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Jorge Patricio Muñoz Vizhñay
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1.- Introducción.
2.- Definiciones fundamentales
3.- Principio de funcionamiento de un transformador
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Transformador elementalTransformador elemental
Se utilizan en redes eléctricas para convertir
tensiones o voltajes (mono...
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El silicio (Si) incrementa la resistividad del material
y reduce las corrientes parásitas
En la construcción del núcleo ...
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Aspectos
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circuito magnético
Montaje de láminas de silicio en un transformador de
pequeña potencia.
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El núcleo puede
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circuito magnético
Montaje de láminas de silicio en un transformador
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chapas magnéticaschapas magnéticas
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circuito magnético
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chapas magnéticaschapas magnéticas
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Aspectos constructivos:
devanados y aislamientos
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Aspectos constructivos:
Relé Buchholz
El relé Buchholz es un dispositivo que se monta en algunos transformadores (de po...
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Para transformadores de pequeñas potencias, la superficie externa
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constructivos:
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El aceite puede experimentar un proceso de envejecimiento lo que
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Transformador seco
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Circuito equivalente
En la práctica, debido al reducido valor de I0 frente a las corrientes I1 e I2 se suele
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Circuito equivalente
De esta manera el circuito resultante tendrá una impedancia serie: R cc + j Xcc (resistencia
y rea...
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Transformadores Parte I. Aspectos constructivos. Principio de funcionamiento

1.- Introducción
2.- Aspectos constructivos
3.- Principio de funcionamiento de un transformador ideal
4.- Funcionamiento de transformador real
5.- Circuito equivalente de un transformador

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Transformadores Parte I. Aspectos constructivos. Principio de funcionamiento

  1. 1. 1 Jorge Patricio Muñoz Vizhñay
  2. 2. 2 1.- Introducción. 2.- Definiciones fundamentales 3.- Principio de funcionamiento de un transformador
  3. 3. 3 Transformador elementalTransformador elemental Se utilizan en redes eléctricas para convertir tensiones o voltajes (monofásicas o trifásicas) en otros valores de mayor o menor tensión e igual frecuencia. El transformador ideal considera nula las pérdidas de potencia y energía, con lo cual: Potencia entrada ≅ Potencia salida El número de espiras de las bobinas o devanados son directamente proporcionales a las tensiones e inversamente proporcionales a las intensidades. Cuando el transformador es elevador: V2>V1; I2<I1 Cuando el transformador es reductor: V2<V1; I2>I1 Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia aparente (S), Tensiones (U), Corrientes (I) y frecuencia (f) Secundario I1 I2 Núcleo de chapa magnética aislada Primario Flujo magnético Introducción Es una máquina eléctrica estática destinada a funcionar en corriente alterna, constituida por dos arrollamientos, primario y secundario.
  4. 4. 4 El silicio (Si) incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parásitas En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con silicio (Si) de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox. Aspectos constructivos: circuito magnético Dispone de: a) Núcleo b) Devanados o bobinados c) Sistema de refrigeración d) Aisladores pasantes y otros elementos Las chapas se aíslan mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por laminación en frio: aumenta la permeabilidad. El material más utilizado es la chapa de silicio de grano orientado por la capacidad que tiene para orientar el campo electromagnético sin que se produzcan grandes calentamientos por perdidas.
  5. 5. 5 En los transformadores de gran potencia se intercalan entre las chapas canales de ventilación para evacuar el calor. Aspectos constructivos: circuito magnético Mediante este procedimiento se obtienen factores de relleno del 95-98% Otro aspecto característico constituyen las secciones transversales de las columnas. En transformadores pequeños se construyen en forma cuadrada y en mayores potencias con la bobina circular la sección es tipo "cruciforme ".
  6. 6. Aspectos constructivos: circuito magnético Montaje de láminas de silicio en un transformador de pequeña potencia.
  7. 7. 7 1 2 3 4 5 El núcleo puede tener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular Montaje chapas núcleo Corte a 90ºCorte a 90ºCorte a 90ºCorte a 90º Corte a 45ºCorte a 45ºCorte a 45ºCorte a 45º Aspectos constructivos: circuito magnético
  8. 8. 1 2 3 4 5 Aspectos constructivos: circuito magnético Montaje de láminas de silicio en un transformador
  9. 9. 9 Fabricación núcleo:Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticas Aspectos constructivos: circuito magnético
  10. 10. 10 600-5000 V 4,5 - 60 kV > 60 kV Diferentes formas constructivas de devanados segúnDiferentes formas constructivas de devanados según tensión y potenciatensión y potencia Se realizan mediante conductores de cobre en forma de hilos redondos para diámetros inferiores a 4 mm y sección rectangular para mayores secciones. Los conductores de los devanados están aislados entre sí con una capa de barniz para secciones circulares o con fibra de algodón o cinta de papel impregnado en aceite para secciones (pletinas) rectangulares. Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
  11. 11. 11 Estructura deEstructura de devanados dedevanados de transformadorestransformadores Aspectos constructivos: devanados y aislamientos Los devanados pueden ser concéntricos o alternados. Los devanados concéntricos tienen forma de cilindros coaxiales, el de BT generalmente esta más cercano del núcleo por la facilidad de aislar. En los devanados alternados se subdividen en secciones o "galletas" de tal forma que las partes de AT y BT se suceden alternativamente.
  12. 12. 12 EstructuraEstructura devanados:devanados: transformadortransformador monofásicomonofásico Núcleo con 2Núcleo con 2 columnascolumnas Núcleo con 3Núcleo con 3 columnascolumnas SecundariSecundari oo PrimarioPrimario PrimarioPrimario SecundarioSecundario AislanteAislante ConcéntricoConcéntrico SecundariSecundari oo AislanteAislante PrimarioPrimario PrimarioPrimario AislanteAislante AlternadoAlternado SecundariSecundari oo Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
  13. 13. 13 EstructuraEstructura devanados:devanados: transformadortransformador trifásicotrifásico Núcleo con 3 columnasNúcleo con 3 columnas PrimarioPrimario SecundarioSecundario AislanteAislante Aspectos constructivos: devanados y aislamientos Núcleo acorazadoNúcleo acorazado
  14. 14. 14 Fabricación núcleo:Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticas Bobinado deBobinado de conductores:conductores: devanadosdevanados Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
  15. 15. 15 Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
  16. 16. 16 Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
  17. 17. 17 11 NúcleoNúcleo 1’1’ PrensaculatasPrensaculatas 22 DevanadosDevanados 33 CubaCuba 44 Aletas refrigeraciónAletas refrigeración 55 AceiteAceite 66 Depósito expansiónDepósito expansión 77 Aisladores (BT y AT)Aisladores (BT y AT) 88 JuntaJunta 99 ConexionesConexiones 1010 Nivel aceiteNivel aceite 1111 - 12- 12 TermómetroTermómetro 13 - 1413 - 14 Grifo de vaciadoGrifo de vaciado 1515 Cambio tensiónCambio tensión 1616 Relé BuchholzRelé Buchholz 1717 Cáncamos transporteCáncamos transporte 1818 Desecador aireDesecador aire 1919 Tapón llenadoTapón llenado 2020 Puesta a tierraPuesta a tierra Aspectos constructivos: refrigeración
  18. 18. 18 Aspectos constructivos: Relé Buchholz El relé Buchholz es un dispositivo que se monta en algunos transformadores (de potencia) en baño de aceite que van equipados con un depósito externo de expansión en su parte superior. El relé Buchholz se usa como dispositivo de protección contra fallos del dieléctrico en el interior del equipo por la descomposición química del aceite. Los gases que fluyen hacia el conservador de aceite o la onda expansiva generada por la formación rápida de gases activa el sistema de alarma del relé de Buchholz. Si el nivel de aceite en el conservador queda por debajo de un valor determinado o sea si el conservador pierde aceite, el relé de Buchholz toma la función de un indicador del nivel de aceite.
  19. 19. 19 Aspectos constructivos: refrigeración Para transformadores de pequeñas potencias, la superficie externa es suficiente para evacuar el calor lo que da lugar a transformadores secos. Para potencias elevadas se emplea el transformador sumergido en aceite teniendo la doble misión de refrigerar y aislar. El aceite mineral procede de un subproducto de la destilación fraccionada del petróleo.
  20. 20. 20 Aspectos constructivos: refrigeración El aceite puede experimentar un proceso de envejecimiento lo que indica que se oxida y polimeriza notándose la presencia de lodo, proceso activado por la temperatura, la humedad y el contacto con el oxígeno del aire. Para evitar la entrada de humedad se coloca en el transformador un desecador de cloruro cálcico o un gel de sílice.
  21. 21. 21 Aspectos constructivos: refrigeración El bifenilo ploriclorado (PCB) es un aceite de compuesto químico formado por cloro, carbón e hidrógeno. El PCB es resistente al fuego, muy estable, no conduce electricidad y tiene baja volatilidad a temperaturas normales. Éstas y otras características han hecho ideal para los transformadores. Pero estas cualidades hacen al PCB peligroso para el ambiente, especialmente su resistencia extrema a la ruptura química y biológica a través de procesos naturales.
  22. 22. 22 Aspectos constructivos: refrigeración Estudios del PCB determinan los efectos que produce en la salud de los seres humanos. Los científicos convienen en que es poco probable que la baja exposición a los PCBs, a corto plazo, genere lesiones serias. Sin embargo, la mayoría coincide sobre los efectos adversos provocados por la exposición a largo plazo, incluso en concentraciones bajas.
  23. 23. 23 Transformadores en baño de aceite Aspectos constructivos: transformadores trifásicos Un transformador en baño de aceite con circulación natural por convección refrigerado por aire con movimiento natural se designa ONAN. Si el movimiento del aire se hace con ventiladores se denomina ONAF.
  24. 24. 24 Transformador seco OFAF Aspectos constructivos: transformadores trifásicos
  25. 25. 25 5 MVA5 MVA Baño deBaño de aceiteaceite 2,5 MVA2,5 MVA Baño de aceiteBaño de aceite 1,250 MVA1,250 MVA Baño de aceiteBaño de aceite 10 MVA10 MVA Sellado con NSellado con N22 10 MVA10 MVA Sellado con NSellado con N22 Aspectos constructivos: transformadores trifásicos
  26. 26. 26 10 MVA10 MVA Sellado con NSellado con N22 10 MVA10 MVA Sellado con NSellado con N22 Aspectos constructivos: transformadores trifásicos El aceite circula alrededor de los devanados hacia los radiadores donde el calor es cedido al exterior. Para potencias elevadas, se pasa aire forzado producido por ventiladores sobre los radiadores. En transformadores de varios MVA’s se puede refrigerar mediante un intercambiador de calor aceite-agua. El aceite caliente se bombea a través de un serpentín en contacto con el agua fría.
  27. 27. 27 Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva. Aspectos constructivos: transformadores trifásicos
  28. 28. 28 Secciones de transformadores en aceite y secosSecciones de transformadores en aceite y secos Seco En aceite Aspectos constructivos: transformadores trifásicos Seco
  29. 29. 29 Secciones de transformadores secosSecciones de transformadores secos Seco Aspectos constructivos: transformadores trifásicos
  30. 30. 30 Transformador seco OFAF Aspectos constructivos: transformadores trifásicos
  31. 31. 31 Transformador seco OFAF Aspectos constructivos: transformadores trifásicos
  32. 32. 32 Transformador seco Aspectos constructivos: aisladores pasantes Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite. Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
  33. 33. 33 Transformador seco Aspectos constructivos: aisladores pasantes Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite. Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
  34. 34. 34 Transformador seco Aspectos constructivos: aisladores pasantes Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite. Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
  35. 35. 35 Transformador seco Aspectos constructivos: aisladores pasantes Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite. Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
  36. 36. 36 Transformador seco Aspectos constructivos: potencias comerciales Monofásicos (kVA) Trifásicos (kVA) 5 15 10 25 15 30 25 45 37,5 50 50 75 75 100 112,5 Transformadores de DistribuciónTransformadores de Distribución Monofásicos (kV) Trifásicos (kV) 13,2 / √3 13,2 13,8 / √3 13,8 22 / √3 22 2 x 120 V (BT) 3x210 V o 3 x 220 V (BT)
  37. 37. 37 Transformador seco Aspectos constructivos: potencias comerciales Placas de Transformadores de DistribuciónPlacas de Transformadores de Distribución
  38. 38. 38 Transformador seco Aspectos constructivos: potencias comerciales Símbolos empleados para designar un transformadorSímbolos empleados para designar un transformador
  39. 39. 39 Transformador seco V2(t)V2(t) V1(t)V1(t) I0(t) I2(t)=0 e1(t)e1(t) e2(t)e2(t) φ (t)φ (t) R devanados = 0R devanados = 0 Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío Debido a la variación periódica del flujo se crean fem’s inducidas en los arrollamientos que de acuerdo a la ley de Faraday se tiene: dt dφ Ne dt dφ Ne 22 11 = = El transformador ideal asume lo siguiente: 1)Los devanados tienen resistencias óhmicas despreciables lo que no hay pérdidas Joule y no existen caídas de tensión resistivas. 2)No existen flujos de dispersión y todo el flujo magnético esta confinado en el núcleo enlazando el devanado primario y secundario.
  40. 40. 40 Transformador seco V2(t)V2(t) V1(t)V1(t) I0(t) I2(t)=0 e1(t)e1(t) e2(t)e2(t) φ (t)φ (t) R devanados = 0R devanados = 0 Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío e1(t) representa la fcem porque se opone a la tensión aplicada U1(t) y limita la corriente del primario. e2(t) representa la fem inducida por efecto del primario. Se parte de un flujo senoidal: Derivando y reemplazando: Lo que indica que las tensiones y fem´s van adelantadas 90 respecto al flujo, siendo sus valores eficaces. Dividiendo una expresión para la otra resulta: m N N E E V V 2 1 2 1 2 1 === m2 m2 22 m1 m1 11 φN*f*4,44 2 ωφN EV φN*f*4,44 2 ωφN EV === === tcosωωφNve tcosωωφNev m222 m111 ∗== ∗== )90tcos(wφtsenωφφ o mm −∗=∗=
  41. 41. V2(t)V2(t) V1(t)V1(t) I0(t) I2(t)=0 e1(t)e1(t) e2(t)e2(t) φ (t)φ (t) R devanados = 0R devanados = 0 Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío El transformador ideal sin carga o en vacío se comportará como una bobina con núcleo de hierro, en este caso el transformador absorberá una corriente de vacío I0. La corriente I0 forma un ángulo φ0 con la tensión aplicada V1. De esta manera la potencia absorbida en vacío P0, será igual a las pérdidas en el hierro PFe, cumpliéndose: 001Fe0 cosIVPP ϕ==
  42. 42. V2(t)V2(t) V1(t)V1(t) I0(t) I2(t)=0 e1(t)e1(t) e2(t)e2(t) φ (t)φ (t) R devanados = 0R devanados = 0 Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío La I0 tiene dos componentes, una activa IFe y otra reactiva Iᵤ IFe IFe Iµ Iµ V1=E1 V1=E1 V2=E2 V2=E2
  43. 43. 43 V2(t)V1(t) I1(t) I2(t) P2P1 P=0 Considerando el transformador ideal donde la conversión se realiza sin pérdidas: Pot entrada ≅ Pot salida P1 ≅ P2 V1*I1 = V2*I2 P1 ≅ P2 V1*I1 = V2*I2 Considerando que la tensión del secundario con carga es la misma que en vacío: V2vacío ≅ V2carga Las relaciones de tensiones y corrientes son INVERSAS El transformador no modifica la potencia que se transfiere, tan solo altera la relación entre tensiones y corrientes φ (t)φ (t) Principio de funcionamiento Relación entre corrientes 1 2 2 1 I I V V m == m I I 2 1 =
  44. 44. 44 V2(t)V1(t) I1(t) I2(t) P2P1 Pnúcleo Considerando las pérdidas en el transformador, la corriente primaria será: Principio de funcionamiento Relación entre corrientes φ (t)φ (t) m 2 0201 I IIII +=+= , Ecuación que expresa la relación entre la corriente primaria I1, de vacío I0 y secundaria I2. La corriente I1 tiene dos componentes: 1.La corriente de excitación o vacío I0 produce el flujo magnético en el núcleo y vence las pérdidas a través de sus componentes IFe e Iᵤ. 2.La corriente de carga I2’ que equilibra o contrarresta la acción desmagnetizante de la fmm secundaria para que el flujo en el núcleo permanezca constante e independiente de la carga.
