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Los transformadores son un elemento clave en el desarrollo de la industria eléctrica. Gracias a ellos se pudo realizar, de una manera práctica y económica, el transporte de energía eléctrica a grandes distancias. Un transformador eléctrico es una máquina estática de corriente alterna que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un transformador ideal.
Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario.
¡Aprende jugando! Con este divertido juego descubrirás qué es un transformador eléctrico.
Componentes del transformador eléctrico
Los transformadores están compuestos por diferentes elementos entre los que destacan como principales el núcleo y los devanadores.
El núcleo de los transformadores está formado por chapas de acero al silicio aisladas entre ellas. Están compuestos por dos partes principales: las columnas, que es la parte donde se montan los devanados, y las 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.
Por su parte el devanado es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y recubierto por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el devanado primario y el secundario indicará la relación de transformación. El nombre de primario y secundario es algo simbólico: por definición allá donde apliquemos la tensión de entrada será el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el secundario.
Funcionamiento de los transformadores eléctricos
Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.
Según la Ley de Lenz, la corriente debe ser alterna para que se produzca esta variación de flujo. El transformador no puede utilizarse con corriente continua.
La relación de transformación del transformador la definimos con la siguiente ecuación:
| Np / Ns = Vp / Vs = Is / Ip = rt |
Donde (Np) es el número de vueltas del devanado del primario, (Ns) el número de vueltas del secundario, (Vp) la tensión aplicada en el primario, (Vs) la obtenida en el secundario, (Is) la intensidad que llega al primario, (Ip) la generada por el secundario y (rt) la relación de transformación
Como se observa en este ejemplo, si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos que poner más vueltas en el secundario (Ns), pasa lo contrario si queremos reducir la tensión del secundario.
Esta tensión de entrada (Vp) únicamente recorre un determinado número de espiras (Np), mientras que la tensión de salida (Vs tiene que recorrer la totalidad de las espiras (Ns).
¡Aprende jugando! Dispones de este juego interactivo para desarrollar tus conocimientos sobre inducción electromagnética.
Tipos de transformadores eléctricos
Aunque basados en los mismos principios básicos, se diferencian varios tipos de transformadores que se clasifican en dos grandes grupos: transformadores de potencia y de medida.
Transformadores de potencia
Los transformadores eléctricos de potencia sirven para variar los valores de tensión de un circuito de corriente alterna, manteniendo su potencia. Su funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética.
- Transformadores eléctricos elevadores.
Tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado secundario es mayor a las del devanado primario.
- Transformadores eléctricos reductores.
Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado primario es mayor al secundario.
Cualquier transformador elevador puede actuar como reductor, si lo conectamos al revés, del mismo modo que un transformador reductor puede convertirse en elevador.
- Autotransformadores
Se utilizan cuando es necesario cambiar el valor de un voltaje, pero en cantidades muy pequeñas. La solución consiste en montar las bobinas de manera sumatoria. La tensión, en este caso, no se introduciría en el devanado primario para salir por el secundario, sino que entra por un punto intermedio de la única bobina existente.
Esta tensión de entrada (Vp) únicamente recorre un determinado número de espiras (Np), mientras que la tensión de salida (Vs) tiene que recorrer la totalidad de las espiras (Ns).
Modelización de un autotransformador
Transformadores eléctricos de medida
Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir sin peligro.
- Transformadores eléctricos de intensidad
Toma una muestra de la corriente de la línea a través del devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro para medirlo. Su devanado secundario está enrollado alrededor de un anillo de material ferromagnético y su primario está formado por un único conductor, que pasa por dentro del anillo.
El anillo recoge una pequeña muestra del flujo magnético de la línea primaria, que induce una tensión y hace circular una corriente por la bobina secundaria.
- Transformador eléctrico potencial
Se trata de una máquina con un devanado primario de alta tensión y uno secundario de baja tensión. Su única misión es facilitar una muestra del primero que pueda ser medida por los diferentes aparatos.
Transformadores trifásicos
Puesto que el transporte y la generación de electricidad se realiza de forma trifásica, se desarrollaron transformadores de estas características.
Pueden crearse transformadores trifásicos de dos maneras: una es mediante tres transformadores monofásicos y la otra con tres bobinas sobre un núcleo común.
Esta última opción es la más recomendable, debido a que el resultado es un transformador más pequeño, más ligero, más económico y algo más eficiente.
La conexión de este tipo de transformadores puede ser:
- Estrella-estrella
- Estrella-triángulo
- Triángulo-estrella
- Triángulo-triángulo
Posibles conexiones de un transformador trifásico con la fuente de alimentación
Transformador ideal y transformador real
En un transformador ideal, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida. Esto se representa de la siguiente forma:
| Np · I = NIIs |
Lo que ocurre en los transformadores reales es que existen pequeñas pérdidas que se manifiestan en forma de calor. Estas pérdidas las causan los materiales que componen un transformador eléctrico, y pueden ser de diferentes tipos:
- Pérdidas en el cobre. Debidas a la resistencia propia del cobre al paso de la corriente.
- Pérdidas por corrientes parásitas. Son producidas por la resistencia que presenta el núcleo ferromagnético al ser atravesado por el flujo magnético.
- Pérdidas por histéresis. Son provocadas por la diferencia en el recorrido de las líneas de campo magnético cuando circulan en diferente sentido cada medio ciclo.
- Pérdidas a causa de los flujos de dispersión en el primario y en el secundario. Estos flujos provocan una autoinductancia en las bobinas primarias y secundarias.
Aplicaciones de los transformadores
Los transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica. Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así las pérdidas en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los que podamos trabajar.
Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos electrónicos, ya que normalmente trabajan a tensiones de un valor inferior al suministrado por la red.
Además, los transformadores forman parte de un elemento clave en la seguridad eléctrica de los hogares: el diferencial. Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.
