Funcionamiento y Componentes de los Transformadores Eléctricos

Introducción a los Transformadores

El transformador es una máquina eléctrica estática, destinada a funcionar con corriente alterna, constituida por dos arrollamientos (primario y secundario), que permite transformar la energía eléctrica con magnitudes de tensión (V) e intensidad (I) determinadas, a otras con valores, en general, diferentes.

Aspectos Constructivos

Un transformador consta fundamentalmente de las siguientes partes: núcleo, devanado, sistema de refrigeración y aisladores pasantes de salida.

Núcleo

Es el sistema que forma el circuito magnético, el cual está constituido por chapas de acero al silicio sometidas a un tratamiento especial, denominado carlite, que reduce las pérdidas en el hierro.

El circuito magnético está constituido por:

• Columnas: Donde se montan los devanados.
• Culatas: Unión entre las columnas.

Los espacios entre estas, por los que pasan los devanados, son las ventanas del núcleo. Según la posición relativa entre el núcleo y los devanados, se clasifican en acorazados y de columnas. Las uniones de las columnas con las culatas se llaman juntas. La culata superior se abre para poder introducir las bobinas y los aislantes. Las uniones pueden hacerse a tope (o plana) o al solape (entrelazada).

Devanados

Constituyen el circuito eléctrico del transformador y se realizan por medio de conductores de cobre. Los conductores están recubiertos por una capa aislante. Según sea la disposición de los devanados de Alta Tensión (AT) y Baja Tensión (BT), los devanados pueden ser concéntricos o alterados.

Sistemas de Refrigeración

Existen una serie de pérdidas que se transforman en calor y contribuyen al calentamiento de la máquina. Para evitar que esto afecte al aislamiento y la vida útil del transformador, es preciso dotarle de un buen sistema de refrigeración. En pequeñas máquinas es suficiente con una superficie externa. Para potencias elevadas, se utilizan transformadores en baño de aceite, dotándoles también de un depósito de expansión.

Aisladores Pasantes y Otros Elementos

Los bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana rellenos de aire o aceite. Los pasatapas de AT y BT se distinguen por su altura, siendo más altos cuanto mayor es la tensión.

Otro elemento que llevan los transformadores de gran potencia es el relé Buchholz, que protege la máquina de sobrecargas peligrosas, fallos de aislamiento, etc.

Placa de Características del Transformador

Es una placa metálica serigrafiada que incluye los datos de potencia nominal, tensiones nominales, frecuencia e impedancia equivalente en porcentaje (%). También indica el esquema de conexiones internas, clase de refrigeración, fabricante, serie, etc.

Las tensiones nominales son aquellas para las cuales se ha proyectado el transformador y serán valores base en los ensayos y la utilización del equipo. La potencia nominal siempre se refiere a la potencia aparente (S_n) y se aplica tanto al devanado primario como al secundario: [Sn = V1n · I1n = V2n · I2n].

De la magnitud de la corriente dependen las pérdidas en el cobre, las cuales inciden directamente en el calentamiento de los devanados.

Principio de Funcionamiento

Respecto a los convenios de signos: el primario constituye un receptor (absorbe una corriente y una potencia, y desarrolla una f.e.m.), mientras que el secundario se comporta como generador (suministra una corriente y una potencia, siendo el asiento de una f.e.m. inducida).

Las condiciones ideales son:

1. Los devanados tienen resistencias despreciables (sin pérdidas por efecto Joule).
2. No existen flujos de dispersión; el flujo magnético está confinado íntegramente en el núcleo.

Al aplicar una tensión V₁ alterna al primario, circulará por él una corriente alterna que producirá, a su vez, un flujo alterno en el núcleo: e1 = N1 · (dΦ/dt).

Aquí, e1 representa la f.c.e.m. (fuerza contraelectromotriz) oponiéndose a la tensión v₁. Al cerrar el interruptor, e2 tendería a producir una corriente i₂.

Se cumple la segunda ley de Kirchhoff aplicada al primario y secundario, lo que nos da: v1 = e1 = N1 · (dΦ/dt). Sabiendo que el flujo es Φ = Φm · sen(ωt) = Φm · cos(ωt - 90º), se cumple que v1 = e1 = N1 · ω · Φm · cos(ωt) (las tensiones y las f.e.m. van adelantadas 90º respecto del flujo).

La relación de transformación (m) se define como: m = V1/V2 = e1/e2 = N1/N2.

Si el interruptor está abierto, el transformador funciona sin carga o en vacío: [P0 = PFe = V1 · I0 · cos(φ)].