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TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS
DESCRIPCIÓN DE UN TRANSFORMADOR
Los transformadores son máquinas estáticas con dos devanados de corriente alterna arrollados sobre un núcleo magnético (Fig. 1). El devanado por donde entra energía al transformador se denomina primario y el devanado por donde sale energía hacia las cargas que son alimentadas por el transformador se denomina secundario. El devanado primario tiene N1 espiras y el secundario tiene N2 espiras. El circuito magnético de esta máquina lo constituye un núcleo magnético sin entrehierros, el cual no está realizado con hierro macizo sino con chapas de acero al silicio apiladas y aisladas entre sí (véanse las Figs. 2, 3 y 4). De esta manera se reducen las pérdidas magnéticas del transformador.
Fig. 1: Principio de funcionamiento de un transformador monofásico
Al conectar una tensión alterna V1 al primario, circula una corriente por él que genera un flujo alterno en el núcleo magnético. Este flujo magnético, en virtud de la Ley de Faraday* , induce en el secundario una fuerza electromotriz (f.e.m.) E2 que da lugar a una tensión V2 en bornes de este devanado. De esta manera se consigue transformar una tensión alterna de valor eficaz V1 en otra de valor eficaz V2 y de la misma frecuencia. Nótese que esta máquina sólo vale para transformar tensiones alternas, pero no sirve para tensiones continuas. El devanado de alta tensión (A.T.) es el de mayor tensión y el devanado de baja tensión (B.T.) es el de menor tensión. Un transformador elevador tiene el lado de baja tensión en el primario y el de A.T. en el secundario. Un transformador reductor tiene el lado de alta tensión en el primario y el de B.T. en el secundario. El transformador es una máquina reversible. Un mismo transformador puede alimentarse por el lado A.T. y funcionar como transformador reductor o alimentarse por el lado de B.T. y actuar como un transformador elevador.
*** La Ley de Faraday** (o ley de inducción electromagnética) establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que lo atraviesa.
Conceptos clave
Inducción Electromagnética: Es el proceso de generar una corriente eléctrica a partir de un campo
magnético variable.
Flujo Magnético (Φ): Representa la "cantidad" de magnetismo que pasa a través de una superficie
(como una bobina).
Fuerza Electromotriz (FEM): Es el voltaje o tensión inducida que impulsa la corriente en el
circuito
Fórmula matemática
La expresión más común de esta ley, que incluye la Ley de Lenz para indicar la dirección de la corriente, es:
Transformadores Reductores (Step-Down)
Estos dispositivos están diseñados para disminuir el voltaje de salida con respecto al de entrada.
Funcionamiento: El número de espiras en el devanado primario es mayor que en el secundario.
Aplicaciones:
o Fuentes de alimentación de electrodomésticos.
o Subestaciones que bajan la alta tensión de la red a voltajes domésticos (110V/220V).
o Cargadores de teléfonos móviles y computadoras.
Transformadores Elevadores (Step-Up)
Su función principal es aumentar el voltaje de salida con respecto al de entrada.
Funcionamiento: El devanado primario tiene menos espiras que el secundario.
Aplicaciones:
o Centrales eléctricas para elevar la tensión antes del transporte de energía.
o Sistemas de transmisión a largas distancias para reducir las pérdidas de energía por calor.
o Equipos de rayos X y antiguos televisores de tubo.
Transformadores de Aislamiento (Isolation)
Tienen una relación de transformación de 1:1, lo que significa que el voltaje de entrada y salida es el mismo.
Su propósito no es cambiar el voltaje, sino aislar galvánicamente dos circuitos.
Funcionamiento: Ambos devanados tienen el mismo número de vueltas.
Ventajas:
o Seguridad: Evitan descargas eléctricas accidentales al separar físicamente la conexión a
tierra del circuito de uso.
o Protección de equipos: Filtran el ruido eléctrico y protegen componentes electrónicos
sensibles.
Aplicaciones:
o Equipos médicos y quirófanos.
o Laboratorios de electrónica y telecomunicaciones.
También existen otros tipos de transformadores trifásicos: de cinco columnas (con dos columnas adicionales sin devanados a ambos lados del núcleo magnético) y acorazados. En una red trifásica, además de un transformador trifásico, también se puede utilizar un banco de tres transformadores monofásicos. Los primarios de los tres transformadores monofásicos se pueden conectar en estrella o en triángulo y lo mismo pasa con los secundarios.
La Fig. 4 muestra la sección de una de las columnas de un transformador trifásico. En ella se aprecia como está construida a base de apilar chapas de acero de pequeño espesor y que, en este caso, tiene una sección escalonada y no rectangular, a diferencia de los transformadores de las Figs. 2. Esta forma escalonada para las columnas se adopta en transformadores a partir de cierta potencia, ya que proporciona a las espiras de los bobinados una forma más próxima a la circular, que es la que permite soportar mejor los esfuerzos mecánicos a los que se ven sometidas si se producen cortocircuitos. Las Figs. 2 y 3 muestran varios transformadores secos. En ellos el calor generado durante el funcionamiento de la máquina se evacua hacia el aire circundante a través de su superficie externa. Hoy en día se utilizan bastante los transformadores secos encapsulados en resina epoxi, en los cuales el devanado de alta tensión está totalmente encapsulado en una masa de resina epoxi. Estos transformadores son muy seguros al no propagar la llama y ser autoextinguibles.
