27 Jun
Introducción a los Transformadores Eléctricos
Un transformador (comúnmente abreviado como trafo) es una máquina eléctrica estática que opera bajo el principio de la inducción electromagnética. Está compuesto por dos devanados principales: un devanado primario (o devanado 1), al cual se le aplica una fuerza electromotriz (FEM) que genera una corriente inductora, y un devanado secundario (o devanado 2), en el cual se induce una segunda fuerza electromotriz.
Pérdidas en los Transformadores
Pérdidas por Reluctancia del Circuito Magnético
La reluctancia del circuito magnético es un factor clave: cuanto mayor sea, mayores serán las pérdidas. Estas pérdidas se minimizan con una selección adecuada del material del núcleo.
Pérdidas por Resistencia de los Devanados
Estas pérdidas se deben a la resistencia que el material conductor de los devanados opone al paso de la corriente eléctrica (efecto Joule).
Pérdidas en el Hierro por Corrientes de Foucault
Las corrientes de Foucault (o corrientes parásitas) son corrientes inducidas en el núcleo magnético que generan pérdidas por calentamiento. Cuanto mayor sea el grosor del material del circuito magnético, mayores serán estas pérdidas. Su impacto se reduce significativamente mediante el uso de finas chapas magnéticas laminadas en la construcción de los núcleos.
Pérdidas por Histéresis Magnética
La histéresis magnética representa la energía disipada en cada ciclo de magnetización y desmagnetización del núcleo. Una cuidadosa selección de los materiales ferromagnéticos permite obtener un ciclo de histéresis lo más estrecho posible, lo que a su vez disminuye estas pérdidas.
Pérdidas por Dispersión de Flujo Magnético
Estas pérdidas se manifiestan en cada uno de los devanados y varían en función de la carga, afectando negativamente el rendimiento y la relación de transformación. Se pueden reducir eficazmente utilizando un transformador de tipo acorazado.
Ensayos Fundamentales en Transformadores
Ensayo en Vacío
El ensayo en vacío consiste en alimentar el devanado primario con su tensión y frecuencia nominales, dejando el devanado secundario sin carga (circuito abierto).
Ensayo en Cortocircuito
El ensayo en cortocircuito implica hacer circular por el devanado primario su intensidad nominal a su frecuencia nominal, mientras el devanado secundario se encuentra en cortocircuito.
Conceptos Clave en Transformadores
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.
Devanados
Los devanados son las bobinas de hilo conductor que se montan sobre un circuito magnético cerrado, como el de un transformador. Los terminales homólogos suelen marcarse con un punto para su identificación.
Materiales Constructivos de los Transformadores
Circuito Eléctrico
Hilo de Cobre Esmaltado
El hilo de cobre esmaltado es el material principal para las bobinas de los devanados. Al conectarse a la corriente alterna (CA), estas bobinas se comportan como cualquier otro receptor, y la circulación de corriente eléctrica a través de ellas genera pérdidas de potencia en el cobre (pérdidas óhmicas).
Carrete Aislante
El carrete aislante es una estructura de material aislante rígido, con dimensiones normalizadas, diseñada para alojar y soportar los devanados del transformador.
Aislantes
Se utilizan diversos materiales aislantes (como laminados, tubos flexibles, etc.) para garantizar el aislamiento eléctrico entre las espiras, capas y devanados, así como entre los devanados y el núcleo.
Circuito Magnético
Chapa Magnética
La chapa magnética es el material fundamental para la construcción del núcleo del transformador, donde se concentran las mayores pérdidas magnéticas.
Chapa Normalizada para Transformadores
Existen chapas normalizadas, como las utilizadas para transformadores de pequeña potencia (ej. hasta 1500 VA), que cumplen con especificaciones técnicas para optimizar su rendimiento.
Clasificación de los Transformadores
Por Nivel de Tensión
Los transformadores son dispositivos reversibles; es decir, si se aplica una tensión alterna a cualquiera de sus devanados, se obtiene en el devanado opuesto otra tensión proporcional. Según esta característica, se clasifican en:
- Reductores: La tensión en el secundario (V2) es menor que la aplicada en el primario (V1). Son comunes en electrodomésticos.
- Elevadores: La tensión en el secundario (V2) es mayor que la aplicada en el primario (V1). Se utilizan frecuentemente en líneas de distribución de energía.
Por Número de Fases de Alimentación
Monofásicos
Están constituidos por dos devanados. El devanado primario se alimenta con un sistema monofásico (ej. 230V), y en el secundario se obtiene un sistema proporcional en función de la relación de transformación. En ocasiones, uno de los devanados puede disponer de un sistema multitoma para variar la tensión de salida.
Trifásicos
Formados por tres grupos de bobinas, una por cada fase, que pueden conectarse entre sí de diferentes formas (estrella, triángulo, zigzag). Se alimentan mediante un sistema trifásico de corriente alterna (CA), y en el secundario se obtiene un sistema proporcional en función de la relación de transformación.
Por su Construcción
Presentan diferentes configuraciones en función del diseño del núcleo y la disposición de los devanados.
Transformador Monofásico de Columnas
En este tipo, ambos devanados se montan en diferentes columnas del núcleo. No es común en transformadores comerciales debido a que ocupan más espacio que los diseños acorazados.
Transformador Monofásico Acorazado
Es el tipo de transformador monofásico más utilizado. Consiste en un núcleo cerrado de tres columnas, donde la columna central es el doble de ancha que las laterales. Ambos devanados se bobinan en la columna central.
Transformador Trifásico de 3 Columnas
Es el transformador trifásico más común. Su núcleo está formado por tres columnas de igual tamaño. En cada una de ellas se ubican los devanados primario y secundario correspondientes a cada fase.
Transformador Trifásico de 5 Columnas
En este diseño, los devanados se alojan en las columnas centrales, dejando sin bobinas las columnas de los extremos. Con esta configuración se logra una reducción del campo de dispersión.
Transformador Trifásico Acorazado
Se utiliza en transformadores de muy alta potencia, comúnmente en centrales eléctricas y centros de transformación.
Transformador Toroidal
Su núcleo magnético tiene forma de disco o toroide. Presenta numerosas ventajas sobre los transformadores acorazados, como un mejor rendimiento, bajo nivel de ruido, menor calentamiento debido a las corrientes de Foucault y un tamaño más reducido. Sin embargo, sus desventajas incluyen una construcción más compleja y costosa en comparación con los transformadores de columnas.
Autotransformador
Un autotransformador se caracteriza por estar formado por un único devanado, el cual dispone de bornes tanto para el circuito primario como para el secundario, compartiendo ambos una toma común.
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