Los ingenieros electricistas vemos al transformador desde distintos puntos de vista, según sea nuestra función:

- El operador se interesa por el funcionamiento, mantenimiento, y su duración, tratando de que circunstancias de uso no abrevien la vida.

- El proyectista de la instalación, lo observa en sus cálculos como un circuito equivalente, produce caídas de tensión, limita corrientes de cortocircuito, debe soportar estados de carga, soportar sobretensiones, y esta visión se transmite con la especificación.

- El proyectista del transformador, debe lograr con su dimensionamiento, satisfacer las condiciones fijadas en la especificación, y garantizar la vida útil.

La característica que examinamos es la impedancia del transformador, está sometida a dos intereses contrastantes, que las caídas de tensión sean moderadas (la impedancia debe ser baja), que las corrientes de cortocircuito sean limitadas (la impedancia debe ser elevada), esto no es nada fácil particularmente cuando se pretenden equipos cuya potencia debe ser relativamente grande.

Cuando se examina la caída de tensión normalmente se considera la carga trifásica y equilibrada, condiciones de carga distintas se consideran casos muy particulares, excepcionales.

Cuando se examinan las condiciones de cortocircuito además del caso trifásico, asumen importancia las condiciones de funcionamiento asimétricas (en particular monofásicas).

Este último caso presenta algunas particularidades que examinaremos con detalle, en efecto si el proyectista de la instalación no ha impuesto condiciones, deberá conocer, para determinar el buen funcionamiento del sistema, características del transformador que el fabricante debe informar. Quizas informando estimaciones, y una vez construida la maquina midiendo los parametros en los ensayos (en modo adecuado).

Más difícil para el fabricante resulta satisfacer combinaciones de valores que el proyectista de la instalación puede imponer para alcanzar un objetivo determinado en el funcionamiento de la red.

Recordamos años ha un transformador que en su cuba alojaba un reactor con el objetivo de satisfacer impedancias fijadas en la especificación.

Otra circunstancia que se presentó requería valores que llevaban a un transformador físicamente imposible.

Es importante que proyectistas de instalaciones y de transformadores se entiendan mejor entre sí, este es el enfoque que se pretende dar a este capítulo, para ayudar a comprender como piensa la otra parte.

El cálculo del transformador se desarrolla con datos que impone el proyectista (o adopciones que el programa hace por falta de datos) y finalmente se obtiene un valor de reactancia. A veces (frecuentemente por múltiples razones) el valor logrado de reactancia no es satisfactorio y entonces el proyectista debe forzar los datos para obtener un dado resultado.

Este es el problema que llamamos de reactancia impuesta y que se presenta particularmente al proyectar transformadores normalizados, cuando un transformador debe ir en paralelo con otros, en transformadores para aplicaciones especiales (rectificadores, hornos eléctricos, etc.), o imposiciones de la especificación (para controlar cortocircuitos o caídas de tensión) y otros casos.

Los parámetros que más influencia tienen en la tensión de cortocircuito son el número de espiras (al cuadrado) y la altura del bobinado sobre la columna del núcleo.

El número de espiras está ligado con la sección de la columna, si se considera que el valor de inducción de trabajo del núcleo resulta casi constante.

de estas se obtiene

donde X_d es la reactancia de dispersión, D_m el diámetro medio en el canal de dispersión, N el número de espiras, HB la altura del bobinado, B la inducción y S la sección de la columna.

Transformadores con baja tensión de cortocircuito se realizan con núcleos de mayor sección y se caracterizan por tener un valor más elevado de la relación masa de hierro/masa de cobre, respecto a una unidad que tenga una tensión de cortocircuito mayor.

Denominamos con el término "natural" el valor de tensión de cortocircuito que otorga un proyecto equilibrado y bien proporcionado de la máquina, es decir, no forzada al uso para soluciones particulares.

Las normas prescriben valores porcentuales de tensión de cortocircuito para transformadores de potencia en función de su potencia nominal.

La norma IEC 60076-5 fija los siguientes valores característicos de la impedancia de cortocircuito para transformadores de dos arrollamientos.

Para potencias mayores establece que el valor de la tensión de cortocircuito se debe acordar entre el comprador y el fabricante.

Se pueden hacer otras consideraciones sobre la influencia que los valores de la tensión de cortocircuito tienen sobre las pérdidas, aptitud de soportar esfuerzos electrodinámicos y el calentamiento.

Las pérdidas pueden influir notablemente en el costo de la máquina, cuando no se considere solamente el costo de fabricación sino también el de utilización, ligado a las horas de funcionamiento y al costo de la energía (y de la potencia).

Máquinas con tensión de cortocircuito elevada tienen pérdidas en vacío inferiores y en carga superiores con relación a un transformador que tiene una tensión de cortocircuito menor.

Las normas fijan valores de la tensión de cortocircuito en función de la potencia nominal. Los transformadores deben resistir las solicitaciones electrodinámicas correspondientes a las corrientes que circulan en los arrollamientos en el caso que el cortocircuito esté alimentado por una red cuya potencia de cortocircuito, en el punto de alimentación del transformador, es función de la tensión máxima del sistema. Si no se especifican valores se pueden adoptar los establecidos en la tabla.

