Transformadores eléctricos

Un transformador es un dispositivo electromagnético que convierte la energía eléctrica de un circuito a otro sin cambiar su frecuencia o potencia. Los transformadores contribuyen a mejorar la eficacia y la seguridad de los sistemas de energía eléctrica, ya que suben y bajan los niveles de tensión cuando es necesario. El transformador funciona sólo con una señal alterna a su entrada, pero con la adición de algunos dispositivos semiconductores, puede producir también señales de corriente continua (DC). Este artículo analiza los principales tipos, el cableado, las aplicaciones de los transformadores y cómo utilizar un transformador para producir corriente continua.

Índice de contenidos

• Principio de funcionamiento del transformador
• Construcción de transformadores
• Tipos de transformadores eléctricos
• Cableado y símbolo del transformador
• Transformadores de CC
• Transformador de aislamiento
• Aplicaciones de los transformadores

Principio de funcionamiento del transformador

Un transformador funciona según el principio de la inducción electromagnética, que establece que un conductor portador de corriente produce un campo magnético a su alrededor y viceversa. Un transformador consta de dos conjuntos de cables (véase la figura 2):

• Bobinado primario (A): recoge potencia
• Devanado secundario (B): proporciona energía

Los devanados primario y secundario se enrollan juntos en un núcleo de circuito de hierro magnético, pero estas bobinas no están en contacto entre sí, como se ve en la figura 2. El núcleo está hecho de un material magnético blando formado por laminaciones (Figura 2 etiquetada B) unidas entre sí para ayudar a reducir la pérdida del núcleo. La pérdida del núcleo es la pérdida de energía dentro del núcleo causada por un flujo magnético alterno. Un campo magnético inestable acaba destruyendo el funcionamiento del material del núcleo.

Cuando el devanado primario (figura 2 etiquetada A) se conecta a una fuente de alimentación alterna, la corriente fluye a través de la bobina y se induce un flujo magnético. Una parte de este campo magnético se enlaza con los devanados secundarios (Figura 2 etiquetada C) por inducción mutua, produciendo así un flujo de corriente y tensión en el lado secundario (carga). La tensión producida en el lado de la carga es proporcional al número de vueltas del devanado secundario en relación con el primario. La transformación de la tensión y la corriente vienen dadas por:

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

• V1: Tensión aplicada al devanado primario del transformador
• V2: Tensión producida en el devanado secundario (carga) del transformador
• N1: Número de vueltas del devanado primario
• N2: Número de vueltas del devanado secundario
• I1:Corriente en el devanado primario
• I2:Corriente en el devanado secundario

Construcción de transformadores

Dependiendo de cómo se enrollen los devanados primario y secundario alrededor del núcleo central de acero o hierro laminado, existen dos diseños básicos de construcción de transformadores:

• Transformador con núcleo: En un transformador de núcleo, las bobinas primarias y secundarias se enrollan en el exterior y rodean el anillo del núcleo, como se ve en la figura 3.
• Transformador tipo concha: En un transformador de tipo carcasa, los devanados primario y secundario pasan por el interior del núcleo magnético de acero, formando una carcasa alrededor de los devanados, como se ve en la figura 4.

Lea nuestro artículo sobre transformadores monofásicos para conocer la lista completa de piezas de los transformadores y sus funciones.

Construcción del núcleo del transformador

Transformadores con núcleo

En la construcción del transformador de tipo núcleo, la mitad del devanado se envuelve alrededor de cada pata (o miembro) del circuito magnético del transformador (Figura 3 etiquetada B). La mitad del devanado secundario y la mitad del devanado primario se colocan uno sobre otro concéntricamente en cada pata. Esto facilita un mayor acoplamiento magnético entre los devanados (Figura 3 etiquetada A). Esto permite que prácticamente todas las líneas de fuerza magnética pasen simultáneamente por los devanados primario y secundario. Sin embargo, con este tipo de construcción del transformador, un pequeño porcentaje de las líneas de fuerza magnética fluye fuera del núcleo (conocido como flujo de fuga).

Las bobinas cilíndricas tienen diferentes capas, y cada capa está aislada de la otra. Para el aislamiento se suelen utilizar materiales como el papel, la tela o la mica. Los devanados de baja tensión se colocan junto al núcleo, ya que son más fáciles de aislar.

Transformadores de carcasa

En un transformador de tipo carcasa, las bobinas primarias y secundarias están enrolladas y montadas en capas apiladas con aislamiento entre ellas (Figura 4 etiquetada A). Tanto el bobinado primario como el secundario se enrollan en el mismo miembro o pata central, que tiene el doble de sección transversal que los dos miembros exteriores. Un medio aislante adecuado separa ambos devanados. Dado que las bobinas primarias y secundarias se enrollan juntas, un transformador de carcasa tiene la ventaja de reducir las pérdidas en el núcleo y aumentar el rendimiento global.

Laminados de transformadores

Las laminaciones utilizadas en la construcción de transformadores son finas tiras de metal aislado unidas para producir un núcleo sólido pero laminado. Tener un gran núcleo de hierro macizo como material del núcleo magnético del transformador da lugar a problemas en el núcleo como las pérdidas por corrientes parásitas. De ahí que sea esencial dividir la trayectoria magnética en muchas formas finas de acero prensado denominadas laminaciones.

