El Transformador

Máquinas rotativas, son aquellas que ya vimos, que transforman el movimiento en electricidad (generadores) o viceversa (motores).

Los motores y los transformadores se denominan como Máquinas

Máquinas estáticas, son aquellas que transforman una energía eléctrica alterna en otra de distintas características, reciben el nombre de transformadores.

Partes de un transformador

El transformador es una máquina estática (sin partes móviles) de corriente alterna que transforma una señal alterna en otra señal alterna de distinta tensión o intensidad.

Se emplea de forma generalizada en los sistemas eléctricos por su reversibilidad (permite elevar y reducir la tensión) y por su alto rendimiento.

Su utilización permite el uso de Alta Tensión para el transporte de energía eléctrica a grandes distancias con pérdidas de energía reducidas y su posterior conversión a Bajas Tensiones para poder ser utilizada por los consumidores.

Está constituido por:

Núcleo de láminas de material ferromagnético, sirve para acoplar (conectar) magnéticamente el primario y el secundario

Devanados (primario y secundario), son bobinas de cobre o aluminio cubiertas de un barniz aislante que se arrollan sobre el núcleo. En estos se genera o recibe el flujo que atraviesa el núcleo.

Principio de funcionamiento de un transformador ideal - En vacío

Con el secundario abierto, al aplicar tensión al primario, aparece una intensidad senoidal de vacío I0, generando un flujo magnético en el núcleo que atraviesa a las dos bobinas. Al cruzar el flujo la bobina de primario provoca una fem de valor:

Como no existen resistencias (por eso es ideal) en el circuito, la tensión V1=E1

En el secundario también se genera una fem E2  (fem es fuerza electro motriz), cumpliéndose que:

Este término se conoce con el nombre de relación de transformación , y es una de las características más importantes de un transformador. A E1 se le denomina fuerza contraelectromotriz (fcem) por oponerse a V1.

En carga

Al conectar una carga al secundario, se produce en el mismo una corriente I2 como consecuencia de la fem E2. Según la ley de Lenz, la corriente I2 tiende a debilitar el flujo que circula por el núcleo, disminuyendo la fcem E1 (fcem es la fuerza contra electro motriz) y aumentando I1 hasta que se restablezca el flujo total que circula por el núcleo a su valor inicial, es decir, el flujo resultante en el núcleo continua siendo el mismo que con el transformador en vacío y depende exclusivamente de la tensión V1 aplicada al primario.

Se cumple que:

O sea, las intensidades que circulan por los devanados son inversamente proporcionales al número de espiras de los mismos.

Transformador ideal en carga

Se comprueba que en un transformador ideal la potencia transferida al secundario es igual a la entregada al primario,  es decir:

Principio de funcionamiento de un transformador real - En vacío

A diferencia del transformador ideal, el transformador real presenta una serie de pérdidas que podemos resumir en:

• Dispersión del flujo en los devanados primario y secundario. Estas pérdidas tienen un valor equivalente a las provocadas por dos reactancias inductivas Xd1 y Xd2 en serie con los devanados.
• Resistencia de los devanados, que provocan pérdidas por efecto Joule y caídas de tensión. Equivalen a dos resistencias en serie con el circuito.
• Pérdidas en el hierro, son debidas a pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas o de Foulcault. Provocan pérdidas de potencia que se suman a las de Joule.

En un trasformador real, la tensión producida en el secundario disminuye al aumentar la carga , es decir, la intensidad que entrega (si aumenta la intensidad de carga es porque ha disminuido la impedancia del receptor o carga).

Al aumentar I2 con la carga, la corriente de primario I1 también aumenta y con ellas las caídas de tensión en las resistencias e inductancias (X d) de primario y secundario.

En el transformador real el flujo circula no solo por el núcleo ferromagnético; hay una parte que se dispersa en el aire atravesando sólo a la bobina que lo produce, y que provoca una fcem en la misma. El resultado de esta dispersión de flujo se puede representar en el esquema equivalente mediante las reactancias Xd1 y Xd2.

Al conectar el primario a V1 aparece una corriente de vacío I0 desfasada respecto al flujo debido a la existencia de las reactancias Xd1 y Xd2. Esa corriente de vacío está formada por dos componentes:

Ip, o componente de pérdidas que, multiplicada por V1 da la potencia de pérdidas en el hierro.

Im, o componente magnetizante, que es la parte de la corriente de vacío que genera el flujo.

En carga

El flujo común a ambas bobinas tiende a ser igual en carga y en vacío, es decir, la fuerza magnetomotriz producida por las bobinas del transformador debe ser igual en carga que en vacío.

