Qué es?

Los transformadores son elementos clave en el desarrollo de la industria eléctrica, ya que permiten el transporte de energía eléctrica a grandes distancias de manera práctica y económica. Un transformador eléctrico es una máquina estática de corriente alterna que puede modificar funciones de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo constante la frecuencia y la potencia en un transformador ideal.

El proceso de transformación se realiza cuando la electricidad que llega al devanado de entrada se convierte en magnetismo, para luego volver a transformarse en electricidad en el devanado secundario bajo las condiciones deseadas.

Componentes de un transformador eléctrico

Los transformadores están compuestos por diversos elementos, siendo los más importantes el núcleo y los devanados.

Núcleo del transformador

El núcleo de los transformadores está formado por chapas de acero al silicio aisladas entre sí. Este núcleo se compone de dos partes principales:

• Columnas: Son las partes donde se montan los devanados.
• Culatas: Son las partes que unen las columnas.

El núcleo se utiliza para conducir el flujo magnético debido a su excelente conductividad.

Devanado del transformador

El devanado está compuesto por un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y recubierto por una capa aislante, generalmente barniz. Este devanado incluye dos bobinas:

• Bobina primaria
• Bobina secundaria

La relación de vueltas del hilo de cobre entre el devanado primario y el secundario determina la relación de transformación. Es importante señalar que los términos “primario” y “secundario” son simbólicos; el devanado al que se aplica la tensión de entrada se denomina primario, mientras que el devanado de donde se obtiene la tensión de salida se llama secundario.

Principio de funcionamiento

El transformador opera basado en el principio de la inducción electromagnética de Faraday. Cuando una corriente alterna fluye a través de la bobina primaria, crea un campo magnético variable alrededor del núcleo. Este campo magnético induce una corriente en la bobina secundaria, que tiene un número de vueltas diferente. Este número diferente de vueltas entre las bobinas primarias y secundarias permite aumentar o disminuir el voltaje.

De acuerdo con la Ley de Lenz, para que se produzca esta variación de flujo, la corriente debe ser alterna. Por esta razón, los transformadores no pueden utilizarse con corriente continua.

Relación de transformación del transformador

La relación de transformación de un transformador se define mediante la siguiente ecuación:

Donde:

• Np es el número de vueltas del devanado primario.
• Ns es el número de vueltas del devanado secundario.
• Vp es la tensión aplicada en el primario.
• Vs es la tensión obtenida en el secundario.
• Is es la intensidad que llega al primario.
• Ip es la generada por el secundario.
• rt es la relación de transformación.

Según esta ecuación, si queremos aumentar la tensión en el secundario, necesitamos más vueltas en el devanado secundario (Ns). Por el contrario, si deseamos reducir la tensión en el secundario, debemos tener menos vueltas en Ns.

La tensión de entrada (Vp) solo recorre un determinado número de espiras (Np), mientras que la tensión de salida (Vs) debe recorrer la totalidad de las espiras (Ns).

Tipos de transformadores eléctricos

Aunque basados en los mismos principios básicos, existen varios tipos de transformadores que se clasifican en dos grandes grupos: transformadores de potencia y transformadores de medida.

Transformadores de potencia

Los transformadores eléctricos de potencia sirven para variar los valores de tensión de un circuito de corriente alterna, manteniendo su potencia. Su funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética.

1. Transformadores eléctricos elevadores

Aumentan el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada.

En estos transformadores, el número de espiras del devanado secundario es mayor que el del devanado primario.

2. Transformadores eléctricos reductores

Disminuyen el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada.

En estos transformadores, el número de espiras del devanado primario es mayor que el del secundario.

Nota: Cualquier transformador elevador puede actuar como reductor si se conecta al revés, y viceversa.

3. Autotransformadores

Utilizados para cambiar el valor de un voltaje en cantidades muy pequeñas.

Las bobinas se montan de manera sumatoria. La tensión no se introduce en el devanado primario para salir por el secundario, sino que entra por un punto intermedio de la única bobina existente.

Transformadores de medida

Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir sin peligro.

1.Transformadores eléctricos de intensidad

Toman una muestra de la corriente de la línea a través del devanado primario y la reducen hasta un nivel seguro para medirla. El devanado secundario está enrollado alrededor de un anillo de material ferromagnético, y el primario está formado por un único conductor que pasa por dentro del anillo. El anillo recoge una pequeña muestra del flujo magnético de la línea primaria, que induce una tensión y hace circular una corriente por la bobina secundaria.

2. Transformadores eléctricos de potencial

Facilitan una muestra del devanado primario de alta tensión que puede ser medida por diferentes aparatos.

Tienen un devanado primario de alta tensión y uno secundario de baja tensión.

Transformadores trifásicos

Dado que el transporte y la generación de electricidad se realizan de forma trifásica, se desarrollaron transformadores de estas características. Pueden crearse de dos maneras: mediante tres transformadores monofásicos o con tres bobinas sobre un núcleo común, siendo esta última opción más recomendable por ser más pequeña, ligera, económica y eficiente.

• Conexiones:
  • Estrella-estrella
  • Estrella-triángulo
  • Triángulo-estrella
  • Triángulo-triángulo

Transformador ideal vs. Transformador real

• Transformador ideal: La potencia de entrada es igual a la potencia de salida. Representación:

• Transformador real: Existen pequeñas pérdidas que se manifiestan en forma de calor, debido a los materiales que componen el transformador. Estas pérdidas pueden ser de diferentes tipos:
  • Pérdidas en el cobre: Debidas a la resistencia propia del cobre al paso de la corriente.
  • Pérdidas por corrientes parásitas: Causadas por la resistencia que presenta el núcleo ferromagnético al ser atravesado por el flujo magnético.
  • Pérdidas por histéresis: Provocadas por la diferencia en el recorrido de las líneas de campo magnético cuando circulan en diferente sentido cada medio ciclo.
  • Pérdidas por flujos de dispersión: En el primario y en el secundario, que provocan una autoinductancia en las bobinas.

Usos y Aplicaciones

1. Distribución de energía eléctrica: Transformadores en estaciones eléctricas cambian los niveles de voltaje para transmitir energía eficientemente a largas distancias y luego reducir el voltaje para su uso seguro en hogares y negocios.

2. Electrónica de consumo: Dispositivos como cargadores de teléfonos y adaptadores de corriente utilizan pequeños transformadores para convertir voltajes de red a niveles más bajos.
3. Equipos industriales: Máquinas y equipos industriales que requieren voltajes específicos para su funcionamiento.

4. Sistemas de comunicaciones: Para aislamiento y adaptación de impedancia en líneas de transmisión.