TRANSFORMADOR ELÉCTRICO
Un transformador es
una máquina estática de corriente alterno, que permite variar
alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la
potencia, en el caso de un transformador ideal.
Para lograrlo, transforma la
electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para
volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el
devanado secundario.
La importancia de los
transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo
de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la realización práctica
y económica del transporte de energía eléctrica a grandes
distancias.
Componentes de los
transformadores eléctricos
Los transformadores están
compuestos de diferentes elementos. Los componentes básicos son:
Modelización de un
transformador monofásico ideal
- Núcleo: Este elemento está
constituido por chapas de acero al silicio aisladas entre
ellas. El núcleo de los transformadores está compuesto por las columnas,
que es la parte donde se montan los devanados, y las culatas, que
es la parte donde se realiza la unión entre las columnas. El núcleo
se utiliza para conducir el flujo magnético, ya que es un gran conductor magnético.
- Devanados: El devanado es un hilo
de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y
recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto
por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relación de vueltas del
hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicará la relación
de transformación. El nombre de primario y secundario es totalmente
simbólico. Por definición allá donde apliquemos la tensión de entrada será
el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el secundario.
Esquema básico y
funcionamiento del transformador
Esquema básico de
funcionamiento de un transformador ideal
Los transformadores se basan
en la inducción electromagnética. Al aplicar una fuerza
electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un
flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado
primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza
electromagnética en el devanado secundario.
Según la Ley de
Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que
se produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente
continua el transformador no se puede utilizar.
La relación de transformación
del transformador eléctrico
Una vez entendido el
funcionamiento del transformador vamos a observar cuál es la relación de
transformación de este elemento.
Donde N p es
el número de vueltas del devanado del primario, N s el
número de vueltas del secundario, V p la tensión aplicada
en el primario, V s la obtenida en el secundario, I s la intensidad que llega al primario, I p la
generada por el secundario y r t la relación de
transformación.
Como observamos en este
ejemplo si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos que poner más
vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos
reducir la tensión del secundario.
Tipos de transformadores eléctricos
Hay muchos tipos de
transformadores pero todos están basados en los mismos principios básicos,
Pueden clasificarse en dos grandes grupos de tipos básicos:
transformadores de potencia y 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. Como ya se
ha explicado anteriormente en este recurso, su funcionamiento se basa en el
fenómeno de la inducción electromagnética.
- Transformadores
eléctricos elevadores
Los transformadores eléctricos
elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en relación al
voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del
devanado secundario es mayor al del devanado primario.
Modelización de un
transformador elevador
- Transformadores
eléctricos reductores
Los transformadores eléctricos
reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en relación al
voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del
devanado primario es mayor al secundario.
Podemos observar que cualquier
transformador elevador puede actuar como reductor, si lo conectamos al revés,
del mismo modo que un transformador reductor puede convertirse en elevador.
Modelización de un
transformador reductor
Modelización de un
autotransformador
Se utilizan cuando es
necesario cambiar el valor de un voltaje, pero en cantidades muy pequeñas. La solución consiste
en montar las bobinas de manera sumatoria. La tensión, en este caso, no se
introduciría en el devanado primario para salir por el secundario, sino que
entra por un punto intermedio de la única bobina existente.
Esta tensión de entrada (V p)
únicamente recorre un determinado número de espiras (N p),
mientras que la tensión de salida (V s) tiene
que recorrer la totalidad de las espiras (N s).
- Transformadores de
potencia con derivación
Son transformadores de
elevación o reducción, es decir, elevadores o reductores, con un número de
espiras que puede variarse según la necesidad. Este número de espiras se puede
modificar siempre y cuando el transformador no esté en marcha. Normalmente la diferencia
entre valores es del 2,5% y sirve para poder ajustar el transformador a su
puesto de trabajo.
Transformadores eléctricos de
medida
Sirven para variar los valores
de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir sin peligro.
- Transformadores
eléctricos de intensidad
El transformador de
intensidad toma una muestra de la corriente de la línea a través del
devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro para medirlo. Su devanado
secundario está enrollado alrededor de un anillo de material ferromagnético y
su 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.
- Transformador
eléctrico potencial
Se trata de una máquina con un
devanado primario de alta tensión y uno secundario de baja tensión. Su única
misión es facilitar una muestra del primero que pueda ser medida por los
diferentes aparatos.
Posibles conexiones de un
transformador trifásico con la fuente de alimentación
Transformadores trifásicos
Debido a que el transporte y
generación de electricidad se realiza de forma trifásica, se han construido
transformadores de estas características.
Hay dos maneras de
construirlos: una es mediante tres transformadores monofásicos y la otra con
tres bobinas sobre un núcleo común.
Esta última opción es mejor
debido a que es más pequeño, más ligero, más económico y ligeramente más
eficiente.
La conexión de este
transformador puede ser:
- Estrella-estrella
- Estrella-triángulo
- Triángulo-estrella
- Triángulo-triángulo
Transformador ideal y
transformador real
En un transformador ideal, la
potencia que tenemos en la entrada es igual a la potencia que tenemos en la
salida, esto quiere decir que:
Pero en la realidad, en los
transformadores reales existen pequeñas pérdidas que se manifiestan en
forma de calor. Estas pérdidas las causan los materiales que componen un
transformador eléctrico.
En los conductores de los
devanados existe una resistencia al paso del corriente que tiene relación con la
resistividad del material del cual están compuestos. Además, existen
efectos por dispersión de flujo magnético en los
devanados. Finalmente, hay que considerar los posibles efectos por
histéresis o las corrientes de Foucault en el núcleo del
transformador.
Pérdidas en los
transformadores reales
Las diferentes
pérdidas que tiene un transformador real son:
- Pérdidas en el cobre: Debidas a la
resistencia propia del cobre al paso de la corriente
- Pérdidas por corrientes
parásitas: Son producidas por
la resistencia que presenta el núcleo ferro magnético al ser atravesado
por el flujo magnético.
- Pérdidas por histéresis: Son provocadas por
la diferencia en el recorrido de las líneas de campo magnético cuando
circulan en diferente sentido cada medio ciclo.
- Pérdidas a causa de los
flujos de dispersión en el primario y en el secundario: Estos flujos
provocan una auto inductancia en las bobinas primarias y secundarias.
Aplicaciones de los
transformadores
Los transformadores son
elementos muy utilizados en la
red eléctrica.
Una vez generada la
electricidad en el generador de las centrales, y antes de
enviarla a la red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la
tensión y reducir así las pérdidas en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los
transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los
que podamos trabajar.
Los transformadores también
son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos electrónicos,
ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al
suministrado por la red
Por último hacer mención a que
uno de los elementos de seguridad eléctrica del hogar utiliza transformadores.
Se trata del diferencial .
Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra
con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10 mA
desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.
