Principios Fundamentales y Funcionamiento de Transformadores Eléctricos

Partes de un Transformador

• Devanado de alta: Sometido a la tensión mayor.
• Devanado de baja: Sometido a la tensión menor.
• Devanado secundario: Que alimenta a la carga.
• Devanado primario: Donde se aplica la tensión primaria para su funcionamiento.

Constitución de un Transformador

Un transformador consta de dos circuitos eléctricos y un circuito magnético.

• El circuito magnético está formado por un núcleo de chapas de aleación ferromagnética que evitan pérdidas por corrientes parásitas.
• Los circuitos eléctricos transforman las tensiones.

Principio de Funcionamiento del Transformador

Existen dos tipologías principales: transformador monofásico y transformador trifásico.

Transformador Monofásico Ideal en Vacío

En este modelo ideal, no se tienen en cuenta las pérdidas eléctricas ni magnéticas. El devanado primario se conecta a la red y al secundario no se le conecta ninguna carga.

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

Transformador Monofásico Ideal en Carga

En carga, el devanado primario se conecta a la red y el secundario a una carga. Aparecen intensidades que crean fuerzas magnetomotrices que se oponen, manteniendo el flujo común constante.

Las ecuaciones para el funcionamiento en carga son:

• u1 + e1 = 0
• u2 = e2

La potencia aparente es igual en ambas partes:

E1 x I1 = E2 x I2

De donde se obtiene la relación de transformación:

E1 / E2 = I2 / I1 = n1 / n2 = r

Transformador Monofásico Real en Vacío

• La resistencia de ambos arrollamientos no es nula.
• Existen pérdidas por histéresis.
• Hay pérdida de flujo magnético en el núcleo.
• Se origina una pérdida de potencia activa en el primario que provoca una diferencia de desfase.
• El factor de potencia se calcula como: cos φ = P0 / (U1 x I0).

Transformador Monofásico Real en Carga

Cuando se conecta una carga, aparece una impedancia Z. Como la tensión de salida no es la misma que la fuerza electromotriz (fem), aparecen pérdidas en el cobre en el secundario.

La relación de tensión es:

U2 = E2 - I2 x Z2

Rendimiento del Transformador

Las pérdidas a considerar son:

• Pérdidas en el cobre (PCU): Dependen de la corriente que atraviesa los devanados y del calentamiento producido. Se calculan como: PCU = R1 x I1² + R2 x I2².
• Pérdidas en el hierro (PFE): Dependen de la tensión nominal del primario y se producen en el núcleo ferromagnético. Se calculan como: PFE = P0 = U1 x I0 x cos φ.

El rendimiento (η) se expresa como:

η = (P1 - PCU - PFE) / P1 = P2 / P1

Transformador Trifásico

Los transformadores trifásicos pueden obtenerse de dos formas:

• Con un núcleo trifásico.
• Con tres transformadores monofásicos iguales conectados entre sí.

Acoplamiento Paralelo de Transformadores

En caso de avería o cuando un transformador trabaja al límite de su capacidad, puede ser sustituido por otro de mayor potencia o sumar otro de características compatibles.

Condiciones para la Conexión en Paralelo

• Tener igual relación de transformación en vacío.
• Estar conectadas las fases a bornes homólogos en cada uno de los transformadores.
• Poseer las mismas tensiones de cortocircuito.
• Que la relación entre las potencias nominales de ambos no sea mayor de 3 a 1.

Tipos de Transformadores de Potencia

Los transformadores de potencia pueden clasificarse según diversos criterios:

• Según el refrigerante: Secos o encapsulados.
• Según la refrigeración: Natural o forzada.
• Según la función: Elevadores o reductores.
• Según el aislamiento: De aislamiento.
• Según el número de fases: Monofásicos o trifásicos.
• Según la ubicación: De intemperie o de interior.

Autotransformador

En un autotransformador, los bobinados primario y secundario están unidos físicamente. Presentan varias ventajas:

• Ahorro de material, ya que utilizan un núcleo menor.
• Menores pérdidas por calentamiento.
• Menor peso.
• Son más económicos.