Protocolo de InvestigacionII
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8/16/2019 Protocolo de InvestigacionII
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Diferentes aplicaciones de los transformadores
Jorge Luis León Martínez.
Abril 2016.
Universidad del Norte de Guanajuato
!U. Me"atróni"a
#$%resión &ral ' #s"rita ((
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(ntrodu""ión...........................................................................................................)
*lantea+iento del %roble+a...................................................................................,
-es"ri%"ión del &bjeto de estudio......................................................................,
Justii"a"ión......................................................................................................../
*regunta de investiga"ión.................................................................................../
&bjetivos.............................................................................................................6
-es"ri%"ión de "onte$tos.......................................................................................
#stado de la "uestión..............................................................................................
Mar"o eóri"o......................................................................................................1)
ibliograía..........................................................................................................2,
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Planteamiento del problema
-es"ri%"ión del &bjeto de estudio
#l transor+ador es una +a3uina o dis%ositivo el5"tri"o "on grandes
a%li"a"iones desde au+entar o dis+inuir niveles de tensión o "orriente en
"ir"uitos del ti%o de "orriente alterna7 gra"ias a un enó+eno de indu""ión de
voltaje7 %ero ade+8s de este uso ta+bi5n se %uede e+%lear %ara aislar "ir"uitos
entre sí7 "on ellos es %osible la distribu"ión de energía el5"tri"a a las 8bri"as '
nuestros ogares de una or+a barata ' segura. 9:ildi7 200;
Un transor+ador est8 "o+%uesto %or dos o +8s devanados de ala+bre
"ondu"tor "o+o el "obre enrollados en un n4"leo erro+agn5ti"o "o+4n7 "o+o
estas bobinas no est8n "one"tadas entre sí7 su 4ni"a "one$ión entre ellas es el
lujo +agn5ti"o ' %or +edio de esta a""ión de "ru"e de líneas de "a+%o
+agn5ti"o "on el segundo devanado 3ue des"ribe la le' de
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Justii"a"ión
Algunos de los usos del transor+ador7 a"en 3ue "a+bie la or+a '
"ara"terísti"as de este 'a 3ue %ara "ada a%li"a"ión es ne"esario 3ue el
trasor+ador "uente "on las "ara"terísti"as %ara %oder realizar esa un"ión7 'a
3ue no es %osible 3ue un trasor+ador de %oten"ial 3ue es una "lase de
transor+ador dedi"ado a la dis+inu"ión de voltaje %ara %oder realizar
+edi"iones en el lado de +edia tensión sirva "o+o un trasor+ador de una "asa
abita"ión sin e+bargo sigue siendo un trasor+ador.
#n +u"as o"asiones no se le da la i+%ortan"ia 3ue se le debe de dar a este
dis%ositivo ' en otras ni si3uiera se "ono"en todas sus a%li"a"iones %or lo 3ue la
investiga"ión 3ue se realizar8 es "on el in de dar a "ono"er las %rin"i%ales
"onigura"iones de un trasor+ador así "o+o ta+bi5n sus a%li"a"iones ' en 3ue
se unda+entan %ara 3ue se %uedan llevar a"abo di"as un"iones o en sudee"to 3ue ue lo ne"esario +odii"ar en el trasor+ador "onven"ional o la
no"ión unda+ental 3ue re%resenta este %ara 3ue %ueda realizar di"as un"iones.
*regunta de investiga"ión
>=u8les son las %rin"i%ales a%li"a"iones de un transor+ador ' sus dierentes
"onigura"iones7 así "ó+o sus usos?
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&bjetivos
!e analizar8 el un"iona+iento del transor+ador desde un +odelo +ate+8ti"o
"on el "ual se reeren"iar8 a diversos autores %ara averiguar los %untos de vista
sobre el +is+o "on"e%to ' una vez 3ue se "onsidere 3ue se obtuvo toda la
inor+a"ión ne"esaria "o+o %ara 3ue des%u5s se +ostrar8n di"os resultados de
la investiga"ión.
(nvestigar las dierentes versiones del transor+ador7 deini"iones7 así "o+o sususos ' a%li"a"iones "o+unes7 de las "uales en las 3ue se eno"ara esta
investiga"ión son las +8s i+%ortantes %ara los autores del te+a a tratar7 de los
"uales resaltan =a%+an7 #nrí3uez7 @oslo entre otros 'a 3ue en todos ellos se
basa esta investiga"ión %or3ue su trabajo en las investiga"ión de +83uinas
el5"tri"as resultó en su tie+%o desta"able.