Para limitar las corrientes de cortocircuito en las redes de distribución de media tensión, y en algún caso también en las redes de subtransmisión de alta tensión, con el incremento de potencia de las redes, en algunos casos se han especificado tensiones de cortocircuito para los transformadores mucho más grandes de los valores naturales.

Por ejemplo en la distribución para limitar a 12,5 kA el poder de interrupción de los interruptores de MT, se han especificado tensiones de cortocircuito para los transformadores de AT/MT del doble del natural (20-24% en lugar de 10-12%).

Tensiones de cortocircuito tan grandes exigen un rango de regulacion muy amplio, para lograr contener las variaciones de tension que se presentan con la carga.

Si el valor de tensión de cortocircuito requerido por el usuario es inferior al establecido por las normas, la corriente de cortocircuito será mayor, y la capacidad de soportar cortocircuito debe ser objeto de acuerdo particular con el constructor.

Como visto un incremento de la tensión de cortocircuito produce un valor distinto (mayor) de pérdidas en carga, con influencia también en el calentamiento, con incidencia en el costo de los órganos de refrigeración de la máquina y en la potencia por éstos absorbida.

Como conclusión se puede afirmar que la tensión de cortocircuito tiene una influencia no despreciable en la seguridad de funcionamiento de grandes transformadores. Las corrientes de cortocircuito están estrechamente ligadas con las solicitaciones electrodinámicas que deben soportar los arrollamientos, es decir transformadores de una misma potencia con tensiones de cortocircuito más elevadas están menos solicitados que aquellos con tensiones de cortocircuito menores.

En el apéndice 13 se desarrolla un ejemplo en el que se impone un valor de impedancia y se analiza su influencia en el peso (costo) de la máquina.

Para el cálculo de la corriente de falla monofásica en el sistema eléctrico, está difundido encarar el problema con el método de las componentes simétricas. Se justifica entonces el punto que sigue.

Las propiedades de las componentes simétricas tienen las siguientes consecuencias prácticas con respecto a las corrientes y tensiones.

Los transformadores y reactores tienen iguales parámetros de impedancia de secuencia positiva y negativa, que se obtienen directamente de los ensayos de rutina.

Sin embargo la impedancia de secuencia cero es diferente. Puede ocurrir que transformadores que tienen iguales valores de impedancia de secuencia positiva tengan distintos valores de impedancia de secuencia cero dependiendo del tipo de circuito magnético, de la conexión y ubicación de los diferentes devanados, de la forma de guiar el flujo disperso, etc.

En algunos casos, la impedancia de secuencia cero puede no ser lineal, la impedancia varia con el valor de la corriente, debido a la saturacion.

Se trata de estudiar una falla monofásica, se determinan los circuitos de impedancia de secuencia directa, inversa y cero, se alimentan con tensión de secuencia directa, y conectándolos adecuadamente se resuelve el problema y se obtienen las corrientes de secuencia. Estas se transforman a valores de fase, análogamente las tensiones.

Frente a este problema es necesario para el transformador, como para otros elementos del circuito determinar la impedancia de secuencia cero.

Recordemos que una corriente de secuencia cero sólo puede presentarse cuando la suma de los tres vectores de corriente (correspondientes a las fases) no es igual a cero, esto implica la presencia de un cuarto conductor (que puede ser la conexión a tierra del neutro, eventualmente a través de una impedancia).

En cambio si analizamos el funcionamiento de un transformador con corrientes de secuencia directa, es fácil observar que está ligado a los parámetros de impedancia de cortocircuito y de vacío, este comportamiento es igual cuando se invierte el sentido cíclico de la tensión de alimentación inyectándose corriente de secuencia inversa (las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales).

Para determinar la impedancia de secuencia cero de un elemento de la red es necesario alimentarlo con un generador monofásico, con sus tres bornes de línea conectados entre si, medir la corriente en la fase (corriente homopolar), en el neutro se observará tres veces la corriente de fase (corriente en el neutro).

Si entre bornes de línea y neutro hubiera una impedancia Z₁, y el neutro tuviera impedancia nula la impedancia a la secuencia cero será igual a Z₁.

Si además hubiera impedancia de neutro Z_g la impedancia de secuencia cero será Z₁ + 3 ´ Z_g , el factor 3 es debido a la corriente que circula por el neutro que es 3 veces la corriente de fase (en efecto se suman las tres corrientes de fase, homopolares).

Para los transformadores trifásicos de dos arrollamientos, la impedancia de secuencia directa se mide desde un arrollamiento con el otro en cortocircuito.

Si se mide a circuito abierto se obtendrá la impedancia de la rama en derivación (excitación).

En rigor la impedancia de secuencia directa obtenida por medición, está dada por el paralelo de la impedancia de dispersión y la impedancia de excitación.

Para los transformadores de tres arrollamientos trifásicos se miden tres pares de impedancias (binarias) las que permiten construir una estrella de impedancias equivalente.

Para la impedancia de secuencia cero la cosa es menos evidente, se usan distintos circuitos de medición, las normas indican métodos de medición de secuencia cero, conviene separar el análisis considerando:

- Transformadores de dos arrollamientos

- Transformadores de tres arrollamientos

En cada situación influyen las conexiones D, Y, Z de los arrollamientos, si su eventual neutro esta o no a tierra. Ademas influyen el circuito magnético (núcleo) en modo más o menos importante y la cuba. Distintos casos pueden forzarse asimilándolos unos a otros.