Fundamentos del Transformador Eléctrico: Componentes, Funcionamiento y Pruebas Clave

Principios y Componentes del Transformador Eléctrico

¿Qué es un Transformador?

Un transformador es un dispositivo compuesto por un par de bobinas arrolladas sobre un mismo núcleo. Al aplicar una tensión a una de las bobinas (primario), se induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) en la otra bobina (secundario), permitiendo así transferir energía eléctrica para alimentar un circuito, usualmente con un cambio de voltaje.

Componentes Clave del Transformador

Bobinado

El bobinado consiste en espiras de alambre arrolladas, que pueden ser de aluminio o cobre. Estas espiras están recubiertas por un barniz aislante o hilo de algodón para asegurar su aislamiento eléctrico.

Núcleo Magnético

El núcleo magnético es la estructura donde se arrollan los bobinados y por donde circula el flujo magnético. Puede ser de tipo acorazado o de anillo. Está compuesto por finas chapas de material ferromagnético, aisladas eléctricamente entre sí para reducir pérdidas. El material del núcleo suele ser acero al silicio o cualquier otro material que mejore su conductividad magnética y minimice las pérdidas.

Funcionamiento del Transformador

Corriente Magnetizante

Para que el núcleo se magnetice y pueda transferir energía del primario al secundario, es necesaria una corriente magnetizante en el bobinado primario, incluso sin carga en el secundario. El tipo de núcleo influye en esta corriente; por ejemplo, el núcleo acorazado es preferible porque reduce la dispersión del flujo magnético al estar compuesto, típicamente, por dos secciones que rodean los bobinados. Cualquier pequeño espacio de aire en el circuito magnético, conocido como entrehierro (representado por “r”), afecta esta corriente. Esta corriente es la responsable de establecer el flujo magnético que induce la f.e.m. en el secundario.

Transformador con Carga

Cuando conectamos una carga eléctrica al bobinado secundario, el transformador opera con carga. Existen principalmente tres tipos de cargas:

• Carga inductiva: Se caracteriza por una reactancia inductiva (imaginaria) y una resistencia (real). En una carga puramente inductiva, la corriente estaría desfasada 90° en retraso respecto a la tensión.
• Carga óhmica (o resistiva): Se conecta una resistencia pura. En este caso, la corriente está en fase con la tensión.
• Carga capacitiva: Se conecta un condensador, usualmente en combinación con una resistencia. El desfase de la corriente respecto a la tensión es en adelanto, y su magnitud es generalmente menor que en el caso puramente inductivo (dependiendo de los valores R y C).

Relación de Transformación

La relación de transformación (m o a) indica la proporcionalidad entre las tensiones, el número de espiras y las corrientes de los bobinados primario y secundario. Matemáticamente, se expresa como:

m = V_p / V_s = N_p / N_s = I_s / I_p

Donde V es tensión, N es número de espiras, I es intensidad, y los subíndices p y s se refieren al primario y secundario, respectivamente.

Transformador en Vacío

Un transformador opera en vacío cuando el bobinado secundario no tiene ninguna carga conectada. En esta condición, no circulará corriente por la bobina secundaria. Sin embargo, sí habrá una pequeña corriente circulando en el primario (la corriente de vacío o magnetizante) si este está conectado a una fuente de tensión alterna.

Pérdidas en el Transformador

Durante la operación de un transformador, ocurren diversas pérdidas de energía, que se manifiestan principalmente como calor:

Pérdidas por Corrientes de Foucault (Eddy Currents)

Estas pérdidas son debidas a las corrientes parásitas inducidas en el material ferromagnético del núcleo, como consecuencia de estar sometido a un campo magnético variable con el tiempo. Estas corrientes circulan en el núcleo y producen un calentamiento por efecto Joule. Se minimizan laminando el núcleo.

Pérdidas por Histéresis

Cuando se somete el material del núcleo a un flujo magnético variable, se produce una imantación que presenta un ciclo de histéresis. La energía necesaria para reorientar los dominios magnéticos en cada ciclo se disipa en forma de calor. Esta pérdida se mantiene incluso cuando el flujo magnético instantáneo es cero, si el ciclo continúa.

