1. Conceptos Iniciales
Un transformador es una máquina eléctrica estática que funciona por el efecto de la inducción magnética. Está formado por un devanado primario, al que se le aplica una fuerza electromotriz capaz de hacer circular la corriente inductora, y por un devanado secundario, en el que se induce de forma estática una segunda fuerza electromotriz. Si los devanados primario y secundario son iguales en número de espiras (N) y diámetro del conductor, la fuerza electromotriz del primario es idéntica a la del secundario. De esto se deduce que si el devanado secundario dispone de un número de espiras diferente a las del primario, la fuerza electromotriz en sus bornes es proporcional a la relación entre dicho número de espiras.
1.1. Relación de Transformación
La relación entre las espiras del primario (N1) y las del secundario (N2) se denomina relación de transformación, se representa por m y se puede calcular mediante la expresión:
m = N1 / N2
1.2. Pérdidas en los Transformadores
Existen diversas pérdidas que afectan el rendimiento de un transformador y deben ser consideradas:
- Reluctancia del circuito magnético: Cuanto mayor es su valor, mayores pérdidas se producirán. Por lo tanto, una adecuada elección del tipo de material utilizado en el núcleo disminuirá dicho efecto.
- Resistencia de los devanados: Es la resistencia óhmica que el conductor presenta al paso de la corriente, generando pérdidas por efecto Joule (I2R).
- Pérdidas en el hierro por corrientes de Foucault: Las corrientes de Foucault (o parásitas) son corrientes inducidas en el núcleo que producen pérdidas por exceso de calor. Así, cuanto más ancho es el material de un circuito magnético, mayores son las pérdidas debidas a este efecto. El uso de finas chapas magnéticas apiladas y aisladas entre sí disminuye de forma considerable este tipo de pérdidas.
- Histéresis magnética: Este fenómeno se debe a la energía requerida para imanar y desimanar el material del núcleo en cada ciclo de la corriente alterna. La selección de materiales magnéticamente blandos permite que el ciclo de histéresis sea lo más estrecho posible, disminuyendo de esta forma las pérdidas debidas a este efecto.
- Dispersión del flujo magnético: No todo el flujo magnético generado por el devanado primario enlaza con el secundario (y viceversa). Este flujo de dispersión se presenta, en mayor o en menor medida, en cada uno de los devanados en función de la carga, influyendo de forma negativa en el rendimiento y en la regulación de tensión. Se reduce utilizando determinadas configuraciones del núcleo, como puede ser el uso del tipo acorazado.
1.3. Terminales Homólogos
Se denominan terminales homólogos u homónimos a los bornes de ambos devanados en los que el sentido instantáneo de la corriente (entrante o saliente) es el mismo, o bien, la polaridad instantánea de la tensión es la misma, para un instante determinado.
2. Clasificación de los Transformadores
Para la clasificación de los transformadores nos fijaremos principalmente en el nivel de tensión, el número de fases de alimentación y el modo de construcción.
2.1. Por Nivel de Tensión
Todos los transformadores son, en principio, reversibles. Esto quiere decir que si se aplica una tensión alterna a cualquiera de sus devanados, se obtiene en el devanado contrario otra tensión. Según la relación entre la tensión primaria y secundaria, se clasifican como reductores o elevadores.
Transformadores Reductores
Son aquellos que transforman la tensión aplicada al primario en una tensión menor en el secundario. Un ejemplo de este tipo de transformador es el utilizado en muchos electrodomésticos y fuentes de alimentación, que reducen la tensión de la red eléctrica (por ejemplo, de 230 V) a la tensión necesaria (5 V, 12 V, 24 V) para el funcionamiento de la circuitería interna del dispositivo.
Transformadores Elevadores
Tienen el efecto contrario, es decir, la tensión del secundario es de valor superior a la aplicada en el primario. Un ejemplo de este tipo de transformadores es el utilizado en las centrales eléctricas y en las líneas de distribución para facilitar el transporte de la energía, ya que a mayor tensión, menor es la corriente para una misma potencia y, por tanto, menor es la sección de los conductores eléctricos utilizados y menores las pérdidas por efecto Joule en las líneas.
Relación entre las corrientes que circulan por ambos devanados (idealmente):
m = V1 / V2 = I2 / I1
2.2. Por Número de Fases de Alimentación
Transformadores Monofásicos
Están constituidos por un devanado primario y otro secundario, montados sobre un núcleo magnético. En ocasiones, uno o los dos devanados de este tipo de transformador pueden disponer de un sistema de conexión multitoma (taps), que permite trabajar con diferentes valores de tensión o ajustar la relación de transformación.
Transformadores Trifásicos
Están constituidos por tres grupos de bobinas (devanados primarios y secundarios para cada fase), montados sobre un núcleo magnético común o tres núcleos monofásicos. Los devanados de cada fase pueden conectarse entre sí de diferentes formas (principalmente estrella (Y), triángulo (Δ) o zig-zag (Z)). Se alimentan mediante un sistema trifásico de corriente alterna; por tanto, en el secundario también se obtendrá un sistema trifásico similar, cuya tensión será proporcional a la del primario en función de la relación de transformación y el tipo de conexión.
2.3. Por Modo de Construcción y Diseño del Núcleo
Transformadores Monofásicos de Columnas
Ambos devanados (primario y secundario) están montados concéntricamente en una o ambas columnas del núcleo magnético, que suele tener forma rectangular.
Transformadores Monofásicos Acorazados
Consiste en utilizar un núcleo cerrado de tres columnas, en el que la columna central tiene una sección aproximadamente el doble de ancha que las laterales. En este caso, ambos devanados (primario y secundario) se encuentran bobinados en la columna central, quedando «acorazados» o rodeados por el material ferromagnético de las columnas exteriores, lo que ayuda a reducir la dispersión del flujo.
Transformadores Trifásicos de Tres Columnas
En este caso, el núcleo está formado por tres columnas de igual tamaño unidas por yugos superior e inferior. En cada una de ellas se disponen las bobinas del primario y secundario correspondientes a una de las fases.
Transformadores Trifásicos de Cinco Columnas
En las tres columnas centrales se alojan los devanados de las tres fases, dejando sin bobinas las dos columnas de los extremos. Con esta configuración se consigue una menor sección en la culata (yugos) y una reducción del campo de dispersión, además de un camino de retorno para los flujos de secuencia cero.
Transformadores Trifásicos Acorazados
Similar al monofásico acorazado pero para sistemas trifásicos, o bien utilizando tres unidades monofásicas acorazadas. Se utilizan especialmente en transformadores de muy alta potencia para centrales y centros de transformación.
Transformador Toroidal
El núcleo magnético tiene forma de anillo o toroide, generalmente construido enrollando una cinta de material ferromagnético. Los devanados se bobinan distribuidos a lo largo de este núcleo. Presenta numerosas ventajas frente a los de tipo columna o acorazados convencionales, siendo algunas de ellas: mejor rendimiento (menores pérdidas en el hierro y menor flujo de dispersión), bajo ruido audible, menor calentamiento debido a corrientes de Foucault y tamaño mucho más reducido para una misma potencia. Sin embargo, su construcción es más compleja y costosa.
Autotransformador
Un autotransformador es un transformador especial formado por un solo devanado continuo, del cual una parte es común tanto al circuito primario como al secundario. Dispone de bornes para la tensión mayor (que abarca todo el devanado, N1 espiras) y para la tensión menor (que utiliza una toma intermedia, N2 espiras). El autotransformador presenta ventajas como menor tamaño, peso y coste en comparación con un transformador de dos devanados de igual potencia, especialmente cuando la relación de transformación es cercana a la unidad. Permite utilizar un conductor de menor diámetro en la sección no común, reducir el número total de espiras y utilizar un núcleo de hierro de menor sección. Esto hace que el tamaño y el calentamiento sean menores y su coste de fabricación más bajo. Una característica funcional importante del autotransformador es la posibilidad de regular tensión de forma continua si la toma intermedia es variable (variac).
3. Materiales Constructivos de los Transformadores
Los materiales principales se agrupan según su función en el transformador:
- En el circuito eléctrico (devanados y aislamientos): Hilo de cobre o aluminio esmaltado para los devanados, carretes o formas para alojar los devanados, y aislantes de diferentes tipos (papel prespán, barnices, resinas, aceites dieléctricos, materiales laminados, tubos flexibles, etc.) para garantizar el aislamiento entre espiras, entre devanados y entre devanados y núcleo.
- En el circuito magnético (núcleo): La chapa magnética que constituye el núcleo.
La chapa magnética es el elemento con el que se construye el núcleo del transformador. En él se producen una parte importante de las pérdidas totales (denominadas pérdidas en el hierro o PFe), por lo que una buena elección de los materiales y su procesamiento es trascendental para optimizar el funcionamiento y rendimiento del transformador.
Dos son los efectos principales que hay que amortiguar en el núcleo para reducir dichas pérdidas:
- Corrientes parásitas o de Foucault.
- Ciclo de histéresis magnética.
Para evitar los efectos de las corrientes parásitas o de Foucault, el núcleo se constituye apilando finas chapas de acero al silicio (entre 0,23 y 0,5 mm de espesor, típicamente) debidamente aisladas eléctricamente entre sí por una fina capa de barniz o tratamiento superficial.
Cálculos Preliminares de Diseño (Ejemplos Incompletos)
Nota: Las siguientes expresiones son ejemplos simplificados o incompletos y su aplicación requiere un contexto y unidades específicas.
Paso 1: Sn = √S = … (Donde Sn podría ser la sección geométrica del núcleo en cm2 y S la potencia aparente del transformador en VA. Esta es una fórmula empírica.)
Paso 2: Nespiras = 108 / (4.44 × F × Xparam)
(Interpretación de la expresión original ‘4.44xFx‘. Aquí, ‘F’ es la frecuencia en Hz, y Xparam representaría un factor relacionado con el flujo magnético máximo en el núcleo (Φmax en Maxwells) o el producto de la inducción máxima (Bmax) y la sección efectiva del núcleo (Ae). El factor 108 es característico cuando se usan ciertas unidades (ej. Maxwells para el flujo). La expresión original es ambigua y requiere clarificación para su uso práctico.)
Paso 3: n1 = … (Podría referirse al número de espiras del devanado primario N1, o a las espiras por voltio.)