Al conectar la carga en el secundario, aparece una fuerza magnetomotriz N2·I2 que cambia el valor del flujo común (aumenta o disminuye según el sentido de I2), esa variación del flujo hace que la fem e1 varíe también.

Como en el primario V1 es constante, al variar e1, aparece una corriente I1 que provoca otra fuerza contraelectromotriz que compensa a la del secundario.

A plena carga I0 es despreciable frente a I1 e I2, por lo que podemos considerar

Mira el siguiente ejemplo y lleguemos juntos a un par de conclusiones, y a una fórmula que es fácil de aplicar.

Si miras la siguiente imagen, Notaras un transformador, si ves de ambos lados tenemos 2000 W y eso es porque el factor de potencia se mantiene en ambos lados y la formula de potencia es P = Tensión x Corriente.

Y lo podes ver en el ejemplo, 1000 V x 2 A = 2000 W

Y del otro lado 200 V x 10 A = 2000 W

Tipos de transformadores

En este caso podemos clasificar los transformadores de diversas formas:

Por fabricación

• Húmedo: enfriado en aceite.
• Seco: enfriado por la acción del aire.

Por devanados

• Elevador: aumenta el voltaje.
• Reductor: disminuye el voltaje.
• Aislamiento: mantiene el voltaje y aísla eléctricamente los circuitos.

Por clase

Baja Tensión (BT): < 1 kV

Media Tensión (MT): desde 1 kV hasta 25 kV

Alta Tensión (AT): > 25 kV

En función de la tensión que soporta el bobinado primario.

Por diseño y funcionalidad

• Aislamiento: mantiene el voltaje y aísla eléctricamente los circuitos.
• Alimentación: proporciona las tensiones necesarias para que funcione un dispositivo.
• Pulsos: se encarga de transmitir impulsos sobre elementos de control de potencia como SCR, triacs,…
• Flyback o de línea: se trata de un caso concreto de transformador de pulsos.
• Con diodo dividido: es un tipo de transformador de línea que posee un diodo rectificador que permite proporcionar tensión continua.
• Variable: conocido también como «variac», proporciona una tensión de salida variable ajustable.
• Impedancia: es usado para adaptar antenas y líneas de transmisión como teléfonos, por ejemplo.

Para qué sirve

Algunas de las aplicaciones más importantes de los transformadores son:

Distribución de electricidad: abastecer de electricidad a la totalidad de la población es una tarea que requiere el uso de cables, sin embargo, estos cables tienen una cierta resistencia que puede provocar pérdidas de energía por efecto Joule a una velocidad igual al cuadrado de la corriente (I²*R). 

Si recordamos, al elevar la tensión en un transformador la corriente disminuye, por este motivo se trabaja a Alta Tensión (AT) para transportar la electricidad a grandes distancias. 

Ya en un núcleo poblacional, la tensión es reducida nuevamente hasta alcanzar la Baja Tensión (BT), desde donde es distribuida a hogares, establecimientos, fábricas,…

Dispositivos electrónicos: la mayoría de los aparatos electrónicos funcionan a una tensión inferior a la suministrada por la red. Por este motivo son usados para disminuir la tensión de suministro a un nivel adecuado.

Aislamiento: un trafo permite aislar eléctricamente al usuario de hacer contacto con la tensión de alimentación.

Máquina de soldadura: en un dispositivo como el soldador, el transformador es un elemento de vital importancia puesto que puede elevar la corriente a valores muy altos.

Son muchas más las funciones que tienen los trafos, pero sólo queríamos recoger las más cotidianas.

Algunos ejemplos

En un transformador ideal en carga las intensidades que circulan por los devanados son inversamente proporcionales al número de espiras de los mismos

Se comprueba que en un transformador ideal la potencia transferida al secundario es igual a la entregada al primario

El transformador real presenta una serie de pérdidas que podemos resumir en:

Dispersión del flujo en los devanados primario y secundario.

Resistencia de los devanados, que provocan pérdidas por efecto Joule y caídas de tensión.

Pérdidas en el hierro

En un trasformador real, la tensión producida en el secundario disminuye al aumentar la carga

El ensayo de vacío de un transformador sirve para determinar:

La relación de transformación (m)

La corriente de vacío (I0)

Las pérdidas en el hierro (PFe)

El ensayo de cortocircuito de un transformador sirve para determinar:

Las pérdidas en el cobre (PCu)

La tensión de cortocircuito porcentual (Ucc)

Los parámetros Rcc, Xcc y Zcc

El rendimiento de una máquina es la relación existente entre la potencia aprovechada por la máquina y la potencia total que se le entrega