Analizar el %unto de vista 3ue tienen los diversos autores en los 3ue se basa esta
investiga"ión7 sobre el te+a de transor+adores ' sus dierentes versiones7 "o+o
su +anera de %resentar el te+a %ara des%u5s desglosarlo en esta investiga"ión7
+e +anera 3ue sea este trabajo un resu+en ' ade+8s "o+%robar sus argu+entos
"on rela"ión a los otros autores %ara a"ilitar la "o+%resión del te+a.
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Descripción de contextos
Los transor+adores son +83uinas el5"tri"as res%onsables de trans+itir %oten"ia %ero a dierentes niveles de voltaje ' "orriente 'a 3ue "o+o se +en"ionó
anterior+ente esto es gra"ias a un enó+eno 3ue se genera %or la indu""ión de
voltaje %or +edio de "orriente alterna. Anterior+ente %or el aBo de 1CC0 el
%ri+er siste+a de distribu"ión de %oten"ia era en "orriente "ontinua ' a voltajes
tan bajos 3ue eran ne"esarias "orrientes +u' altas7 %or lo 3ue abía %5rdidas %or
"orrientes tan altas ' este %roble+a se resolvió "on la a%ari"ión de la "orriente
alterna ' el transor+ador 'a 3ue se eli+inó el %roble+a de "orrientes altas7 "on
lo 3ue se dis+inu'eron las %5rdidas %or "aída de tensión 'a 3ue ideal+ente un
transor+ador %ude "a+biar niveles de voltaje ' tensión +anteniendo la %oten"ia
%or lo 3ue aora la red de distribu"ión vienen de 1).2DE ' un transor+ador
"onven"ional "a+bia ese voltaje a 220E sin %erder la %oten"ia 3ue es "a%az de
trans+itir el trasor+ador.9=a%+an7 2000;
Los transor+adores +8s "o+unes se deno+inan de %oten"ia7 %ero es %osible
3ue re"iban +u"os otros no+bres7 todo de%endiendo de su a%li"a"ión en los
siste+as de el5"tri"os %ero esen"ial+ente sigue siendo el +is+o dis%ositivo
"o+o eje+%lo nos di"e el autorF
Un trasor+ador "one"tado a la salida de un generador utilizado %araelevar %ara elevar el voltaje asta niveles de trans+isión 9110DE '
+a'ores; a ve"es se deno+ina transformador de unidad. #l transor+ador
situado en el otro e$tre+o de la línea de trans+isión7 3ue redu"e el voltaje
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de los niveles de trans+isión a los niveles de distribu"ión 9desde 2.) a
),./DE;7 se deno+ina transformador de subestación. *or 4lti+o7 el
transor+ador 3ue redu"e el voltaje de distribu"ión al voltaje inal a 3ue se
utiliza la %oten"ia 91107 20C7 220 E7 et".; es lla+ado transformador de
distribución. odos estos dis%ositivos son7 en esen"ia7 el +is+o la 4ni"a
dieren"ia entre ellos es la utiliza"ión 3ue se les da. 9=a%+an7 20007 %2;
Ade+8s de "onvertir niveles de voltaje ' "orriente el transor+ador ta+bi5n
%uede tener otras a%li"a"iones o in"lusive otras "one$iones 3ue lo a"en
dierente %or lo "ual es ne"esario +en"ionarlos "o+o lo son los transor+adores
de %oten"ial autotransor+adores7 transor+adores de "orriente entre otros.
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Estado de la cuestión
*ara 3ue se entienda el un"iona+iento del trasor+ador es ne"esario "ono"er un %o"o de los "a+%os +agnati"os 'a 3ue en todo "ondu"tor el5"tri"o %or el "ual
lu'e una "orriente se genera un "a+%o +agn5ti"o %ro%or"ional a la "orriente
sobre +etro "uadrado ' esto se re%resenta %or +edio de un +odelo +ate+8ti"o
lla+ado la le' Ma$ell. 9
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!i aora se abla de una deini"ión +8s "on"reta %ode+os sa"ar la deini"ión de
dos es"ritores rusos 3ue asta la e"a se "onsidera una buena deini"ión de lo
3ue re%resenta un transor+adorF
!e deno+ina transor+ador un a%arato ele"tro+agn5ti"o est8ti"o
destinado %ara transor+ar un siste+a7 %ri+ario7 de "orriente alterna en
otro7 se"undario7 "on la +is+a re"uen"ia7 %ero "on otras "ara"terísti"as7
en %arti"ular7 tensión ' "orriente distintas.
