TRANSFORMADORES

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento

del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa

fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un

circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo

permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

Transformador

El transformador es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir

la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia.

La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es,

sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales

presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño,

tamaño, etc.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un

cierto nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la

acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de

material conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general enrolladas

alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre

las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción

electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas

devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o

devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la

entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen

transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado

"terciario", de menor tensión que el secundario.

Funcionamiento

Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las

variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo

magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo

magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una

fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.

Representación Esquemática de un Transformador

Relación de Transformación

La relación de transformación indica el aumento ó decremento que sufre el valor

de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por

cada voltio de entrada cuántos voltios hay en la salida del transformador.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado

primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es

directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y

secundario (Ns) .

La razón de la transformación (m) del voltaje entre el bobinado primario y el

bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si

el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario

habrá el triple de tensión.

Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la

tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el

devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado

secundario ó corriente de salida.

Esta particularidad se utiliza en la red de energía eléctrica para efectuar el

transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, disminuyendo las pérdidas

por el efecto Joule y minimizando el costo de los conductores.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el

del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se

obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo

es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del

primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador

o relación de transformación.

Como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador

ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza

electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el

caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la

del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Tipos de Transformadores

1.- Según sus aplicaciones

a.- Transformador elevador/reductor de voltaje

Son empleados por empresas transportadoras de energía eléctrica en

las subestaciones de la red de transporte, con el fin de disminuir las pérdidas

por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar

la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir

nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización.

b.- Transformadores elevadores

Este tipo de transformadores permiten, como su nombre lo dice elevar la tensión

de salida con respecto a la tensión de entrada. Esto quiere decir que la relación de

transformación de estos transformadores es menor a uno.

c.- Transformadores variables

También llamados "Variacs", toman una línea de voltaje fijo (en la entrada) y

proveen de voltaje de salida variable ajustable, dentro de dos valores.

d.- Transformador de aislamiento

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera

que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se

utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan

directamente con la tensión de red. También para acoplar señales procedentes de

sensores lejanos, en resistencias inesianas, en equipos de electromedicina y allí

donde se necesitan tensiones flotantes entre sí.

e.- Transformador de alimentación

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones

necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que

corta su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura

excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos y gases que

conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de

modo que hay que sustituir todo el transformador.

f.- Transformador trifásico

Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar

forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta (Δ) y las combinaciones

entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones

1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían.

g.- Transformador de pulsos

Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida

(baja autoinducción) destinado a funcionar en régimen de pulsos y además de

muy versátil utilidad en cuanto al control de tensión 220 V.

h.- Transformador de línea o Flyback

Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores

con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas

de deflexión horizontal. Suelen ser pequeños y económicos. Además suele

proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Además de poseer

una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la

característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus

diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios.

Transformador Flayback Moderno

i.- Transformador diferencial de variación lineal

El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés)

es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos

lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo

alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son

los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto

cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo.

Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y

para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y

científicos.

Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT)

j.- Transformador con diodo dividido

Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para

proporcionar la tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo

dividido porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el

bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar

una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va

directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicador.

k.- Transformador de impedancia

Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de

transmisión (tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en

los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la

baja de los altavoces.

Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np,

como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -

Es/n²Is = Z/n². Así se consigue transformar una impedancia de valor Z en otra

de Z/n². Colocando el transformador al revés, lo que se hace es elevar la

impedancia en un factor n².

l.- Estabilizador de tensión

Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la

tensión en el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de

tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los

equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en

desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su

volumen, peso, precio y baja eficiencia energética.

m.- Transformador híbrido o bobina híbrida

Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en

los teléfonos, tarjetas de red, etc.

n.- Balun

Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no

equilibradas y viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma

intermedia del secundario del transformador.

o.- Transformador electrónico

Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente

eléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir

drásticamente su tamaño. También pueden formar parte de circuitos más

complejos que mantienen la tensión de salida en un valor prefijado sin importar la

variación en la entrada, llamados fuente conmutada.

p.- Transformador de frecuencia variable

Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de

audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en

circuitos electrónicos para comunicaciones, medidas y control.

q.- Transformadores de medida

Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los

transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés

protectores en circuitos de alta tensión o de elevada corriente. Los

transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés, permitiendo

una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés.

