TRANSFORMADOR

DEFINICIÓN     

Un transformador es un dispositivo electromagnético transmisor de potencia eléctrica en la        modalidad de corriente alterna. Usualmente, esta potencia la recibe a ciertos valores, los cuales cambia o transforma para entregarlos:

Los transformadores están compuestos de diferentes elementos. Los componentes básicos son:

· Núcleo: constituido por chapas de acero al silicio aisladas entre ellas. El núcleo de los transformadores está compuesto por columnas, que es la parte donde se montan los devanados, y culatas, que es la parte donde se realiza la unión entre las columnas. El núcleo se utiliza para conducir el flujo magnético, ya que es un gran conductor magnético.

· Devanados: es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto por dos bobinas (devanados), la primaria y la secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicará la relación de transformación.

Figura 1. Modelo de transformador

La bobina de mayor número de vueltas trabaja con alta tensión, y la de menos número con baja tensión. En algunos casos, el número de vueltas es igual, ambas trabajando a la misma tensión y el objeto del transformador sería aislar eléctricamente los voltajes de uno y otro lado.

Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energía eléctrica alterna y el segundo suministra energía eléctrica a las cargas. El devanado que se conecta a la fuente de potencia se llama primario y el que se conecta a la carga, secundario.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario y con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo; el transformador no puede trabajar con corriente directa. El flujo en el núcleo es directamente proporcional al voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la frecuencia. Para devanar la bobina, hay que tener en cuenta que mientras más vueltas contenga, es necesario menos flujo y viceversa.

            Una vez que se conoce el flujo, es posible calcular la fuerza electromotriz inducida en la bobina primaria mediante la Ley de Faraday.

La inducción de fuerza electromotriz en el secundario se lleva a cabo en circunstancias muy parecidas a la inducción en el primario. Se produce por el mismo flujo magnético y solamente difiere en el número de vueltas.

            Si consideramos quees la fuerza electromotriz inducida en el primario, se tiene:

            Las magnitudes de las fuerzas electromotrices conservan una relación constante, igual a la relación entre los números de vueltas. Se le conoce como relación de transformación y se representa con la letra a.

El conocimiento de las terminales de misma polaridad es indispensable para interconectar correctamente varios transformadores entre sí. Puede ser el caso de conexiones en serie o en paralelo en sistemas monofásicos, y en delta o estrella para sistemas trifásicos.

Las terminales del transformador deben tener una localización organizada en un tablero, si el transformador se encuentra rodeado de aire, o en la tapa del tanque, si se encuentra sumergido en aceite. Estas terminales se identifican con letras y subíndices, siendo H₁ y H₂ las de alta tensión y X₁ y X₂ las de baja tensión, en donde H₁ y X₁ son de la misma polaridad.

Cuando H₁ y X₁ se localizan a la izquierda, se dice que la polaridad es sustractiva, mientras que si H₁ se encuentra a la izquierda y X₁ a la derecha, se dice que es de polaridad aditiva.

TRANSFORMADOR IDEAL

El núcleo es de un supuesto material no saturable y con una permeabilidad magnética considerablemente mayor que la de los materiales ferromagnéticos conocidos. Esto ocasiona que todo el flujo producido por las bobinas (aún con carga) está contenido en este núcleo, y además la corriente de excitación se vuelve tan pequeña que resulta despreciable.

Las bobinas se devanan también con un supuesto material que carece de resistividad, que no requiere aislamiento y consecuentemente las espiras quedan tan cerca entre sí, que no hay el menor espacio intermedio. Esto ocasiona que el voltaje aplicado sea exactamente igual a la fuerza electromotriz y que no se genere flujo disperso entre espiras.

            Dos bobinas, una a cada lado y de diferente número de vueltas representan la alta y baja tensión, con sus respectivas corrientes y polaridades. Las líneas entre bobinas representan el núcleo ideal, y se dice que carece de pérdidas.

TRANSFORMADOR REAL

En un transformador real no se cumplen las relaciones del transformador ideal, debido a que los materiales de que se dispone en la naturaleza no pueden efectuar la conversión y transmisión perfecta de energía y aparecen algunas pérdidas, que no se pueden evitar, aunque sí es posible reducirlas a un valor mínimo. Las pérdidas se pueden clasificar de la siguiente manera:

a)      Pérdidas magnéticas: se deben a ciertas limitaciones que tienen los materiales ferromagnéticos reales, comparados con el material ideal. Por ejemplo, la permeabilidad no tiende a infinito, por lo que la corriente de excitación necesaria para magnetizar el núcleo no es despreciable; es un conductor eléctrico y no es constante, tendiendo a bajar considerablemente el grado de excitación y tiene retentividad, que es la tendencia a retener una parte del flujo con que fue magnetizado. Las tres primeras características dan origen a las pérdidas por histéresis y la última a las pérdidas por corrientes parásitas.

                             i.            Pérdidas por histéresis: La potencia para magnetizar el núcleo no es puramente reactiva como sería el caso ideal, si no que tiene una componente real. Estas pérdidas se pueden reducir con aleaciones de pequeña área de histéresis y diseñando la sección transversal del núcleo de tal magnitud, que para el flujo que requiere la bobina se produzca un bajo nivel de saturación.

                              ii.            Pérdidas por corrientes parásitas: se producen debido al calentamiento del núcleo, y la energía perdida se induce desde el primario. Se pueden reducir si se les corta su trayectoria amplia, lo que se consigue haciendo el núcleo de láminas apiladas.

Figura 2. Pérdidas por corrientes parásitas

b)      Pérdidas eléctricas: se deben a determinadas características de los embobinados, por ejemplo, el material tiene una resistividad mayor que cero y debe existir una separación entre las espiras, las capas, las bobinas y los núcleos, por la necesidad de interponer aislamientos.

                                i.            Pérdidas por resistencia: el alambre con el cual se devanan las bobinas tiene una resistencia. La corriente que pasa por esta resistencia provoca pérdidas de voltaje y de energía.

                              ii.            Pérdidas por reactancia de dispersión: las separaciones permiten que se desarrollen líneas de flujo magnético fuera del núcleo, que cierran a través del aire. Estas líneas de flujo se originan por las fuertes corrientes de carga del transformador y reciben el nombre de flujo de dispersión.

Figura 3. Flujo de dispersión