Transformadores: Tipos, Funcionamiento y Características
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Transformadores: Conceptos Fundamentales
Definición de Transformador
Un transformador es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. Está constituido por dos bobinas o devanados: el primario, con N1 espiras, y el secundario, con N2 espiras. Ambos devanados están acoplados por un circuito magnético, generalmente fabricado con chapas magnéticas. El primario se conecta a la fuente de energía, mientras que el secundario se conecta al circuito de utilización. Según la relación entre el número de espiras del primario y el secundario, un transformador puede ser elevador, reductor o separador.
Transformador Ideal
En un transformador ideal, se asume que el flujo magnético generado al conectar el primario a una fuente de energía es común a ambos devanados. Además, se desprecian las pérdidas en el hierro y la resistencia de los devanados.
Relación de Transformación
La relación de transformación (m) se define como la relación entre el número de espiras del primario (N1) y el secundario (N2), y es igual a la relación entre las tensiones del primario (E1) y el secundario (E2):
m = N1 / N2 = E1 / E2
Tipos de Transformadores y sus Características
Transformador en Vacío
Un transformador en vacío se caracteriza por tener el primario alimentado con la tensión nominal y el secundario abierto. En estas condiciones, la corriente en el secundario (I2) es nula. Se desprecian la resistencia de los bobinados y la reactancia de dispersión.
Transformador en Carga
Un transformador en carga tiene una carga conectada en el secundario. En este caso, la relación de transformación también se relaciona con las corrientes del primario (I1) y el secundario (I2):
m = N1 / N2 = I2 / I1
Autotransformador
Un autotransformador se distingue por tener un solo circuito eléctrico. Dispone de dos terminales para el primario y dos terminales para el secundario. La relación de transformación es:
m = V1 / V2
Autotransformador en Carga
En un autotransformador en carga, las intensidades en el primario y el secundario están en oposición. Por el devanado común circula la diferencia entre las intensidades primaria y secundaria.
Transformador Trifásico
Un transformador trifásico consta de tres fases, que pueden tener o no neutro. Las conexiones pueden ser en estrella o en triángulo. Según su construcción, pueden ser de tipo acorazado (bobina en la columna central) o de columnas (bobina en las columnas exteriores).
Rendimiento y Ensayos
Rendimiento
El rendimiento de un transformador se define como la relación entre la potencia útil entregada en el secundario y la potencia absorbida por el primario.
Ensayo en Cortocircuito
El ensayo en cortocircuito permite obtener de manera aproximada la potencia perdida en el circuito eléctrico del transformador. Debido a que la intensidad de vacío es de pequeña magnitud, el circuito equivalente que se obtiene es simplificado.
Ensayo en Cortocircuito Trifásico
El ensayo en cortocircuito trifásico se realiza de la misma manera que en el caso monofásico.
Caída de Tensión
La caída de tensión es la diferencia entre la tensión del secundario en vacío y en carga. También se conoce como coeficiente de regulación.
Materiales y Pérdidas
Materiales del Circuito Magnético
El circuito magnético de los transformadores se construye mediante el apilamiento de láminas de material magnético, con un espesor entre 0,30 y 0,5 mm para minimizar las pérdidas en el hierro. Los materiales más comunes son:
- Chapa normal
- Chapa al silicio
- Chapa de grano orientado
Reducción de Pérdidas en el Hierro
Las pérdidas en el hierro se reducen:
- Utilizando chapas de menor espesor.
- Eligiendo un material magnético con una superficie de histéresis menor.
Para medir las pérdidas en el hierro en cualquier transformador, se realiza el ensayo de vacío. Para medir las pérdidas en el cobre, se realiza el ensayo de cortocircuito.
Saturación Magnética
La saturación magnética ocurre cuando, al aumentar la intensidad del campo magnético (H), no se consigue aumentar la inducción magnética en la máquina.