Finalidad y Uso del Transformador

El transformador es un dispositivo fundamental en los sistemas eléctricos, cuya finalidad principal es adaptar los valores de tensión e intensidad de una corriente alterna, permitiendo su transporte y distribución eficiente.

Principio de Funcionamiento del Transformador

El transformador es una máquina eléctrica estática y reversible que modifica los valores de tensión e intensidad para una potencia dada, manteniendo constante la frecuencia de la red. Su funcionamiento se basa en el principio de la inducción electromagnética: al conectar el devanado primario a una fuente de tensión alterna, se origina un campo magnético variable que atraviesa el devanado secundario, induciendo en este una fuerza electromotriz (FEM) y, por ende, una tensión.

Constitución y Elementos del Transformador

Configuración Interna

Circuito Magnético y Circuitos Eléctricos

• El circuito magnético (o núcleo) está compuesto por un conjunto de chapas de acero de bajo espesor, apiladas y aisladas entre sí para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault. Siempre estará conectado a tierra. Existen dos tipos principales de núcleos: en columna o acorazado.
• Los circuitos eléctricos están formados básicamente por dos bobinas, denominadas primario y secundario, devanadas sobre el núcleo magnético.

Clasificación de Devanados por Tensión y Disposición

Otra clasificación se realiza según el valor de la tensión en cada devanado: el bobinado de AT (Alta Tensión) corresponde al arrollamiento con mayor tensión, y el bobinado de BT (Baja Tensión) al de menor tensión. Existen dos tipos de disposición de los devanados:

• Concéntricos: Los devanados se distribuyen a lo largo de toda la columna. El devanado de tensión inferior se sitúa en la parte más cercana al núcleo, aislado de este y del devanado de mayor tensión.
• Alternados: Los devanados se dividen en un núcleo de bobinas dispuestas de forma alternada en las columnas del núcleo.

Elemento Refrigerante y Sistema de Refrigeración

El elemento refrigerante es crucial, ya que tanto el núcleo como los bobinados generan calor y van inmersos en un medio que ayuda a disipar las altas temperaturas. La designación del sistema de refrigeración sigue un código estandarizado:

• Primera letra: Medio de refrigeración interno
  • O: Aceite mineral (Oil), punto de inflamación < 300ºC
  • K: Líquido aislante, punto de inflamación > 300ºC
  • L: Líquido aislante, punto de inflamación no medible
• Segunda letra: Modo de circulación del medio de refrigeración interno
  • N: Circulación natural
  • F: Circulación forzada
  • D: Circulación forzada dirigida
• Tercera letra: Medio de refrigeración externo
  • A: Aire (Air)
  • W: Agua (Water)
• Cuarta letra: Circulación del fluido externo
  • N: Convección natural
  • F: Circulación forzada

El tipo de fluido refrigerante depende de la potencia y la tensión del transformador. Por ejemplo, los transformadores de poca potencia y baja tensión suelen tener aislamiento seco y el aire actúa como refrigerante. En cambio, los de gran potencia y Alta Tensión (AT), las bobinas suelen estar inmersas en aceite mineral o encapsuladas en resina.

Configuración Externa

Los principales elementos externos de un transformador incluyen:

• Cuba: Depósito que contiene el líquido refrigerante.
• Bornes o pasatapas: Elementos de conexión eléctrica con la red. Comúnmente, 3 bornes para Media Tensión (MT) y 4 bornes para Baja Tensión (BT).
• Depósito de expansión de aceite: Permite la expansión y contracción del aceite debido a los cambios de temperatura, evitando sobrepresiones.
• Placa de características: Contiene toda la información técnica relevante del transformador (potencia, tensiones, corrientes, grupo de conexión, etc.).
• Conmutador de tensiones en vacío: Permite ajustar la relación de transformación en vacío, generalmente con 5 posiciones en el lado de Alta Tensión (AT).

Clasificación de los Transformadores

Los transformadores pueden clasificarse según diversos criterios:

• Según su función:
  • Elevador: Aumenta la tensión (tensión mayor en el secundario).
  • Reductor: Reduce la tensión (tensión mayor en el primario).
• Según su potencia transformada:
  • De potencia: Utilizados para el transporte y distribución de energía eléctrica en grandes redes.
  • De medida: Reducen los valores de tensión o corriente a proporciones medibles para instrumentación (transformadores de tensión o de intensidad).
  • De comunicaciones: Adaptan impedancias en circuitos de comunicación y electrónica.
• Según su refrigerante:
  • Secos: Sin líquido refrigerante, el aislamiento es sólido y la refrigeración por aire.
  • De baño de aceite: Inmersos en aceite mineral o sintético que actúa como aislante y refrigerante.
• Según el tipo de refrigeración:
  • Natural: Por convección natural del aire o del líquido.
  • Forzada: Con ayuda de bombas o ventiladores para mejorar la disipación de calor.
• Según el sistema de corrientes:
  • Monofásicos: Para sistemas de una fase.
  • Trifásicos: Para sistemas de tres fases.

Transformador de Distribución

Los transformadores de distribución son típicamente de Media Tensión (MT) a Baja Tensión (BT), y pueden ser de tipo seco o de baño de aceite. Los refrigerantes más comunes incluyen:

• Aceite mineral
• Aceite de silicona
• Resina

Designación de Bornes

La designación de bornes sigue una nomenclatura específica para identificar las fases y el neutro en los devanados primario y secundario. Ejemplos comunes incluyen:

• Primario: 1U, 1V, 1W (o A, B, C)
• Secundario: 2u, 2v, 2w, 2n (o a, b, c, n)

Funcionamiento en Régimen de Vacío

El funcionamiento en régimen de vacío ocurre cuando el devanado primario está conectado a una fuente de tensión alterna, pero el secundario no tiene ninguna carga conectada. En este estado, la relación entre las tensiones primaria (V1) y secundaria (V2) viene dada por la relación entre el número de espiras de los devanados (N1 y N2, respectivamente), conocida como relación de transformación (m):

m = V1 / V2 = N1 / N2

Funcionamiento en Régimen de Carga

El funcionamiento en régimen de carga se produce cuando se conecta una impedancia de carga (Z) al devanado secundario (N2) del transformador, permitiendo la circulación de corriente en ambos devanados y la transferencia de potencia.

Características Generales de los Transformadores de Distribución

• Potencia nominal: Valor de potencia aparente (en kVA o MVA) que el transformador puede suministrar de forma continua sin exceder los límites de temperatura.
• Tensión nominal primaria (V1n): Tensión de alimentación para la cual el transformador ha sido diseñado.
• Tensión máxima de servicio: Máxima tensión a la que el transformador puede operar en régimen permanente de forma segura.
• Tensión nominal del secundario (V2n): Tensión en el devanado secundario cuando el transformador opera en vacío y con la tensión nominal primaria aplicada. Ejemplos de clases de tensión comunes en BT:
  • Clase B1: 230V
  • Clase B2: 400V
• Intensidad nominal primaria (I1n): Corriente que circula por el devanado primario cuando el transformador opera a plena carga y tensión nominal.
• Intensidad nominal secundaria (I2n): Corriente que circula por el devanado secundario cuando el transformador opera a potencia nominal.
• Tensión de cortocircuito (Ucc): Es la tensión que debe aplicarse al devanado primario para que, estando el devanado secundario en cortocircuito, circule por ambos devanados su intensidad nominal. Se expresa generalmente como un porcentaje (%) de la tensión nominal del primario.

Transformadores Trifásicos

Un transformador trifásico puede considerarse como la conexión de tres transformadores monofásicos idénticos. Generalmente, se emplea un único núcleo con tres columnas alineadas, sobre las cuales se arrollan los bobinados de cada fase.

Conexión de Devanados

Las conexiones más comunes para los devanados de los transformadores trifásicos son:

• Conexión en Estrella (Y): Cada fase soporta una tensión menor que la tensión de línea de la red (V_fase = V_línea/√3). Esto permite utilizar menos espiras por fase, aunque con mayor sección de conductor para la misma potencia.
• Conexión en Triángulo (D): Cada bobinado soporta la tensión de línea completa. Requiere un mayor número de espiras por fase, pero con menor sección de conductor para la misma potencia.
• Conexión en Zig-zag (Z): Se utiliza principalmente para evitar desequilibrios en cargas monofásicas. Consiste en dividir el bobinado de cada fase en dos mitades y bobinarlas en sentido contrario en columnas consecutivas, conectándolas en serie y cerrando en estrella. Ofrece una buena capacidad para manejar cargas desequilibradas.

Grupos de Conexión e Índice Horario

El grupo de conexión es un conjunto de letras y un número que designa las conexiones de los devanados primario y secundario, así como el desfase angular entre sus tensiones. El índice horario es el número (de 0 a 11) que, multiplicado por 30º, define el ángulo de desfase entre las tensiones de línea del primario y del secundario. Para visualizarlo, se puede imaginar la aguja del minutero de un reloj representando la tensión primaria (siempre en las 12) y la aguja de las horas representando la tensión secundaria.

