Definición

Un transformador es una máquina eléctrica estática que convierte energía eléctrica en magnética y la transforma de nuevo en energía eléctrica, pero con diferentes características de tensión e intensidad que la inicial o de entrada. También se define como una máquina electromagnética capaz de transferir energía eléctrica de un bobinado llamado primario a otro secundario.

Son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética. Constituidos, en sus formas más simples, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario, según corresponda a la entrada o salida del sistema, respectivamente.

Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Vp), aplicada al devanado primario, y la fuerza electromotriz inducida (Vs), obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns).

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, disminuyendo así las pérdidas por efecto Joule y minimizando el costo de los conductores al ser de menor sección.

Tipos de Transformadores

Según el número de derivaciones en cada devanado:

Monofásicos

Con arrollamientos únicos en el primario y el secundario; por ejemplo, el que con una tensión de entrada de 220 V entrega 25 V a la salida.

Trifásicos

Tiene 3 bobinados en su primario y 3 en su secundario. Puede adoptar forma de estrella (Y) con hilo de neutro o no, triángulo (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. (Al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones varían).

Transformador elevador/reductor de tensión

Son empleados en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, siendo necesario reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización.

Transformador de aislamiento

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal «flotante». Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red.

Transformador de alimentación

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorporan fusibles que cortan su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que este se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva e, incluso, riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador.

Transformador de línea o flyback

Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Además, suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.).

Transformador con diodo dividido

Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para proporcionar la tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo solo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicador.

Estabilizador de tensión

Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética.

Balun

Es muy utilizado como balun para transformar líneas de transmisión equilibradas en no equilibradas y viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador.

Transformador electrónico

Posee bobinas y componentes electrónicos. Son muy utilizados en la actualidad en aplicaciones como cargadores para celulares. No utiliza el transformador de núcleo en sí, sino que utiliza bobinas llamadas filtros de red y bobinas CFP (corrector factor de potencia) de utilización imprescindible en los circuitos de fuente de alimentaciones conmutadas.

Transformador de impedancia

Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

Constitución y Funcionamiento

Circuito magnético

• Chapas de acero al silicio
• Cubierto por material aislante
• Devanados
• Disposición de los devanados

CONCÉNTRICO ALTERNADOS

Refrigeración

Efecto de pérdidas en el hierro y en el cobre por la corriente eléctrica.

Es necesario disipar el calor.

• TRANSFORMADOR SECO (por aire)
• TRANSFORMADOR en BAÑO DE ACEITE (aislante, refrigerante, tiene aditivos)

Pérdidas

Todas las máquinas, naturales o artificiales, experimentan pérdidas de energía para su funcionamiento. El transformador es una máquina casi ideal, porque su rendimiento es elevado (entre el 95 y el 99%).

Pérdidas en el HIERRO

• Pérdidas por Corrientes Parásitas (o de Foucault)
• Pérdidas por Ciclo de Histéresis

Pérdidas en el COBRE

• Pérdidas por la Resistividad del Cobre

Para minimizar las pérdidas por Corrientes Parásitas, las chapas magnéticas se fabrican aleándolas con silicio con el fin de aumentar su resistividad; y también se las fabrican laminadas con el fin de interrumpir los circuitos volumétricos donde puedan generarse.

Las pérdidas por Ciclo de Histéresis están directamente relacionadas con las características intrínsecas de los materiales magnéticos empleados en la construcción de las chapas. El ciclo de histéresis es el responsable de la magnetización remanente del núcleo. Con buenos materiales (núcleos de grano orientado), es posible minimizar esta pérdida, pero no eliminarla por completo.

En cuanto a las pérdidas por Resistividad en el Cobre, se reducen grandemente aplicando cobre electrolítico con la menor cantidad de impurezas posible.

Autotransformador

Es un tipo específico de transformador que se caracteriza por disponer de un solo bobinado; no dispone de separación eléctrica entre los circuitos primarios y secundarios. Convierte de 220 V a 125 V y viceversa.

Su principal inconveniente es que no existe un aislamiento galvánico entre los bobinados primario y secundario. No olvidemos que, en un transformador normal, los bobinados se encuentran eléctricamente aislados entre sí.

Ante una falla, se pueden generar tensiones muy elevadas respecto a tierra.

Relación de las impedancias

Para una fuente que se encuentre en el primario, verá la impedancia ZL en el secundario como si fuera de otro valor Zin.

Un transformador es utilizado para adaptar la alta impedancia de salida (1 kohm) de un amplificador de audio a la impedancia de salida de los altavoces (8 ohm). Si el primario tiene 640 espiras, ¿cuántas espiras tendrá el secundario?

Determinación de los parámetros (1 paralelos)

Prueba de circuito abierto

Se coloca un vatímetro en el primario y se aplica voltaje a este con el secundario desconectado.

La potencia consumida por el vatímetro equivale a las pérdidas en el núcleo.

Los voltios-amperios obtenidos con el voltímetro y el amperímetro se utilizan para encontrar la potencia reactiva en el primario, que se utiliza para encontrar la inductancia de magnetización.

Prueba de cortocircuito

Se cortocircuita el secundario y se aplica voltaje en el primario hasta que circule la corriente nominal en el secundario.

La potencia indicada en el vatímetro equivale a las pérdidas en las resistencias del embobinado (r1 y r2).

La potencia aparente, que se obtiene multiplicando la lectura del amperímetro y del voltímetro, se utiliza para encontrar la inductancia correspondiente al flujo (leakage) a través de la potencia reactiva (l1 y l2).

Construcción de los transformadores

Los devanados primarios y secundarios se pueden enrollar en lados opuestos del núcleo, como la figura de arriba. Esta configuración recibe el nombre de core.

Otra forma de enrollar los devanados es en forma concéntrica. El secundario se enrolla encima del primario. Esta configuración recibe el nombre de shell y tiene la ventaja sobre la primera que tiene menos “leakage flux”, que, como se verá más adelante, reduce la inductancia en serie y, por tanto, mejora la regulación de voltaje.