Fundamentos de Física: Transformadores Eléctricos, Constitución y Redes de Distribución

El Transformador Eléctrico: Principios y Aplicaciones

Definición y Funcionamiento Básico del Transformador

El transformador es un dispositivo capaz de modificar los valores de tensión y de corriente entre sus lados (primario y secundario), manteniendo casi intacta la potencia transferida. Cuando la tensión de entrada aumenta a su salida, la corriente disminuye, manteniendo la potencia constante (idealmente).

El transformador (o trafo) disminuye los valores de corriente para el transporte al inicio de la línea por dos causas fundamentales:

• A menores valores de corriente, menores serán también los valores de sección del cableado necesarios para transportar la energía eléctrica.
• Al mismo tiempo, cuanto menor sea el valor de la corriente, menor será la pérdida de potencia por Efecto Joule, lo que permite que la potencia útil aumente al final de la línea hasta alcanzar valores aptos para el consumo.

Tipos de Redes de Distribución

Las redes de distribución se unen unas con otras mediante subestaciones transformadoras. Los tipos principales son:

• Radiales: Tienen la alimentación en uno de sus extremos.
• Anillo: Se alimentan por dos de sus extremos.
• Malladas: Se entrelazan líneas radiales y en círculo hasta formar una malla. Son complejas de gestionar, pero ofrecen un buen servicio y son flexibles.

Componentes Esenciales del Transformador

Las partes principales de un transformador son los devanados:

1. Devanado de Alta Tensión: Posee la tensión mayor.
2. Devanado de Baja Tensión: Posee la tensión menor.
3. Devanado Secundario: Alimenta a la carga.
4. Devanado Primario: Se aplica la tensión primaria para su funcionamiento.

Constitución Interna del Transformador

El transformador está formado por tres circuitos: dos eléctricos y uno magnético.

Circuito Magnético

Está formado por un núcleo de chapas de aleación ferromagnética que están separadas unas de otras por un elemento aislante. Esto sirve para evitar las pérdidas por corrientes parásitas (o pérdidas de Foucault).

Circuito Eléctrico

Son los encargados de transformar las tensiones y corrientes. Están formados por un arrollamiento en cada circuito, generalmente de hilo de cobre con aislante exterior.

Tipos de Núcleos

Los núcleos se clasifican según su estructura:

1. Sin acorazar (Tipo Columna)
2. Acorazado (Tipo Acorazado)
3. Anular (Tipo Toroidal)

Principio de Funcionamiento y Modelos de Transformadores

Clasificación por Funcionamiento

Transformador Monofásico Ideal en Vacío

Es aquel que no tiene en cuenta las pérdidas eléctricas ni magnéticas. Su funcionamiento en vacío se da cuando se conecta el primario a la red y el secundario no tiene carga alguna conectada. Sus condiciones ideales son:

• No hay pérdida de flujo magnético en el núcleo.
• La resistencia de ambos arrollamientos es nula.
• No hay pérdidas por histéresis en el material ferromagnético.

Transformador Monofásico Ideal en Carga

Se conecta el primario a la red y, al conectar una carga, circulará por el secundario una intensidad $I_2$. Esta intensidad crea una fuerza magnetomotriz que tiende a modificar el flujo común. Sin embargo, esto no ocurre porque el primario genera otra fuerza igual a la del secundario, pero de sentido contrario, que equilibra su efecto. Por esta razón, el flujo común se mantiene constante.

Transformador Monofásico Real en Vacío

En este modelo se suponen las siguientes condiciones reales:

• Hay pérdida de flujo magnético con el núcleo.
• La resistencia de ambos arrollamientos es no nula.
• Hay pérdidas por histéresis en el material ferromagnético.
• Se origina una pérdida de potencia activa en el primario que provoca una diferencia de desfases entre primario y secundario.

Transformador Monofásico Real en Carga

Si conectamos una impedancia en los extremos del secundario y teniendo en cuenta que ya existen pérdidas en los devanados y en el núcleo del transformador, tenemos que la tensión de salida no es la misma que la fuerza electromotriz que la origina en el devanado secundario.

Rendimiento del Transformador

Las pérdidas son: