Transformadores Eléctricos: Funcionamiento Esencial, Componentes y Clasificaciones

Principios y Funcionamiento del Transformador Eléctrico

Un transformador es una máquina eléctrica estática que modifica los valores de tensión (U₁) e intensidad (I₁) de una red primaria, comúnmente de Alta Tensión (A.T.), a otros valores de tensión (U₂) e intensidad (I₂) en una red secundaria, usualmente de Baja Tensión (B.T.). Sus características más destacadas son:

• Es una máquina estática, es decir, carece de partes móviles en su funcionamiento. Esto minimiza las pérdidas por rozamiento y reduce la probabilidad de averías mecánicas.
• No modifica el tipo de energía: la energía eléctrica de entrada (primaria) se transforma en energía eléctrica de salida (secundaria). (Energía Eléctrica Primaria → Transformador → Energía Eléctrica Secundaria)
• Funciona exclusivamente con Corriente Alterna (C.A.).
• Su funcionamiento es reversible, pudiendo operar como reductor o elevador de tensión.

Constitución Fundamental de un Transformador

Un transformador se compone principalmente de los siguientes elementos:

Circuito Eléctrico Primario

Consiste en un bobinado de cobre con muchas espiras (N₁) de sección relativamente delgada (S₁). Se conecta a la red de Alta Tensión (U₁) y por él circula una corriente (I₁) de valor moderado.

Circuito Eléctrico Secundario

Es un bobinado de cobre con pocas espiras (N₂) y una sección considerablemente más gruesa (S₂). En este circuito se induce la Baja Tensión (U₂) y, al conectarle una carga, circula una corriente (I₂) de valor elevado.

Elemento Refrigerante y Aislante

El sistema de refrigeración y aislamiento depende del tipo y potencia del transformador:

• En transformadores de baja potencia y baja tensión, se suele emplear un aislamiento seco, donde el aire ambiente actúa como refrigerante.
• En transformadores de gran potencia y alta tensión, los bobinados y el núcleo se sumergen en una cuba con aceite mineral dieléctrico o se encapsulan en resina epoxi para mejorar el aislamiento y la disipación del calor.

Circuito Magnético (Núcleo)

Está formado por un conjunto de chapas ferromagnéticas (generalmente de acero al silicio) apiladas y aisladas eléctricamente entre sí mediante un barniz aislante. Su función es canalizar el flujo magnético generado por el devanado primario hacia el secundario.

Nota sobre Transformadores de Distribución

Los transformadores de distribución son aquellos que se emplean comúnmente para suministrar energía en Baja Tensión (B.T.) a núcleos urbanos y fábricas de tamaño medio. Sus potencias normalizadas típicas son: 50 kVA, 100 kVA, 160 kVA, 250 kVA, 400 kVA y 630 kVA.

Componentes Externos y Accesorios Comunes

Cuba

Es el depósito principal que contiene el líquido refrigerante y aislante (generalmente aceite) y donde se alojan los bobinados y el núcleo del transformador en los modelos refrigerados por líquido.

Pasatapas de Media Tensión (MT)

Son aisladores que permiten la conexión eléctrica segura de los terminales del bobinado primario con la red externa de Media Tensión (MT), atravesando la pared de la cuba.

Pasatapas de Baja Tensión (BT)

Similares a los de MT, estos aisladores facilitan la conexión de los terminales del bobinado secundario con la red de salida de Baja Tensión (BT).

Depósito de Expansión (Conservador de Aceite)

Situado en la parte superior de la cuba y comunicado con ella, este depósito tiene una doble función: asegurar que la cuba esté siempre completamente llena de aceite y permitir la expansión del volumen del aceite debido a las variaciones de temperatura durante el funcionamiento, evitando sobrepresiones.

Indicador del Nivel de Aceite

Es una mirilla o dispositivo visual, a menudo circular, que permite comprobar el nivel del aceite dieléctrico dentro del transformador o del depósito de expansión. Suele tener marcas para diferentes temperaturas (por ejemplo, entre 0 °C y 100 °C) y una marca de referencia para el nivel a 20 °C.

Termómetro o Termostatos

Instrumentos que miden la temperatura del aceite del transformador. Algunos modelos avanzados incluyen termostatos que pueden activar alarmas o disparar protecciones si la temperatura excede límites seguros, previniendo daños por sobrecalentamiento.

Placa de Características

Es una placa metálica fijada al transformador que contiene información técnica esencial, tal como: tensiones nominales (primaria y secundaria), potencia nominal (generalmente en kVA), corrientes nominales, tensión de cortocircuito (U_cc%), grupo de conexión, índice horario, tipo de refrigeración, masa total, volumen de aceite, y normas de fabricación, entre otros datos relevantes.

Clasificación de los Transformadores

Los transformadores se pueden clasificar según diversos criterios:

• Según su aplicación principal:
  • Transformadores de potencia: Su función es alterar los niveles de tensión y corriente en sistemas de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, manteniendo la potencia transferida aproximadamente constante (P₁ = U₁ · I₁ ≈ P₂ = U₂ · I₂). Incluyen transformadores elevadores, reductores y de distribución.
  • Transformadores de medida: Diseñados para reducir las magnitudes de tensión o intensidad a valores seguros y manejables por equipos de medida y protección. Se dividen en:
    • Transformadores de Tensión (TT) o Potencial (TP).
    • Transformadores de Intensidad (TI) o Corriente (TC).
• Según el entorno de instalación:
  • De intemperie: Aptos para operar al aire libre, resistiendo condiciones ambientales adversas.
  • De interior: Destinados a operar en recintos cerrados y protegidos.
• Según el medio aislante y refrigerante:
  • Secos: Utilizan aire (natural o forzado) o resinas sintéticas (encapsulados) como aislante y refrigerante.
  • En líquido aislante: Generalmente sumergidos en aceite mineral dieléctrico, aunque también pueden usarse otros líquidos sintéticos (ésteres, siliconas).
• Según la forma del núcleo magnético:
  • De columnas: Los devanados (bobinas) se arrollan alrededor de una o más columnas del núcleo magnético.
  • Acorazados: El núcleo magnético envuelve y protege los devanados, proporcionando un camino de retorno para el flujo magnético por el exterior de las bobinas.
• Según la disposición de los devanados:
  • Devanados separados: Los bobinados primario y secundario se sitúan en columnas diferentes del núcleo (menos común en transformadores de distribución y potencia).
  • Devanados concéntricos: Los bobinados primario y secundario se montan uno sobre otro (coaxialmente) en la misma columna del núcleo. Esta es la disposición más habitual.