (BT y AT)
8 Junta
9 Conexiones
10 Nivel aceite
11 - 12 Termómetro
13 - 14 Grifo de vaciado
15 Cambio tensión
16 Relé Buchholz
17 Cáncamos transporte
18 Desecador aire
19 Tapón llenado
20 Puesta a tierra
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Características constructivas
Accesorios
● Las partes esenciales de un transformador son 
el núcleo y los devanados.
● Sin embargo, existen una gran cantidad de 
accesorios cuyas características dependen 
principalmente de la potencia y de los niveles 
de tensión del transformador (elementos de 
sujeción del núcleo, terminales, protecciones, 
sensores, etc.).
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Características constructivas
Accesorios
Tanque de expansión:
● Es un tanque adicional colocado sobre el 
principal, cuya función es absorber la 
expansión del aceite debido a los cambios de 
temperatura por los incrementos de carga.
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Características constructivas
Accesorios
Boquillas o bornes:
● Son aisladores de porcelana, terminales de las 
bobinas de alta y baja tensión que se utilizan 
para atravesar el tanque o la tapa del 
transformador.
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Características constructivas
Accesorios
Boquillas o bornes:
● Se distinguen por su altura.
● Entre más altos, mayor es nivel de aislamiento.
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Características constructivas
Accesorios
Válvulas:
● Conjunto de dispositivos que se utilizan para el 
llenado, mantenimiento, vaciado y muestreo 
del aceite del transformador. Esto último con 
el fin de conocer la rigidez dieléctrica del 
mismo, también es analizado para determinar 
el estado del aislamiento de los devanados.
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Características constructivas
Accesorios
Tablero:
● Es un gabinete dentro del cual se encuentran 
los controles y protecciones de los motores de 
las bombas de aceite, de los ventiladores, del 
cambiador de derivaciones bajo carga, etc.
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Características constructivas
Accesorios
Conectores a tierra:
● Son unas piezas de cobre soldadas al tanque, 
donde se conecta el transformador a la puesta 
a tierra.
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Características constructivas
Accesorios
Relé Buchholz o de sobrepresión:
● A partir de la presión de la cuba, protege al 
transformador de sobrecargas peligrosas y 
fallas de aislamiento.
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Características constructivas
Accesorios
Cambiadores de derivaciones o TAP’s :
● Ajustan o regulan la tensión de suministro.
● Los cambiadores de derivaciones modifican la 
relación de transformación (número de 
espiras).
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Características constructivas
Accesorios
Placa de características:
● Placa donde se incluyen los principales datos 
del transformador.
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Transformadores
Exposición
Algunos aspectos a 
estudiar de los 
transformadores 
eléctricos
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Exposición - Temas
● Construcción de transformadores
● Operación y mantenimiento
● Diseño de transformadores
● Obtención de parametros
● Modelos fisico-matematicos 
● Simulación
● Nuevos materiales
● Protecciones
● Calidad de la potencia 
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Donde buscar artículos
● http://ieeexplore.ieee.org/
● http://www.sciencedirect.com/sci
ence/journals/all 
● http://www.theiet.org/resources/
journals/
● https://scholar.google.com/
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