2.- Según su construcción

a.- Autotransformador

El primario y el secundario del transformador están conectados en serie,

constituyendo un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un

transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220 V a 125 V y

viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no

proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario.

b.- Transformador con núcleo toroidal

El bobinado consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de

ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos,

pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión

muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

Transformador con Núcleo Toroidal

c.- Transformador de grano orientado

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada

sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro

dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La

chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en

transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.

Transformador de Grano Orientado

d.- Transformador de núcleo de aire

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin

núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el

carrete, para ajustar su inductancia.

e.- Transformador de núcleo envolvente

Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una

concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión.

f.- Transformador piezoeléctrico

Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no

están basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y

el secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un

cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a

frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar

los fluorescentes del backlight de ordenadores portátiles.

Transformadores de Medida

Son transformadores que transmiten una señal de información a instrumentos de

medición, medidores y dispositivos de protección o control. El término

“transformador de medida” incluye tanto a los transformadores de intensidad

como a los transformadores de tensión. Está destinado a alimentar instrumentos

de medida (indicadores, registradores, integradores) relés o aparatos análogos.

Los aparatos de medida y los relés de protección, utilizados en las instalaciones

eléctricas, no se construyen para soportar altas tensiones ni elevadas corrientes.

Además, estos aparatos deben estar aislados de las altas tensiones para prevenir

accidentes fatales en el personal de servicio. Por estas razones los aparatos de

medición y de protección se conectan a las instalaciones a través de los

transformadores de medida.

Tanto las mediciones como las condiciones que provocan el accionamiento de los

dispositivos de protección están referidas a la apreciación de corrientes y, de

tensiones, por lo que los transformadores de medida se dividen en dos tipos o

clases:

a) Transformadores de intensidad o corriente

b) Transformadores de tensión ó voltaje.

Transformador de Intensidad

El transformador de intensidad o corriente está constituido por un primario cuyo

devanado tiene un número de espiras muy reducido y se conecta en serie con la

línea; y un secundario cuyo devanado está constituido por numerosas espiras y

que se conecta al correspondiente circuito de uso ó carga.

Sus funciones principales son:

a.- Medir altas intensidades de corriente con instrumentos de bajo alcance

b.- Separar eléctricamente el circuito a medir, de los instrumentos de medición

A

B

Z

TI

N2

N1

La corriente de carga depende del consumo primario y no del secundario; a su

vez, la corriente secundaria es prácticamente independiente de los aparatos que

constituyen la carga secundaria y está en relación constante inversa del número

de espiras, con la corriente que circula por el devanado primario, a la cual tiende a

neutralizar magnéticamente. Si se altera la impedancia del circuito secundario,

varía la tensión entre las bordes de salida del transformador y proporcionalmente

(en relación con el número de espiras), también la caída de tensión entre los

bordes del primario.

Por lo tanto, la relación fundamental de un transformador de intensidad es:

MN

N

I

I

2

1

1

2 Const. Z

TI

N2

N1

I2

I1

Es decir, N1I1 = N2I2

Para lo cual, como se observa en el siguiente diagrama vectorial, la corriente de

vacío I0 tendría que ser nula. Por otra parte, la corriente de vacío depende de la

fuerza electromotriz inducida en los devanados, es decir, de la impedancia del

circuito secundario, cuando se anula esta impedancia (secundario cortocircuitado).

Se anula también la corriente de vacío. Esta condición ideal no se cumple nunca

en la práctica debido, por una parte, a que la impedancia secundaria nunca puede

anularse totalmente, y por otra parte, a que el circuito magnético siempre existen

pérdidas, a pesar de la construcción sin entrehierros ni uniones y a que el material

magnético trabaja a muy bajas inducciones.

Diagrama vectorial del transformador de intensidad.

Ángulo de pérdida i

De esta forma la fuerza magnetomotriz de excitación solo alcanza valores de 1 a

2% de la fuerza magnetomotriz total del primario o secundario.

En un transformador de intensidad, a diferencia de los demás tipos de

transformadores, el secundario ha de estar permanente cortocircuitado. Si se

interrumpe el circuito secundario es como si se suprimiera la fuerza magnetomotriz

secundaria N2I2; en este caso, la fuerza magnetomotriz de excitación se hace igual

a N1I1 ya que la corriente primaria no varía ya que depende de la carga primaria.