Las bobinas primarias y secundarias se enrollan primero en un formador de bobinas con una sección transversal rectangular, cilíndrica u ovalada que se adapta a la construcción del núcleo laminado. El formador de bobinas determina el espacio de trabajo, las vías de conexión y la dirección del flujo de calor. Las láminas individuales se estampan a partir de láminas de acero de mayor tamaño y se forman en finas tiras de acero que se asemejan a las letras "L", "E", "U" e "I", como se ve en la figura 6.

Tipos de núcleos de transformadores

Los estampados de laminación, cuando se conectan entre sí, forman la forma de núcleo requerida. Por ejemplo, las estampaciones "E" más una estampa "E" de cierre final dan un núcleo E-E, que forma un elemento de un núcleo de transformador estándar de tipo carcasa, como se ve en la figura 5. Las laminaciones individuales se unen fuertemente durante la fase de construcción para reducir la reluctancia del entrehierro en las juntas, produciendo así una densidad de flujo magnético altamente saturada.

Tipos de transformadores eléctricos

Transformador de núcleo y transformador de carcasa

Según su construcción, los transformadores se clasifican en transformadores de núcleo y transformadores de carcasa.

Transformador elevador y transformador reductor

Según su finalidad, los transformadores se clasifican en transformadores elevadores y transformadores reductores.

• Un transformador elevador aumenta la tensión en los devanados secundarios con respecto a la del lado primario (con la consiguiente disminución de la corriente).
• Un transformador reductor disminuye la tensión en los devanados secundarios con respecto a la del lado primario (con el consiguiente aumento de la corriente).

Transformador monofásico y transformador trifásico

En función de la alimentación, los transformadores se clasifican en monofásicos y trifásicos. Los transformadores monofásicos funcionan con una alimentación monofásica, mientras que los trifásicos lo hacen con una alimentación trifásica.

Transformador de potencia, transformador de distribución y transformador de instrumentación

En función de su uso, los transformadores se clasifican en:

• Transformador de potencia: Un transformador de potencia es un transformador convencional de alta potencia utilizado en las redes de transmisión.
• Transformador de distribución: Un transformador de distribución o transformador de servicio es un transformador que proporciona la transformación final de la tensión en el sistema de distribución de energía eléctrica. Estos transformadores reducen la tensión de las líneas de distribución al nivel utilizado por el cliente.
• Transformador de instrumentación: Los transformadores de medida proporcionan aislamiento y protección en relés y dispositivos de medición comerciales. Estos transformadores también miden una tensión muy alta que no puede ser medida por un voltímetro convencional. Existen dos tipos de transformadores de medida: el transformador de corriente y el transformador de tensión.

Cableado y símbolo del transformador

Los diagramas de cableado de los transformadores suelen estar impresos en la placa de características del transformador, tradicionalmente fijada en la superficie de la caja del transformador o impresa en el interior de la cubierta de los compartimentos de cableado. Los cables están marcados con una "H" (cables primarios) y una "X" (cables secundarios). Los devanados H se conectan a la fuente de alimentación y los X a la carga, como se ve en la figura 6.

Algunos transformadores tienen dos devanados, uno en el primario y otro en el secundario. Estos transformadores se denominan transformadores de doble tensión, y los múltiples devanados permiten la flexibilidad de crear varias tensiones para diferentes aplicaciones.

Piensa en un transformador de doble tensión de 240/480 V en el primario y 120/240 V en el secundario. Cada uno de los dos devanados primarios tiene una potencia nominal de 240V. Cada uno de los dos devanados secundarios tiene un valor nominal de 120 V. El valor nominal del lado primario de 240/480 V significa que cada una de las combinaciones de 240 V puede utilizarse para obtener una tensión neta del lado primario de 240 V o 480 V. Del mismo modo, la clasificación del lado primario de 120/240V significa que cada una de las combinaciones de 120V puede utilizarse para dar una tensión neta en el lado secundario de 120V o 240V.

Para diseñar un transformador de 480 V a 240 V (480 V en el primario y 240 V en el secundario), los devanados primarios se conectan en serie, con H1 y H4 conectados a una fuente de alimentación de 480 V. La tensión a través de HI y H2 es de 240 V, y la de H3 y H4 es de 240 V. Por lo tanto, al conectarlos en serie se obtiene una tensión primaria neta de 480 V. Con cada devanado primario recibiendo los 240V adecuados, cada devanado secundario recibe 120V. La conexión de los devanados secundarios en serie produce 240V a través de X1 y X4, como se muestra en la figura 7.

Si es necesario, el lado primario también puede conectarse a una alimentación de 240 V. Para ello, conecte H1 y H3 o H2 y H4 a una fuente de alimentación de 240 V. Para diseñar un transformador de 480 V a 120 V (480 V en el primario y 120 V en el secundario), los devanados primarios se conectan en serie, con H1 y H4 conectados a una alimentación de 480 V. Los devanados secundarios están conectados en paralelo (X1 a X3 y X2 a X4), como se ve en la figura 8.