*or regla general el transor+ador "onsta a; del n4"leo ar+ado "on "a%as
de a"ero %ara transor+adores7 ' b; dos o varios devanados a"o%lados
ele"tro+agn5ti"a+ente ' en el "aso del autotransor+ador "one"tados
ta+bi5n el5"tri"a+ente.9@ostenDo *iotrovsD'7 17 %.)C/;
La e"ua"ión %ara deter+inar el voltaje indu"ido en una bobina de "obre rodeada
%or un "a+%o +agn5ti"o variable "on or+a sinusoidal "on re"uen"ia 3ue
al"anza %eriódi"a+ente un %i"o +8$i+o %ositivo ' un %i"o +8$i+o negativo.
*or "onsiguiente se obtiene a %artir del lujo +agn5ti"o un voltaje indu"ido "o+ose ve en la siguiente e"ua"ión. 9#nrí3uez7 200/;
E=4.4∗f ∗ N ∗ϕmáx
-ondeF
# Eoltaje indu"ido Eolts 9E;.
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La siguiente grai"a re%resenta el voltaje indu"ido "on res%e"to al tie+%o al
alternarse "on un lujo +agn5ti"o variable "on el tie+%o.
Ilustración 1
#n general los autores en 3ue se basa esta investiga"ión "on"uerdan 3ue untransor+ador no es una +a3uina el5"tri"a "o+o tal si +8s bien un dis%ositivo o
a%arato ele"tro+agn5ti"o est8ti"o dedi"ado a transor+ar un siste+a el5"tri"o del
orden de "orriente alterna7 %ri+ario a otro de se"undario "on la +is+a
re"uen"ia %ero "on voltajes ' "orrientes distintas a las originales. 9@ostenDo7
1;
Las %artes del transor+ador si se abla de la "onstru""ión de los +is+os7 se
lla+an devanados "o+o su no+bre lo di"e son arro'a+ientos o bobinados de
"obre7 n4"leo erro+agn5ti"o en"argado de dis+inuir las %erdidas originadas %or
la dis%ersión del "a+%o +agn5ti"o 3ue se %rodu"e en los devanados7 '
aisla+iento "o+o su no+bre lo di"e se en"arga de aislar los devanados del
transor+ador en "aso de un "orto "ir"uito %ara evitar ar"os el5"tri"os dentro de
este.
!i el transor+ador es de dos devanados se les lla+a de devanados dobles7 si es
de tres se le lla+a de devanados tri%les ' +8s de tres devanados se le "ono"e
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"o+o de devanados +4lti%les7 %ueden ser +ono8si"os tri8si"os o %oli8si"os
de%endiendo del n4+ero del ti%o de "orriente 3ue %asa %or el transor+ador7
9ase; enti5ndase %or ase a una +agnitud ve"torial de "orriente o voltaje
desasado un "ierto 8ngulo el5"tri"a+ente. #l devanado 3ue se "one"ta la uente
de ali+enta"ión o 3ue re"ibe la energía el5"tri"a se le "ono"e "o+o %ri+ario7 al
devanado 3ue se le "one"ta la "arga el5"tri"a7 o del 3ue se obtiene energía se le
lla+a se"undario. 9@ostenDo7 1;
=o+o se sabe el transor+ador es un dis%ositivo "a%az de "a+biar niveles de
tensión 'a 3ue se %uede tener un transor+ador de 1).2DE 3ue es el voltaje 3ue
e$iste en los %ostes de +edia tensión de =
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#n el eje+%lo anterior tene+os 3ue la rela"ión es de 1).2DEO220E 3ue nos da un
resultado 60O1 %or lo tanto tene+os una rela"ión de transor+a"ión redu"tora 60
a 1 %or lo 3ue el voltaje en el lado del se"undario o el lado de "arga ser8 de 60
ve"es +enor al del lado %ri+ario. =o+o 'a se sabe a' ta+bi5n transor+adores
elevadores de tensión 3ue %uede ser el "aso de una rela"ión 1O60 esto nos 3uiere
de"ir 3ue el voltaje del %ri+ario es 60 ve"es +enor el voltaje del se"undario.
=uando se abla de transor+adores7 es un te+a +u' diverso 'a 3ue "o+o se a
+en"ionado antes e$iste una gran variedad de transor+adores "o+o son los
siguientesF
• ransor+adores de *oten"ia.oMono8si"os.o *oli8si"os.
• ransor+adores %ara Medi"ión.o = 9Transformadores de corriente;.o * 9Transformadores de potencial ;.
• ransor+adores %ara arran3ueoAutotransor+adores
• ransor+adores de tri8si"os de dos devanadoso =one$ión -elta Abiertao =one$ión #strella Abiertao =one$ión !"ott Ro =one$ión ri8si"a en
Algunos transor+adores "o+o el "aso de los transor+adores tri8si"os
ne"esitan estar "one"tados entre sí %ara %oder transor+ar niveles de tensión en
ese n4+ero de ases7 las or+as +8s "o+unes sonF estrella 3ue "onsiste en
"orto"ir"uitar las %artes inales de los e$tre+os de las bobinas ' si la "arga en el
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transor+ador esta e3uilibrada la "orriente en este %unto es "ero. &tra "one$ión
+u' "o+4n es la "one$ión en delta 3ue "onsiste en "one"tar el %rin"i%io de "ada
bobina "on el in de la siguiente bobina. 9
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Marco Teórico
#l des"ubri+iento de %rodu"ir ele"tri"idad a base de +ovi+iento ' vi"eversa se
debe al gran "ientíi"o "ono"ido %or grandes inventos %ero %or lo 3ue se lere"ono"e +8s es %or "rear la %ri+era dina+o7 Mi"ael
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#n %o"os días "onstru'ó la %ri+era dína+o. Montó un dis"o de "obre de
)0 "entí+etros7 3ue %odía a"erse girar +ediante una +anivela. Los
bordes e$teriores %asaban entre los %olos de un gran i+8n +ientras giraba.
Unas es"obillas iban desde el dis"o le "obre a la segunda bobina7 3ue tenía
un galvanó+etro. Mientras a"ía girar la +anivela7 la aguja del
galvanó+etro anun"iaba triunal+ente el e"o de 3ue la "orriente %asaba
sin "esar.
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generadoras ueran de baja "a%a"idad7 lo"ales '7 %or tanto relativa+ente
inei"ientes. 9=a%+an7 20007 %.62;
!i se ubiese "ontinuado "on un siste+a de distribu"ión tal "o+o el de Tdison es
%robable 3ue esta nueva era la ele"tri"idad sería un +edio energ5ti"o +u' "aro7
%or lo 3ue el des"ubri+iento de la "orriente alterna así "o+o el generador '
alternador %er+itieron 3ue o' en día sea +8s 8"il distribuir energía desde una
%lanta idroel5"tri"a en !ala+an"a a un %ueblito de -olores idalgo sin 3ue la
energía sura grandes %5rdidas %or "aída de tensión o %or el ee"to joule7 todo
esto ue %osible gra"ias un inventor serbio lla+ado NiDola esla.
Un inventor serbio7 NiDola esla7 3ue trabajó a las órdenes de #dison
desde 3ue llegó a este %aís7 se "onven"ió de 3ue la solu"ión estaba en la
"orriente alternada7 3ue %odía generarse en voltajes +u' altos.
#dison "re'ó 3ue esta "orriente era de+asiado %eligrosa. esla arg'ó 3ue
%odría redu"irse el voltaje7 asta llegar a 120 voltios %ara uso do+5sti"o7+ediante transor+adores es"alonados
.
A todo esto7 el transor+ador7 inventado en 1CC67 resultó ser +u"o +8s
le$ible de lo 3ue todos i+aginaban.