Por lo tanto, la fuerza magnetomotriz de excitación crece considerablemente, con

lo que se eleva también peligrosamente la fuerza electromotriz inducida en el

secundario y por consiguiente la tensión entre los bornes de este mismo

secundario. El aumento de inducción provoca un calentamiento inadmisible en el

material que constituye el circuito magnético y el aumento de la tensión entre los

bornes del secundario puede provocar la perforación de los aislamientos y

constituye un grave peligro para el personal de servicio.

I0

I0

I1

I2

- I2

i

Las características de funcionamiento del transformador de intensidad son las

siguientes:

1) Corrientes Nominales. Las corrientes nominales primarias están

normalizadas entre 5 amp y 600 amps. La corriente nominal secundaria

puede ser 5 amp (más usual) ó 1 amp.

2) Capacidad de Sobrecarga. Los TI destinados a los sistemas eléctricos

que pueden estar sometidos a eventuales cortocircuitos, han de poder

soportar los efectos debido a excesivas temperaturas y a los esfuerzos

electrodinámicos por sobre intensidades y sobre tensiones de la red.

3) Precisión. En un transformador de intensidad, la precisión está

caracterizada por dos factores: a) por el error de relación de

transformación E1 expresado en tanto por ciento:

11001

21

I

IME

Donde

M – Relación de transformación.

4) Potencia Nominal. Llamada también potencia de precisión (VA) es la

potencia aparente con que se puede cargar un transformador de

intensidad sin que la precisión sobrepase su valor límite. En el

transformador de intensidad la carga efectiva está constituida por el

consumo de las bobinas amperimétricas de los aparatos conectados

(amperímetros, contadores, etc.) y del consumo de los conductores que

unen estos aparatos con los transformadores de intensidad.

Conexiones Individuales (Sistema Trifásico)

Z ZZ

A A A

Definiciones

a) Relación (Ratio). Es la relación de la corriente nominal de servicio del

transformador y su corriente nominal en el secundario, el estándar más usado

es de 5 Amps. en el secundario.

b) Precisión (Accuracy). Es la relación en porciento, de la corrección que se

haría para obtener una lectura verdadera. El ANSI C57.13-1968 designa la

precisión para protecciones con dos letras C y T. "C" significa que el porciento

de error puede ser calculado, y esto se debe a que los devanados están

uniformemente distribuidos, reduciendo el error producido por la dispersión del

flujo en el núcleo.

"T" significa que debe ser determinado por medio de pruebas, ya que los

devanados no están distribuidos uniformemente en el núcleo produciendo

errores apreciables.

El número de clasificación indica el voltaje que se tendría en las terminales del

secundario del TC para un burden definido, cuando la corriente del secundario

sea 20 veces la corriente nominal, sin exceder 10% el error de relación.

c) Burden o Potencia Nominal de un Transformador de Corriente. Es la

capacidad de carga que se puede conectar a un transformador, expresada en

VA o en Ohms a un factor de potencia dado. El término "Burden" se utiliza para

diferenciarlo de la carga de potencia del sistema eléctrico. El factor de potencia

referenciado es el del burden y no el de la carga.

d) Polaridad. Las marcas de polaridad designan la dirección relativa instantánea

de la corriente. En el mismo instante de tiempo que la corriente entra a la

terminal de alta tensión con la marca, la corriente secundaria correspondiente

está saliendo por la terminal marcada.

e) Capacidad de Corriente Continua. Es la capacidad de corriente que el TC

puede manejar constantemente sin producir sobrecalentamiento y errores

apreciables. Si la corriente del secundario de un transformador de corriente esta

entre 3 y 4 Amps., cuando la corriente del primario esta a plena carga, se dice

que el transformador esta bien seleccionado. No se recomienda sobre

dimensionar los TC's porque el error es mayor para cargas bajas.

f) Capacidad de Corriente Térmica de Corto Tiempo. Esta es la máxima

capacidad de corriente simétrica RMS que el transformador puede soportar por

1 seg., con el secundario en corto, sin sobrepasar la temperatura especificada

en sus devanados. En la práctica esta se calcula como:

I Térmica (KA) = Potencia de Corto Circuito (MVA)/ (1.73* Tensión

(KV)).

Como la potencia de precisión varía sensiblemente con el cuadrado del número

de Ampere-Vueltas del primario, para un circuito magnético dado, la precisión

de los TC's hechos para resistir grandes valores de corrientes de corto circuito,

disminuye considerablemente

g) Capacidad Mecánica de Tiempo Corto. Esta es la máxima corriente RMS

asimétrica en el primario que el TC puede soportar sin sufrir daños, con el

secundario en corto. Esta capacidad solo se requiere definir en los TC tipo

devanado. En la práctica esta corriente se calcula como:

I Dinámica (KA) = 2.54 * I Térmica

Bases Generales para el Diseño y Selección de los Transformadores de

Corriente

La función de los transformadores de corriente es la reducir a valores normales y

no peligrosos, las características de corriente en un sistema eléctrico, con el fin de

permitir el empleo de aparatos de medición normalizados, por consiguiente más

económicos y que pueden manipularse sin peligro.

Un transformador de corriente es un transformador de medición, donde la corriente

secundaria es, dentro de las condiciones normales de operación, prácticamente

proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un ángulo cercano a cero,

para un sentido apropiado de conexiones.

El primario de dicho transformador está conectado en serie con el circuito que se

desea controlar, en tanto que el secundario está conectado a los circuitos de

corriente de uno o varios aparatos de medición, relevadores o aparatos análogos,

conectados en serie.

Un transformador de corriente puede tener uno o varios devanados secundarios

embobinados sobre uno o varios circuitos magnéticos separados.

Los factores que determinan la selección de los transformadores de corriente son:

1. El tipo de Transformador de Corriente.

2. El tipo de instalación.

3. El tipo de aislamiento.

4. La potencia nominal.

5. La clase de precisión.

6. El tipo de conexión.

7. La Corriente Nominal Primaria.

8. La Corriente Nominal Secundaria.

Tipo de Transformador de Corriente

Existen tres tipos de TC según su construcción:

a) Tipo devanado primario. Este como su nombre lo indica tiene más de una vuelta

en el primario. Los devanados primarios y secundarios están completamente

aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. Esta

construcción permite mayor precisión para bajas relaciones.

b) Tipo Barra. Los devanados primarios y secundarios están completamente

aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. El devanado

primario, consiste en un conductor tipo barra que pasa por la ventana de un

núcleo.

c) Tipo Boquilla (Ventana o Bushing). El devanado secundario está

completamente aislado y ensamblado permanentemente a un núcleo laminado.

El conductor primario pasa a través del núcleo y actúa como devanado primario.

Tipo de Instalación

Los aparatos pueden ser construidos para ser usados en instalaciones interiores o

exteriores. Generalmente, por razones de economía, las instalaciones de baja y

media tensión, hasta 25 KV., son diseñadas para servicio interior. Las

instalaciones de tipo exteriores son de tensiones desde 34.5 KV a 400 KV., salvo

en los casos donde, por condiciones particulares se hacen instalaciones interiores

para tensiones hasta 230 KV. Es conveniente examinar además, el tipo de TC que

se pueda instalar, dependiendo de las facilidades de mantenimiento.

Tipo de Aislamiento

Los materiales que se utilizan. Para el aislamiento dependen del voltaje del

sistema al que se va a conectar, la tensión nominal de aislamiento debe ser al

menos igual a la tensión más elevada del sistema en que se utilice. Los tipos de

aislamiento se dividen en tres clases:

a) Material para baja tensión. Generalmente los TC's son construidos con

aislamiento en aire o resina sintética, suponiéndose que lo común son las

instalaciones interiores.

b) Material de media tensión. Los transformadores para instalaciones interiores

(tensión de 3 a 25 KV) son construidos con aislamiento de aceite con

envolvente de porcelana (diseño antiguo), o con resina sintética (diseño

moderno).

Hay que hacer notar que la mayoría de los diseños actuales emplean el material

seco, los aparatos con aislamiento en aceite o masa aislante (compound) se

utilizan muy poco y sólo para instalaciones existentes.

Los aparatos para instalaciones exteriores son generalmente construidos con

aislamiento porcelana-aceite, aunque la técnica mas moderna está realizando

ya aislamientos en seco para este tipo de transformadores.

c) Materiales para alta tensión. Los transformadores para alta tensión son aislados

con papel dieléctrico, impregnados con aceite y colocados en una envolvente de

porcelana.

Es importante definir la altitud de la instalación sobre el nivel del mar, ya que las

propiedades dieléctricas de los materiales y del aire disminuyen con la altitud.

Normalmente todos los equipos se diseñan para trabajar hasta 1000 Mts sobre

el nivel del mar, si la altitud es mayor el nivel de aislamiento debe ser mayor.

Potencia Nominal. La potencia nominal que se debe seleccionar para los

transformadores de medición, está en función de la utilización a que se destina el

aparato.

Para escoger la potencia nominal de un transformador de corriente, se hace la

suma de las potencias nominales de todos los aparatos conectados al secundario.

Se debe tener en cuenta por otro lado, la impedancia de las líneas, si las

distancias entre los transformadores y los instrumentos de medición, son

importantes. Se escoge la potencia normal inmediata superior a la suma de las

potencias. Los valores normales de las potencias de precisión y de sus factores de

potencia, según ANSI, están dados en la Tabla 1.

Tabla 1

Cargas Normalizadas para Transformadores de Corriente

Según Normas ANSI C.57.13

Corriente Secundaria de 5 Amps.

Designa

ción de

Carga

Resiste

ncia

ohms

Inductanc

ia

mHenrys

Impedan

cia

ohms

Volt-

Amperes

a 5

Amps.

Factor de

Potencia

Cargas de Medición

B-0.1 0.09 0.116 0.1 2.5 0.9

B-0.2 0.18 0.232 0.2 5.0 0.9

B-0.5 0.45 0.580 0.5 12.5 0.9

B-0.9 0.81 1.04 0.9 22.5 0.9

B-1.8 1.62 208 1.8 45.0 0.9

Cargas de Protección

B-1 0.5 2.3 1.0 25 0.5

B-2 1.0 4.6 2.0 50 0.5

B-4 2.0 9.2 4.0 100 0.5

B-8 4.0 18.4 8.0 200 0.5

Clases de Precisión

Las clases de precisión normales para los transformadores de corriente son: 0.10,

0.02, 0.30, 0.50, 0.60, 1.20, 3.00 y 5.00 de acuerdo con las normas ANSI pero

depende de las normas usadas. En las Tablas 2 y 3 se tienen las diferentes

clases de precisión de los instrumentos normalmente conectados y las potencias

comunes de sus bobinados.

Tabla 2

Clase Utilización

0.10 Calibración.

0.20-0.30 Mediciones en Laboratorios,

Alimentación de Integradores para

Sistemas de Potencia.

0.50-0.60 Instrumentos de Medición e

Integradores. Watthorímetros para

Facturación

1.20-3.00 Ampermetros de Tableros.

Ampérmetros de Registradores.

Wattmetros de Tableros.

Watthorímetros Indicadores.

Fasómetros Indicadores.

Fasómetros Registradores

Fercuencímetros de Tableros.

Protecciones Diferenciales.

Relevadores de Impedancia.

Relevadores de Distancia, etc.

5.00 Relevadores de Protección en

general.

Tabla 3

Consumos Propios de los Aparatos Alimentados por

Transformadores de Corriente

Aparatos Modelo Consumo Aproximado en VA

para intensidad nominal.

Wattmetros de Tablero

Wattmetros Registradores

Wattmetros Portátiles

Wattmetros de

Laboratorio

A Inducción

Electrodinámico

A Inducción

Electrodinámico

Electrodinámico

1.5-3.0

4.0-5.0

1.5-2.0

6.0-8.0

1.0-4.0

1.5-3.0

Medidores de Desfase

Fasómetros

6.0-16

10-18

Watthorímetros 0.5-1.5

Relevadores De corriente máxima

con atraso

independiente

Especiales de

corriente máxima con

atraso independiente

De máxima

instantánea

Direccional

3.0-10

15-25

1.0-10

1.5-10

Relevadores Diferencial

compensado

Diferencial

A mínima

impedancia

De distancia

1.6-10

3.0-12

0.5-2.0

6.0-20

Reguladores Según Modelo 10-150

El tipo de conexión

Hay tres formas en las que normalmente se conectan los secundarios de los

transformadores de corriente, en circuitos trifásicos: 1) en estrella; 2) en delta

abierta o V y 3) en delta.