Nota: La conexión de los devanados en paralelo debe hacerse con la debida precaución para evitar un cortocircuito que arruine el transformador cuando se energice. Utilice un voltímetro para asegurarse de que la conexión es correcta. Conecta X1 a X3, y luego conecta un voltímetro entre X2 y X4. Energice el primario y lea el voltímetro. Si la conexión es correcta, el voltímetro marcará cero. Si el voltímetro indica algo distinto de cero, compruebe todas las conexiones primarias y secundarias para asegurarse de que están conectadas exactamente como indica el fabricante.

Transformadores de CA a CC

Un transformador es un dispositivo estático que funciona según el principio de inducción mutua. Debe aplicarse una tensión alterna a los devanados primarios del transformador para crear un flujo magnético alterno en el lado primario que se enlace con los devanados secundarios para crear una tensión de carga proporcional. Una tensión continua no produce un campo o flujo magnético alterno; por lo tanto, un transformador no funciona con una potencia de entrada de corriente continua. Sin embargo, la tensión de salida alterna puede convertirse en una tensión continua correspondiente añadiendo componentes semiconductores adecuados, como un diodo y un condensador, a la salida del transformador.

Un rectificador es un circuito que convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC). Se puede utilizar un rectificador de media onda o un rectificador de onda completa para convertir una tensión alterna en tensión continua. Se aplica una tensión alterna (figura 9 denominada A) a los devanados primarios del transformador reductor (figura 9 denominada B). Se induce una tensión correspondiente en los devanados secundarios. El diodo (Figura 9 con la etiqueta D) se polariza hacia delante (estado ON) y conduce la corriente iniciando el flujo de corriente a través de la resistencia de carga (Figura 9 con la etiqueta R).

Un diodo permite que la corriente fluya en una dirección. Durante el ciclo negativo de la tensión de entrada, se induce una tensión negativa correspondiente en el lado secundario, y el diodo no conduce. Por lo tanto, no hay flujo a través de la resistencia de salida durante el ciclo negativo de la tensión de entrada, ya que el diodo se comporta como un circuito abierto (Ver Figura 10). Por lo tanto, la salida sólo da ciclos positivos alternativos.

Para las aplicaciones prácticas, se conecta un condensador a la salida en paralelo con la resistencia (véase la figura 11). El condensador actúa como un filtro para suavizar la tensión de salida pulsante hasta el nivel de CC adecuado (véase la figura 12). Lea nuestro artículo sobre transformadores de CA a CC para obtener más detalles.

En la figura 12 se muestran las formas de onda en varios puntos del rectificador.

• V_i: Tensión de entrada alterna aplicada
• V_o1: Salida del diodo formada por semiciclos positivos alternos
• V_o2: Salida de condensador que es una versión más suave de la salida de diodo, creando una tensión continua precisa.

Transformador de aislamiento

Los transformadores de aislamiento se utilizan para aislar dos circuitos eléctricos en un sistema eléctrico. Un transformador de aislamiento es similar a un transformador convencional con el mismo número de espiras en los devanados primario y secundario, creando así la misma tensión en los lados primario y secundario. Los transformadores de aislamiento se utilizan en dispositivos eléctricos como ordenadores, televisores, circuitos de relés de estado sólido y dispositivos electrónicos de potencia industriales.

Para aislar físicamente dos circuitos, "A" y "B", los devanados primarios del transformador de aislamiento se conectan al circuito "A", y los secundarios al circuito "B" La alimentación eléctrica en el primer circuito energiza el devanado primario del transformador de aislamiento, que a su vez crea una tensión y una corriente en el devanado secundario por inducción mutua. Como un transformador de aislamiento no cambia el valor de la corriente y la tensión en los devanados secundarios, el circuito "B" recibe la misma magnitud de corriente y tensión secundaria. Por lo tanto, los circuitos A y B están aislados eléctricamente, pero la energía se transfiere entre ellos, con el transformador de aislamiento actuando como un medio entre ellos.

Aplicaciones de los transformadores

1. Los transformadores reductores se utilizan en electrodomésticos, inversores, redes de distribución de energía y líneas de transmisión para reducir la tensión al nivel deseado.
2. Los transformadores elevadores se utilizan para distribuir la energía eléctrica. Estos transformadores también se utilizan para hacer funcionar motores eléctricos, máquinas de rayos X y hornos microondas.
3. Los transformadores de medida, como los transformadores de corriente y los transformadores de tensión, se utilizan para medir tensiones extremadamente altas en líneas de transmisión y también como dispositivos de aislamiento en contadores comerciales.
4. Los transformadores monofásicos se utilizan para elevar la potencia de los inversores domésticos o para reducir las señales de larga distancia, con el fin de alimentar los dispositivos electrónicos residenciales y comerciales ligeros.
5. Los transformadores trifásicos se utilizan en aplicaciones de generación y distribución de energía eléctrica. Pueden encontrarse en cargas industriales de alta potencia, como accionamientos de motores, rectificadores y otros equipos.