Dispositivos para la Protección del Transformador

Los transformadores están expuestos a diversos defectos que pueden comprometer su funcionamiento y vida útil. Estos pueden clasificarse en:

• Condiciones externas:
  • Sobrecarga: Exceso de corriente demandada por la carga.
  • Cortocircuito: Conexión de baja impedancia entre fases o fase y tierra.
  • Sobretensión / Reducción de frecuencia: Variaciones anómalas en los parámetros de la red.
• Fallos internos:
  • Mal funcionamiento: Desgaste o averías de componentes internos.
  • Cortocircuito entre espiras: Fallo del aislamiento entre espiras del mismo devanado.
  • Defectos fase-carcasa: Fallo del aislamiento entre una fase y la carcasa (tierra).
  • Problemas en el circuito magnético: Saturación, calentamiento excesivo, etc.

Elementos de Protección del Transformador

Para mitigar estos riesgos, los transformadores incorporan diversos elementos de protección:

• Fusibles: Protección contra sobrecorrientes y cortocircuitos.
• Interruptor automático: Dispositivo de protección y maniobra que interrumpe el circuito en caso de fallo.
• Termómetro: Monitoriza la temperatura del aceite o de los devanados para evitar sobrecalentamientos.
• Relé Buchholz: Detecta fallos internos (arcos, sobrecalentamientos) mediante la acumulación de gases o el flujo rápido de aceite.
• Relé integrado DGPT: Dispositivo que combina funciones de detección de gases, presión y temperatura.
• Desecador de silicagel: Absorbe la humedad del aire que entra en el depósito de expansión, protegiendo el aceite aislante.
• Válvula de sobrepresión: Libera la presión interna excesiva en caso de fallo grave, evitando la explosión de la cuba.

Pérdidas en el Transformador

Los transformadores son máquinas de alta eficiencia, con un nivel de pérdidas relativamente bajo. Las pérdidas principales se clasifican en:

• Pérdidas en el cobre (Pcu): También conocidas como pérdidas por efecto Joule, ocurren en los devanados debido a la resistencia de los conductores.
• Pérdidas en el hierro (Pfe): También conocidas como pérdidas en el núcleo, se producen en el material ferromagnético del núcleo.

Pérdidas en el Cobre (Pcu)

Estas pérdidas se calculan para cada devanado y se suman para obtener el total:

• En el bobinado primario: Pcu1 = R1 * I1^2
• En el bobinado secundario: Pcu2 = R2 * I2^2
• Pérdidas totales en el cobre: PcuT = Pcu1 + Pcu2 = R1 * I1^2 + R2 * I2^2

Pérdidas en el Hierro (Pfe)

Las pérdidas en el hierro se deben principalmente a dos fenómenos:

• Corrientes de Foucault
• Histéresis magnética

Pérdidas por Corrientes Parásitas de Foucault

Cuando un material conductor (como el núcleo del transformador) es sometido a variaciones de campo magnético, se inducen en él unas corrientes parásitas (corrientes de Foucault) que circulan en bucles cerrados. Estas corrientes generan calor en el núcleo, lo que se traduce en pérdidas de energía. Las pérdidas por Foucault aumentan con la frecuencia de la corriente y el espesor de las chapas del núcleo. Para minimizarlas, se utilizan diferentes tipos de núcleos:

• Núcleos de chapa: Compuestos por una serie de chapas ferromagnéticas de pequeño grosor, apiladas y aisladas entre sí. Son ideales para bajas frecuencias, ya que las chapas permiten el paso del flujo magnético pero limitan la circulación de las corrientes de Foucault al ser perpendiculares a estas.
• Núcleos de ferrita: Utilizados para frecuencias altas, ya que están fabricados con materiales que presentan una alta permeabilidad magnética y una alta resistividad, lo que reduce significativamente las corrientes de Foucault.
• Núcleos de aire: Para frecuencias muy altas, se recurre a dejar la bobina sin núcleo ferromagnético, utilizando solo aire como medio. Esto elimina las pérdidas en el hierro, aunque reduce la inductancia.

Pérdidas por Histéresis Magnética

La histéresis magnética es el fenómeno por el cual un material ferromagnético mantiene una magnetización residual incluso después de que el campo magnético externo que la originó haya cesado. En un transformador, el campo magnético es alterno, lo que implica una magnetización y desmagnetización constante del núcleo. La energía necesaria para revertir esta magnetización en cada ciclo se disipa en forma de calor, constituyendo las pérdidas por histéresis. La representación gráfica de este fenómeno es el ciclo de histéresis, que muestra la evolución de la inducción magnética en función de la intensidad del campo magnético. La magnitud de estas pérdidas depende directamente del tipo de material ferromagnético (chapa magnética) empleado en el núcleo.

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