1) Conexión en estrella: En esta conexión se colocan tres transformadores de

corriente, uno en cada fase, con relevadores de fase en dos o tres de las fases

para detectar fallas de fase. En sistemas aterrizados, un relevador conectado en

el común de los tres TC's detecta cualquier falla a tierra o por el neutro. En

sistemas no aterrizados conectados de la misma forma puede detectar fallas a

tierra múltiples de diferentes alimentadores. Las corrientes en el secundario

están en fase con las del primario.

2) Conexión en delta abierta: Esta conexión es básicamente la misma que la

conexión en delta pero con una pierna faltante, usando solo dos TC's. Con esta

conexión se puede lograr una protección contra falla entre fases, en las tres

fases, pero solo ofrece protección de fallas a tierra para las fases en que se

tiene TC y si el ajuste del relevador esta por debajo de la magnitud de la falla.

En esta conexión las corrientes del secundario están en fase con las del

primario. Ya que, con esta conexión no es posible detectar las fallas de

secuencia cero, rara vez se usa como única protección del circuito.

Frecuentemente se acompaña con un TC de secuencia cero tipo dona. Este TC

de secuencia cero se puede aplicar en sistemas aterrizados o flotados, y como

estos transformadores y sus relevadores asociados no son sensibles a las

corrientes de fase, estos pueden ser de relativa baja capacidad, por lo mismo

pueden ser muy sensibles a fallas a tierra.

3) Conexión en delta: Esta configuración utiliza tres transformadores de corriente,

pero a diferencia de la conexión en estrella, los secundarios de interconectan

antes de conectarlos a los relevadores. Este tipo de conexión se utiliza para la

protección diferencial de transformadores de potencia. La conexión en delta de

los TC's se utiliza en el lado del transformador de potencia conectado en

estrella, y la conexión en estrella de los TC's se usa en el lado del

transformador conectado en delta.

La Corriente Nominal Primaria

Se escoge generalmente el valor normalizado superior a la corriente nominal de la

instalación. La corriente nominal se calcula con la siguiente fórmula

In = Potencia Aparente Trifásica / (1.73* Voltaje de Línea)

En ciertos TC's se cuenta con doble o triple relación primaria, ya sea por medio de

conexión serie-paralelo, o por medio de tomas en los bobinados secundarios. En

la Tabla 4 se tiene las relaciones normales de diferentes tipos de TC's.

Tabla 4

Capacidad de Transformadores de

Corriente de Relación Múltiple

Tipo Boquilla

Capacidad de Transformadores de Corriente

Diferentes a los de Relación Múltiple

Tipo Boquilla

Capacidad de

Corriente

Amps.

Derivaciones en

el Secundario

Relación

Sencilla

Amps.

Relación Doble

con Bobinados

Serie-Paralelo

Amps.

Doble Relación con

Derivaciones en el

Secundario

Amps.

600/5 50/5 X2-X3 10/5 25 X 50/5 25/50/5

100/5 X1-X2 15/5 50 X 100/5 50/100/5

150/5 X1-X3 25/5 100 X 200/5 100/200/5

200/5 X4-X5 40/5 200 X 400/5 200/400/5

250/5 X3-X4 50/5 400 X 800/5 300/600/5

300/5 X2-X4 75/5 600 X 1200/5 400/800/5

400/5 X1-X4 100/5 1000 X 2000/5 600/1200/5

450/5 X3-X5 200/5 2000 X 4000/5 1000/2000/5

500/5 X2-X5 300/5 1500/3000/5

600/5 X1-X5 400/5 2000/4000/5

1200/5 100/5 X2-X3 600/5

200/5 X1-X2 800/5

300/5 X1-X3 1200/5

400/5 X4-X5 1500/5

500/5 X3-X4 2000/5

600/5 X2-X4 3000/5

800/5 X1-X4 4000/5

900/5 X3-X5 5000/5

1000/5 X2-X5 6000/5

1200/5 X1-X5 8000/5

2000/5 300/5 X3-X4 12000/5

400/5 X1-X2

500/5 X4-X5

800/5 X2-X3

1100/5 X2-X4

1200/5 X1-X3

1500/5 X1-X4

1600/5 X2-X5

2000/5 X1-X5

3000/5 1500/5 X2-X3

2000/5 X2-X4

3000/5 X1-X4

4000/5 2000/5 X1-X2

3000/5 X1-X3

4000/5 X1-X4

5000/5 3000/5 X1-X2

4000/5 X1-X3

5000/5 X1-X4

La Corriente Nominal Secundaria

El valor normalizado es generalmente 5 Amps.; en ciertos casos, cuando el

alambrado del secundario puede representar una carga importante, se puede

seleccionar el valor de 1 Amp.