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es%iras de ala+bre "on rela"ión al %ri+ario7 una le' sen"illa 3ue
databa de los días de
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transformador. #n otras %alabras7 un transor+ador es un dis%ositivo 3ue
i+%li"a bobinas a"o%ladas +agn5ti"a+ente. 9ag Kse'in7 200)7
%.20);
!in e+bargo sí 3ue se 3uiere abundar en el te+a es %re"iso basarse en una
deini"ión del transor+ador +8s e$a"ta "on la "ual se %uede a"er +8s
"on"ien"ia sobre el te+aF
!e deno+ina transor+ador un a%arato ele"tro+agn5ti"o est8ti"o
destinado %ara transor+ar un siste+a7 %ri+ario7 de "orriente alterna en
otro7 se"undario7 "on la +is+a re"uen"ia7 %ero "on otras "ara"terísti"as7
en %arti"ular7 tensión ' "orriente distintas.
*or regla general el transor+ador "onsta a; del n4"leo ar+ado "on "a%as
de a"ero %ara transor+adores7 ' b; dos o varios devanados a"o%lados
ele"tro+agn5ti"a+ente ' en el "aso del autotransor+ador "one"tados
ta+bi5n el5"tri"a+ente.9@ostenDo *iotrovsD'7 17 %.)C/;
=o+o se a a"larado sie+%re los transor+adores %or lo +enos ne"esitan de %araablar un %o"o sobre el +odelo +ate+8ti"o 3ue des"ribe el transor+ador en su
+odelo ideal %ode+os +en"ionar lo siguiente.
#n la %r8"ti"a no se al"anza nun"a estas %ro%iedades aun "uando se
a%ro$i+e +u"o a ellas7 deno+in8ndose transformador ideal a un
transor+ador i%ot5ti"o 3ue las %ose'era.
=uando se a%li"a una tensión v1 variable "on el tie+%o a los ter+inales del
%ri+ario7 se "rea en el n4"leo un lujo tal 3ue7 sie+%re en el su%uesto de
3ue la resisten"ia del devanado es des%re"iable7 o seaF
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v1=e
1= N
1
dφ
dt
#l lujo7 "on"atenado ta+bi5n "on el devanado se"undario7 indu"e en 5l
una .e.+. e2 ' una tensión v2 de igual valor en sus bornes7
v2=e
2= N
2
dφ
dt
-ividiendo la %ri+era e"ua"ión %or la segunda tendre+osF
v1
v2=
N 1
N 2
-e donde se dedu"e 3ue en un transor+ador ideal las tensiones est8n en
razón dire"ta al n4+ero de es%iras de sus devanados. 9
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Ilustración 2
Las or+as 3ue +8s re"uente+ente se e+%lean %ara realizar las "one$iones
de los arrolla+ientos sonF en estrella 9"on o sin ilo neutro;7 en triangulo '
en zig-zag. #n la "one$ión en estrella se unen en un +is+o %unto los tres
e$tre+os de los arrolla+ientos 3ue %oseen la +i+a %olaridad7 e$istiendo dos
or+as b8si"as seg4n se unan los ter+inales A7 7 = o AV7 V7 =V 9a7 b7 " o aW7
bW7 "W %ara el se"undario;. #n la "one$ión en triangulo se unen su"esiva+ente
los e$tre+os de %olaridad o%uesta de "ada dos devanados asta "errar el
"ir"uito seg4n sea el orden de su"esión en 3ue se realiza esta o%era"ión7 %uede e$istir dos or+as dierentes. La "one$ión en zigXzag7 3ue en la
%r8"ti"a sólo se e+%lea en el lado de +enor tensión7 "onsiste en subdividir en
dos %artes iguales los devanados se"undarios7 una %arte se "one"ta en estrella
' luego "ada ra+a se une en serie "on las bobinas invertidas de las ases
ad'a"entes7 siguiendo un deter+inado orden "í"li"o. 9
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Ilustración 3
=uando se abla de los transor+adores tri8si"os ' sus dierentes "one$iones se
%uede "rear la idea 3ue son los 4ni"os 3ue se %ueden "one"tar ' 3ue los
transor+adores +ono8si"os no e$isten +8s "one$iones7 %ero esto no es así 'a
3ue dentro de un arrolla+iento +ono8si"o %ode+os tener dierentes
arrolla+ientos "on los "uales se %ueden a"er "o+bina"iones %aralelo serie
aditiva o sustra"tiva "o+o se +en"ionar87 "on el siguiente eje+%lo donde a'
dos devanados a 11/E en el lado de alta tensión 9%ri+ario; ' en el lado de baja
tensión tene+os dos bobinas de 10E 9se"undario;.