Pérdidas en el Bobinado (Pérdidas en el Cobre o por Efecto Joule)

Son las pérdidas debidas a la resistencia óhmica de los conductores de los bobinados primario y secundario (I²R). Al ser muy pequeña la intensidad del primario en vacío con respecto a la intensidad nominal (con carga), las pérdidas en el cobre en vacío son generalmente insignificantes, pero aumentan considerablemente con la carga.

Ensayos del Transformador

Para determinar las características y parámetros de un transformador, se realizan varios ensayos normalizados:

Ensayo en Vacío

Este ensayo sirve para determinar las pérdidas en el hierro (histéresis y Foucault) y los parámetros de la rama de magnetización del circuito equivalente (R_Fe y X_m). Se realiza aplicando la tensión nominal al primario, con el secundario abierto, y midiendo la potencia, tensión y corriente en el primario.

Pasos típicos:

1. Determinar las características nominales del transformador.
2. Exponer los objetivos del ensayo a realizar.
3. Realizar el esquema de montaje y los cálculos previos necesarios.
4. Seleccionar y preparar los instrumentos de medición (voltímetro, amperímetro, vatímetro) y un autotransformador o fuente variable para obtener varias medidas de tensión si se desea caracterizar la curva de magnetización.
5. Realizar el montaje según el esquema, conectando los instrumentos adecuadamente.
6. Aplicar la tensión nominal y anotar los datos que proporcionan los instrumentos (V_vacío, I_vacío, P_vacío).
7. Comparar los resultados con los valores esperados o de placa, y calcular los parámetros deseados.

Ensayo en Cortocircuito

Este ensayo sirve para determinar las pérdidas en el cobre (pérdidas en los bobinados) a la corriente nominal y los parámetros de la impedancia serie del circuito equivalente (R_cc y X_cc). Se realiza cortocircuitando el secundario y aplicando una tensión reducida al primario, suficiente para que circule la corriente nominal por los bobinados. Se mide la potencia, tensión y corriente en el primario.

Se determina mediante un vatímetro, voltímetro y amperímetro en el primario, y un amperímetro en el secundario para verificar la corriente (aunque a menudo se confía en la relación de transformación para la corriente secundaria si el primario está a corriente nominal).

Operación y Tipos Especiales de Transformadores

Condiciones para la Conexión de Transformadores en Paralelo

Para que dos o más transformadores puedan operar correctamente en paralelo, deben cumplirse las siguientes condiciones:

1. Igualdad de tensiones nominales primarias y secundarias: Deben tener la misma relación de transformación. Diferencias significativas pueden generar corrientes de circulación elevadas y un reparto desigual de la carga, o incluso cortocircuitos.
2. Conexión correcta de bornes homólogos (misma polaridad): Los terminales de igual polaridad deben conectarse juntos. Una conexión incorrecta resultaría en un cortocircuito. Las tensiones secundarias deben estar en fase.
3. Relación de potencias aparentes adecuada: Para un reparto de carga proporcional a sus capacidades, sus impedancias de cortocircuito porcentuales deberían ser inversamente proporcionales a sus potencias nominales. Idealmente, las impedancias porcentuales deben ser iguales si se desea un reparto de carga proporcional a sus kVA.
4. (Adicionalmente, aunque no listado en el original) Mismo grupo de conexión (para trifásicos) y similar secuencia de fases.

Transformador Trifásico

La transformación de energía en sistemas trifásicos se puede realizar mediante un banco de tres transformadores monofásicos o utilizando un único transformador trifásico.

Cuando se emplean tres unidades monofásicas, los circuitos magnéticos de cada transformador son independientes, así como los flujos magnéticos respectivos. Alternativamente, se puede usar un único transformador trifásico que integra los tres devanados (primarios y secundarios) sobre un núcleo magnético común, usualmente con tres columnas donde se arrollan las bobinas correspondientes a cada fase.