Transformador: Fundamentos y Funcionamiento

Un transformador es una máquina eléctrica estática que funciona según el principio de la inducción magnética. Está compuesto por un devanado primario, al cual se aplica una fuerza electromotriz que induce una corriente inductora, y un devanado secundario, donde se induce de forma estática una segunda fuerza electromotriz.

Relación de Transformación

La relación de transformación se define como la relación entre el número de espiras del primario (n1) y el número de espiras del secundario (n2), y se representa por la letra M:

M = n1/n2 = v1/v2 = I2/I1

Pérdidas en un Transformador

Las pérdidas en un transformador son inevitables y afectan su eficiencia. Las principales fuentes de pérdidas son:

1. Reductancia del circuito magnético: Un mayor valor de reductancia implica mayores pérdidas. La elección adecuada del material del núcleo puede disminuir este efecto.

2. Resistencia de los devanados: La resistencia que el conductor presenta al paso de la corriente.

3. Pérdidas en el hierro por corrientes de Foucault: Estas corrientes producen pérdidas por el exceso de calor. Un núcleo construido con finas chapas magnéticas disminuye estas pérdidas.

4. Histéresis magnética: La selección de materiales con un ciclo de histéresis estrecho disminuye las pérdidas por este efecto.

5. Pérdidas por dispersión del flujo magnético: La carga influye negativamente en el rendimiento y la relación de transformación. El uso de configuraciones de núcleo adecuadas, como en los transformadores acorazados, reduce la dispersión.

Terminales Homólogos

Los terminales homólogos son los bornes de ambos devanados en los que el sentido de la corriente es el mismo en un instante determinado.

Asignación de Terminales Homólogos

La asignación se establece durante el arrollamiento de los devanados sobre el núcleo. Los terminales que se arrollan en el mismo sentido son homólogos. La identificación de los terminales homólogos es importante, especialmente en transformadores con devanados unidos en grupos de bobinas conectados entre sí para obtener diferentes valores de tensión.

Devanados

Los devanados se montan sobre un circuito magnético cerrado, como el de un transformador. Los terminales homólogos se suelen indicar con un punto.

Clasificación de Transformadores

Los transformadores se pueden clasificar según:

• Nivel de tensión
• Número de fases de alimentación
• Construcción

Al aplicar tensión alterna a cualquiera de los devanados, se obtiene en el otro una tensión proporcional a la relación de transformación. Los transformadores se clasifican como reductores o elevadores.

• Reductores: Transforman la tensión aplicada al primario en una tensión menor en el secundario (ej., electrodomésticos).
• Elevadores: La tensión secundaria es mayor que la aplicada en el primario (ej., líneas de distribución).

Tipos de Transformadores: Monofásicos y Trifásicos

Transformadores Monofásicos

Constituidos por un devanado primario y un secundario. El primario se alimenta típicamente con 230V, y el secundario proporciona una tensión similar proporcional a la relación de transformación. Algunos modelos disponen de conexiones múltiples.

Transformadores Trifásicos

Contienen tres grupos de bobinas, uno por devanado, que se pueden conectar en estrella, triángulo o zig-zag. Se alimentan con corriente alterna trifásica, obteniendo en el secundario una tensión proporcional al primario según la relación de transformación.

Autotransformadores

Formados por un solo devanado con tomas para el primario y el secundario, compartiendo una toma común. El diagrama del número de espiras indica la tensión más alta, la intermedia y la menor, según el número de espiras utilizado.

La relación de transformación en un autotransformador es similar a la de un transformador convencional.

Clasificación por Construcción

Los transformadores presentan diferentes configuraciones según el tipo de núcleo y la disposición de los devanados.

Transformador Monofásico de Columnas

Ambos devanados están montados en diferentes columnas del núcleo.

Transformadores Acorazados

Comúnmente utilizados para transformadores monofásicos, emplean un núcleo cerrado de tres columnas, donde la columna central es el doble de ancha que las laterales.

Transformadores Trifásicos de Tres Columnas

Utilizados para sistemas trifásicos, el núcleo consta de tres columnas de igual tamaño, cada una con el primario y secundario correspondientes a cada fase.

Transformadores Trifásicos de Cinco Columnas

En estos, las columnas exteriores se dejan sin bobinas, reduciendo la reactancia en la culata y el campo de dispersión.

Transformadores Toroidales

El núcleo tiene forma de disco o toroide, ofreciendo ventajas como mejor rendimiento, menor ruido, menores pérdidas por corrientes de Foucault y tamaño reducido.

Materiales Constructivos de Transformadores

Circuito Eléctrico

• Hilo de cobre esmaltado
• Carretes para alojar los devanados
• Aislantes

Circuito Magnético

• Chapas magnéticas

La chapa magnética se utiliza para construir el núcleo del transformador, donde se producen las mayores pérdidas.

El hilo de cobre esmaltado, al conducir corriente eléctrica, genera pérdidas de potencia en el cobre.

Las chapas normalizadas para transformadores de pequeña potencia (hasta 1500 voltios) se distribuyen en formas E-I.

Los carretes aislantes alojan los devanados del transformador.

Características de un Transformador

• Tensión del primario: Tensión de alimentación del devanado primario (en voltios).
• Tensión del secundario: Tensión en el devanado secundario (en voltios).
• Caída de tensión: Diferencia entre la tensión de entrada y la tensión de salida.
• Corriente primaria: Corriente en el devanado primario (en amperios).
• Corriente secundaria: Corriente en el devanado secundario (en amperios).
• Frecuencia: Frecuencia de la tensión de red (en hercios).
• Potencia aparente (S): Producto de la tensión secundaria por la corriente que circula por el devanado secundario (en voltiamperios).
• Densidad de corriente: Cantidad de corriente eléctrica por unidad de superficie.