Parámetros Principales en la Definición de un Transformador de Corriente

A continuación se presentan los parámetros necesarios para la especificación

completa de un transformador de corriente, una descripción del parámetro y las

posibles opciones de selección.

Descripción Vn

Opción

para

Selecci

ón

BIL

Opción

para

Selecci

ón

ITérmic

a

Opción

para

Selecci

ón

IDinámi

ca

Opción

para

Selecci

ón

Vn Voltaje Nominal de Aislamiento Volts KVolts KAmps. KAmps.

Debe ser cuando menos igual a la

tensión más elevada del sistema en

que se utilice.

600 10 3 4

R Relación de Corriente 1,200 30 6 8

Ver Tabla G.4 2,500 45 10 12

BI

L

Nivel básico de aislamiento al

impulso

5,000 60 20 15

Este parámetro es un nivel de

aislamiento de voltaje de referencia

expresado como el voltaje de cresta

de una forma impulso estandarte no

mayor de 1½ x 40 µseg.

8,700 75 25 24

I Térmica 15,000L 95 50 30

Esta es la máxima capacidad de

corriente simétrica RMS que el

transformador puede soportar por 1

seg., con el secundario en corto, sin

sobrepasar la temperatura

especificada en sus devanados. En

la práctica esta se calcula como:

I Térmica (KA) = Potencia de Corto

Circuito (MVA)/ (1.73* Tensión

(KV))

Nota: Como la potencia de precisión

varía sensiblemente con el

cuadrado del número de Ampere-

Vueltas primario, para un circuito

magnético dado, la precisión de los

TC's hechos para resistir grandes

valores de corrientes de corto

circuito, disminuye

considerablemente.

15,000H 110 63 60

I Dinámica 25,000 150 78 120

Esta es la máxima corriente RMS

asimétrica en el primario que el TC

puede soportar sin sufrir daños, con

el secundario en corto. Esta

capacidad solo se requiere definir

en los TC tipo devanado. En la

práctica esta corriente se calcula

como:

I Dinámica (KA) = 2.54 * I

Térmica

34,500 200 90

46,000 250

69,000 350

92,000 450

115,000 550

138,000 650

161,000 750

196,000 900

230,000 1,050

287,000 1,300

Descripción Opción

para

Selección

Clase de Precisión

Las clases de precisión normales para los

transformadores de corriente son: 0.10, 0.20,

0.30, 0.50, 0.60, 1.20, 3.00 y 5.00 de acuerdo

con las normas ANSI pero depende de las

normas usadas. En las Tablas 2 y 3 se

tienen las diferentes clases de precisión de

los instrumentos normalmente conectados y

las potencias comunes de sus bobinados.

Potencia Nominal

Para escoger la potencia nominal de un transformador

de corriente, se hace la suma de las potencias

nominales de todos los aparatos conectados al

secundario. Se debe tener en cuenta por otro lado, la

impedancia de las líneas, si las distancias entre los

transformadores y los instrumentos de medición, son

importantes. Se escoge la potencia normal inmediata

superior a la suma de las potencias. Los valores

normales de las potencias de precisión y de sus

factores de potencia, según ANSI, están dados en la

Tabla 1.

Tipo de Transformador de Corriente Tipo

devanado

primario.

Tipo Barra.

Tipo Boquilla

(Ventana o

Bushing).

Tipo de Aislamiento Resina

Sintética

Aceite con

Envolvente

de Porcelana

Papel

Dieléctrico,

Impregnados

con Aceite y

colocados en

una

Envolvente

de

Porcelana.

Transformadores de Corriente para uso Exterior

Transformadores de Corriente para uso Interior

Transformador de Tensión

El transformador de tensión se utiliza para rebajar ó disminuir las altas tensiones

de los sistemas eléctricos, con fines de medida ó para alimentar bobinas de voltaje

de roles a tensiones más bajas. La tensión nominal secundaria puede ser de 69,

105, 115, 120V y 208V.

A diferencia de los transformadores de corriente, en la construcción de los

transformadores de tensión (TT) no se presentan las dificultades de sobre tensión

en caso de cortocircuito. Los transformadores de tensión se construyen para

soportar hasta un 20% sobre su valor nominal.