  45. 45. 45 φ (t) Flujo de dispersión: se cierra por el aire V2V1 I2(t)=0I0 Representación simplificada del flujo de dispersión en el devanado primario. El flujo producido por la bobina se reparte en una parte en el aire y otra en el núcleo. Representación simplificada del flujo de dispersión en el devanado primario. El flujo producido por la bobina se reparte en una parte en el aire y otra en el núcleo. En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de dispersión. En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de dispersión. En serie con el bobinado primario se colocará una resistencia interna del devanado y una reactancia de dispersión que será la que genere el flujo de dispersión. En serie con el bobinado primario se colocará una resistencia interna del devanado y una reactancia de dispersión que será la que genere el flujo de dispersión. I2=0 V2V1 φ (t) I0 R1 Xd1 Flujo de dispersión Resistencia interna e1(t) Principio de funcionamiento de un transformador real )jX(RIEeIjXIRV d110110d1011 ++=+∗+∗=
  46. 46. 46 V1 φ (t) I1 R1 Xd1 Flujo deFlujo de dispersióndispersión ResistenciResistenci aa internainterna e1(t) V2 R2 ResistenciResistenci aa internainterna Xd2 Flujo deFlujo de dispersióndispersión I2e2(t) El bobinado secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia de dispersión como el primario. Donde e1 y e2 son las fem’s, resulta E1 y E2 en valores eficaces (donde øm es el flujo máximo que circula por le circuito magnético): Principio de funcionamiento de un transformador real con carga m2 m1 φNf4,44 φNf4,44 ∗∗∗= ∗∗∗= 2 1 E E 2222 1111 IIEV IIEV ∗−∗−= ∗+∗+= 22 11 jXR jXRA Xd1 y Xd2 se ha denominado con X1 y X2 denominadas reactancias de dispersión. dt dφ Ne dt dφ Ne 22 11 = =
  47. 47. 47 V1 φ (t) I1 R1 X1 Flujo deFlujo de dispersióndispersión ResistenciResistenci aa internainterna e1(t) V2 R2 ResistenciResistenci aa internainterna X2 Flujo deFlujo de dispersióndispersión I2e2(t) Principio de funcionamiento de un transformador real con carga 22 11 EV EV ≈ ≈ m N N E E 2 1 2 1 == m V V 2 1 ≈ La relación entre los valores eficaces será: Las caídas de tensión a plena carga en las resistencias y reactancias parásitas son muy pequeñas del orden del 1,0 al 10% de V1 por lo que las relaciones se convierten en:
  48. 48. 48 Se tiene la ventaja de desarrollar circuitos eléctricos equivalentes de máquinas eléctricas para aplicar el potencial de la teoría de los circuitos eléctricos. El circuito equivalente se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras. Generalmente se reduce el secundario al primario y se marca a los elementos del secundario referido al primario con una tilde. X1 V2’V1 R1 R2’X2’ I2’ I1 Xµ Iµ RFe IFe I0 Circuito equivalente de un transformador realCircuito equivalente de un transformador real Circuito equivalente 22 VmV ∗=, m I I 2 2 =, 2 2 2 RmR ∗=, 2 2, 2 XmX ∗= L 2, L ZZ ∗= m
  49. 49. 49 X1 V2’V1 R1 R2’=m2 R2X2’=m2 X2 I2’ I1 Xµ Iµ RFe IFe I0 Circuito equivalente de un transformador realCircuito equivalente de un transformador real El circuito equivalente permite calcular todas las variables incluidas pérdidas y rendimiento. Los elementos del circuito equivalente se obtienen mediante ensayos o pruebas. Una vez resuelto el circuito equivalente los valores reales del lado secundario pueden ser obtenidos pasando del primario al secundario con la relación de transformación. Circuito equivalente La importancia de la reducción de los devanados al haber elegido la igualdad N 2’=N1 radica en que se puede obtener el transformador sin función de transformación, es decir se sustituye los devanados acoplados magnéticamente por un circuito eléctrico acoplado eléctricamente.
  50. 50. 50 Circuito equivalente En la práctica, debido al reducido valor de I0 frente a las corrientes I1 e I2 se suele trabajar con un circuito equivalente aproximado que se obtiene trasladando la rama en paralelo a los bornes de entrada del primario. Circuito equivalente aproximado de unCircuito equivalente aproximado de un transformador reducido al primariotransformador reducido al primario R1 R1 X1 X1 R2 ’R2 ’ X2 ’X2 ’ V1 V1 V2’V2’ I1 I1 I2’I2’I0 I0
  51. 51. 51 Circuito equivalente De esta manera el circuito resultante tendrá una impedancia serie: R cc + j Xcc (resistencia y reactancia de cortocircuito). Circuito equivalente aproximado de unCircuito equivalente aproximado de un transformador reducido al primariotransformador reducido al primario Rcc Rcc Xcc Xcc V1 V1 V2’V2’ I1(t)I1(t) I2’(t)I2’(t)I0 I0 ' 21cc ' 21cc XXX RRR += +=

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