Ilustración 4
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&bs5rvese 3ue "uando las bobinas est8n "one"tadas en paralelo, las bobinas
3ue tienen la +is+a tensión ' %olaridad instant8nea est8n en %aralelo 9los
ter+inales 3ue tienen n4+eros i+%ares est8n "one"tados a un lado de la línea
' los n4+eros %ares al otro;.
=uando las bobinas se "one"tan en serie7 se une un ter+inal de una bobina
"on el ter+inal de la %olaridad o%uesta de la otra 9un ter+inal nu+erado
i+%ar est8 "one"tado a un ter+inal nu+erado %ar; de +anera 3ue las
tensiones sean aditivas. !i se "one"tasen al rev5s7 las tensiones indu"idas se
o%ondrían entre sí 9obteni5ndose una tensión de salida "ero;. 9@oso7 1C27
%.6)/;
#l las dierentes versiones del transor+ador de las 3ue a' 3ue %oner aten"ión
'a 3ue se %ude resaltar +u"o sobre este dis%ositivo al +en"ionarF
iene un solo bobinado arrollado sobre el n4"leo7 lo 3ue %er+ite estable"er si+ilitud "on el bobinado7 %ero dis%one de "uatro bornes7 dos %ara "ada "ir"uito7
' %or ello %resenta %untos en "o+4n "on el transor+ador "o+4n. 9!inger7 167
%./;
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Ilustración 5
#n general se %ude de"ir 3ue el autotransor+ador %uede "a+biar el nivel de
tensión +8s no el de la "orriente %or lo 3ue es +u' 4til %ara a%li"a"iones donde
se ne"esario +u"a "orriente %ero %o"o voltaje tal es el "aso de un +otor un
+otor ne"esita +u"a "orriente al arran3ue %ero %o"o voltaje %ara %oder a"er
un arran3ue suave7 ta+bi5n se %uede a%li"ar donde se ne"esite +u"a "orriente '
+u"o voltaje %or lo 3ue si se "one"ta en los %untos - un voltaje de 11/E a
10A ' si el devanado est8 a un C0Y del voltaje de salida en nuestra salida
obtendre+os 1,,E ' una "orriente de 10A %or lo 3ue si se i"iera "on un
transor+ador "o+4n este %erdería "orriente. 9!inger7 16;
&tros Eersiones de los transor+adores 3ue son es%e"iales7 3ue ade+8s son +u'
utilizados %ara +edir son los deno+inados transor+adores de *oten"ial ' de
=orriente de los "uales se ar8 +en"ión +8s adelante.Los transor+adores de %oten"ial 9ta+bi5n lla+ados transformadores de
potencial ; son transor+adores de alta %re"isión en los 3ue la rela"ión de
voltaje %ri+ario a voltaje se"undario es una "onstante "ono"ida7 la "ual
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"a+bia +u' %o"o "on la "arga. ZAde+8s7 el voltaje se"undario est8 "asi
e$a"ta+ente en ase "on el voltaje %ri+ario. #l voltaje %ri+ario no+inal.
#sto %er+ite utilizar instru+entos est8ndar ' relevadores del lado del
se"undario. Los transor+adores de voltaje se utilizan %ara +edir o
+onitorear el voltaje en líneas de trans+isión ' %ara aislar el e3ui%o de
+edi"ión de estas. 9:ildi7 2007 %.2)0;
Ilustración 6.1
Ilustración 6.2
Los transor+adores de "orriente son transor+adores "orriente son
transor+adores de alta %re"isión en los "uales la rela"ión de las "orrientes
%ri+aria a se"undaria es una "onstante "ono"ida 3ue "a+bia +u' %o"o "on
la "arga. #l 8ngulo de ase entre ellas es +u' %e3ueBa7 en general +u"o
+enor 3ue un grado. La rela"ión de las "orrientes alta+ente %re"isa ' el8ngulo de ase %e3ueBo se logran +anteniendo %e3ueBa la "orriente de
e$"ita"ión.
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Los transor+adores de "orriente se utilizan %ara +edir o +onitorear la
"orriente en una línea ' %ara aislar el e3ui%o de +edi"ión ' el relevador
"one"tados al se"undario. 9:ildi7 2007 %.2)1;
Ilustración 7.1
Ilustración 7.2
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