Conexión de un Transformador de Tensión

Uno de los bornes ó terminales del secundario se conecta a tierra para prevenir el

riesgo de contacto accidental entre la alta tensión del primario con la baja tensión

del secundario.

A

B

Z

TT

El transformador de tensión debe cumplir con las siguientes condiciones:

1) Proporcionalidad de la tensión del secundario respecto a la tensión del

primario, para todo el campo de medida. Para esto es preciso que las

caídas de tensión por resistencia en el primario y secundario sean

despreciables, lo que a su vez presupone:

a) Que los flujos de dispersión sean muy pequeños.

b) Que la corriente secundaria I2 sea muy pequeña, es decir que la

potencia nominal sea muy inferior a la potencia límite de

calentamiento equivalente a la potencia nominal de un

transformador de potencia.

c) Que la corriente de vacío I0 sea muy pequeña, mediante un

circuito magnético muy bien diseñado.

2) La oposición de los vectores representativos de la tensión primaría U1, y de

la tensión secundaria U2 lo que solo será posible si la corriente de vacío I0

fuera nula, ya que entonces sería nula también la caída de tensión I0R, en

los conductores, en vacío. Como esto no es posible, en la práctica, entre las

tensiones primaria U1 y secundaria U2, hay siempre un pequeño ángulo de

desfase Δ1 que caracteriza la precisión del transformador de tensión.

La relación de transformación de un transformador de tensión es:

1221

2

1

2

1

NVNV

KConstN

N

V

V

Contrario al transformador de corriente, en el transformador de tensión, no se

debe cortocircuitar nunca el secundario, ya que, las corrientes de cortocircuito en

ambos devanados serían muy superiores a las corrientes nominales, provocando

el sobrecalentamiento de éstos.

Las características más importantes del transformador de corriente, son:

1. Tensión Nominal: Los valores de las tensiones nominales primaria U1 y

secundaria U2, son los valores que sirven para fijar la precisión del aparato.

2. Capacidad de Sobrecarga: Los transformadores de tensión pueden

sobrecargarse un 10% permanentemente sobre la tensión nominal y un

20% por corto tiempo. Para proteger la red contra cortocircuito se instalan

fusibles en las partes de AT y BT.

3. Tensión Nominal de Aislamiento: Es el valor de la tensión por la cual se

determinan las tensiones de prueba dieléctrica del devanado primario. Los

valores de las tensiones nominales de aislamiento están normalizadas entre

0.5 KV y 765KV.

4. Precisión: En un transformador de tensión la precisión depende

esencialmente de dos factores:

(a) Error de Relación de Transformación expresado en %.

11001

2

V

VKE nT

Donde

Kn → Relación de Transformación Nominal

n

nnV

VK

2

1

(b) Por el ángulo de pérdidas t con la tensión secundaria reducida al

primario, y así siempre la tensión secundaria U2 está retrasada

respecto de la tensión primaria U1 y, entonces se dice que el desfase

es positivo.

5. Potencia Nominal o Potencia de Precisión (en Volt – Ampere): Es la

potencia aparente que el transformador de tensión puede suministrar en

el circuito secundario bajo su tensión nominal, sin que los errores

sobrepasen valores de referencia.

Representación en un Circuito Trifásico

1. Conexión Trifásica de Transformadores de Tensión sin Neutro.

A

C

B

V V V

TT

2. Conexión Trifásica de Transformadores de Tensión con Neutro.

A

N

C

B

V V V

TT

Transformadores de Tensión para uso Interior

Aplicaciones Prácticas de los Transformadores

Tanto en materia de electricidad industrial y comercial como en radiotelefonía,

telefonía, televisión y electrónica en general, encuentra el transformador un amplío

campo de utilización. Puede decirse que es en elemento indispensable,

especialmente en todo lo referente a corrientes alternas de baja y alta frecuencia.

Un caso significativo es el de los sistemas de potencia, en los que hace posible

que la generación, transporte y consumo de la energía eléctrica se realicen a las

tensiones más rentables en cada caso. El transporte resulta más económico

cuanto más alta sea la tensión, ya que la corriente y la sección de los conductores

son menores (intensidades pequeñas provocan menores pérdidas por efecto

Joule).