Para potencias altas tradicionalmente se han empleado los transformadores en baño de aceite (Figs. 5), los cuáles tienen su parte activa (núcleo magnético y devanados) en el interior de una cuba llena de aceite mineral o aceite de siliconas. En estos transformadores el aceite realiza una doble función: aislante y refrigerante. El calor generado por la parte activa del transformador se transmite al aceite y este evacua el calor al aire ambiente a través de la superficie externa de la cuba. Para facilitar la transmisión de calor a través de la cuba ésta posee aletas o radiadores que aumentan su superficie externa. En algunos casos el aceite es refrigerado por otro fluido (por ejemplo, agua) a través de un intercambiador de calor.
El relé Buchholz detecta las burbujas de gas que se producen cuando se quema el aceite debido a un calentamiento anormal del transformador. Por lo tanto, este relé permite proteger al transformador de sobrecargas, cortocircuitos, fallos de aislamiento, etc. Hoy día los transformadores en baño de aceite son frecuentemente de llenado integral, en los cuáles la cuba es hermética y está completamente llena de aceite. La deformación de los pliegues de la cuba absorbe las presiones debidas a las dilataciones del líquido debidas al calor. Según la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), el tipo de refrigeración de un transformador se designa mediante cuatro letras. Las dos primeras se refieren al refrigerante primario (el que está en contacto directo con la parte activa de la máquina) y las dos últimas se refieren al refrigerante secundario (que enfría al refrigerante primario). De cada par de letras, la primera indica de qué fluido se trata y la segunda señala su modo de circulación (Tabla I).
Por consiguiente, en un transformador reductor la relación de transformación asignada es igual a la relación de transformación m, mientras que en un transformador elevador es igual a la inversa de m.
Relación de Transformación (m)
Para verlo mas detallado, la relación de transformación es la proporción física que determina cómo un
transformador cambia los niveles de voltaje y corriente entre sus devanados. Se define mediante la siguiente
igualdad:
CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO
El circuito equivalente de un transformador representa de una manera sencilla y bastante exacta el funcionamiento de un transformador real.
Mediante esta técnica, el análisis de un transformador se va a reducir a la resolución de un sencillo circuito eléctrico de c.a.
Separación de los efectos de las resistencias y de los flujos de dispersión. Convenios de signos
En la Fig. 8 está representado el esquema de un transformador real en carga. En él están reflejados los convenios de signos que se van a utilizar en este texto para analizar esta máquina. Es preciso señalar que otros autores emplean unos convenios de signos diferentes, lo que deberá ser tenido en cuenta por el lector si consulta otros libros. Para las corrientes y los flujos se ha adoptado un criterio de signos tal que cuando la corriente de primario, I1, es positiva crea (siguiendo la regla del sacacorchos) un flujo común, , positivo; pero una corriente secundaria, I2, positiva genera un flujo negativo. Los devanados tienen, respectivamente, unas resistencias R1 y R2 y generan unos flujos de dispersión d1 y d2, además del flujo común . El flujo d1 es la parte del flujo generado en el devanado primario que no es abrazada por el devanado secundario y el flujo d2 es la parte del flujo creado en el devanado secundario que no es abrazada por el devanado primario. El convenio de signos adoptado para los flujos de dispersión es tal que una corriente I1 positiva genera un flujo de dispersión d1 positivo y, análogamente, una corriente I2 positiva da lugar a un flujo d2 positivo. Las líneas de campo magnético correspondientes a los flujos de dispersión tienen un recorrido que incluye el núcleo magnético (de hierro), pero también el fluido que rodea al núcleo y, en su caso, la cuba del transformador. Esto significa que los flujos d1 y d2 circulan en gran medida fuera del hierro (luego, apenas les afecta el grado de saturación que exista en el núcleo magnético) y, además, sólo son debidos a una de las corrientes I e I2, respectivamente.
Por consiguiente, su efecto equivale al de unas bobinas con coeficientes de autoinducción prácticamente constantes dados por estas relaciones:
Las reactancias de dispersión X1 y X2 debidas a estos coeficientes de autoinducción valen:
donde f es la frecuencia.
Por lo tanto, para facilitar su análisis, el transformador de la Fig. 8 se lo sustituye por otro ideal en el que los devanados carecen de resistencia y de flujo de dispersión, pero al que se han conectado en serie con cada devanado una resistencia y una autoinducción para que se comporte como el transformador real de la Fig. 8. Así se obtiene el transformador de la Fig. 9.
V2 positiva tiende a que la corriente I2 sea negativa (como se ha representado en la Fig. 9). Observando la Fig. 9 se deduce que se verifican las siguientes relaciones:
