Transformadores Monofásicos de Potencia

Un transformador monofásico de potencia es un aparato que absorbe energía eléctrica de una red, caracterizada por una tensión eléctrica U₁ y una corriente I₁, y la transfiere a una impedancia de carga Z_c, con otra tensión U₂ y otra corriente I₂. Es una máquina de CA, sin piezas móviles, y tiene por lo menos dos arrollamientos que se montan en las columnas de hierro laminado, fabricado con chapas magnéticas de buena calidad.

El arrollamiento por donde el transformador recibe la energía eléctrica se conecta a una tensión U₁ y se denomina arrollamiento primario. El arrollamiento que entrega la energía a la carga Z_c lo hace con una tensión U₂ y se denomina secundario. Entre el primario y el secundario no existe conexión eléctrica; el nexo de unión entre ambos es el flujo magnético alterno, cuyo valor eficaz llamaremos ø, y se concatena (ver figura).

Simplificaciones

• Las resistencias de los bobinados son pequeñas como para despreciarlas (R → 0).
• Las pérdidas en el núcleo del hierro y en los arrollamientos son también despreciables (P_Fe → 0; P_Cu → 0; P_Fe + P_Cu → 0 → η = 1).
• Siendo ø₂ el ángulo de desfasaje entre U₂ e I₂, y ø₁ entre U₁ e I₁, podemos decir que ø₁ = ø₂.

Pérdidas en el Cobre en Vacío

Si en la condición de vacío suponemos que R₁ es distinto de cero (R₁ ≠ 0), las pérdidas en la resistencia óhmica del primario van a ser igual a I₀² x R₁ (P_R1 = I₀² x R₁). En el secundario no hay pérdidas para esta condición porque I₂ = 0.

Supongamos que I₀ será el 5% de I₁ nominal: (P_R1)₀ = (0,05)² x I_1N² x R₁ → P_R10 = 0.0025 x P_R1 nominales. Las pérdidas en el arrollamiento primario, cuando el transformador trabaja en vacío, son apenas del orden del 0.25% de las pérdidas nominales.

Si medimos la potencia que el transformador consume en vacío, esta potencia equivale a las pérdidas en el hierro, ya que podemos decir: (P_R1)₀ → 0; (P_Fe)₀ = P₀.

Pérdidas en el Hierro

Cuando por una bobina con un núcleo de hierro circula una CA, el flujo magnético que se produce también es alterno, y por esto se producen pérdidas que se manifiestan como calentamiento del núcleo ferromagnético. P_Fe = P_h + P_p.

• P_h: Son las pérdidas que se producen en razón del fenómeno de histéresis magnética al que da origen la CA magnetizante.
• P_p: Son las pérdidas producidas por las corrientes parásitas que el flujo magnético alterno induce en la masa metálica del núcleo.

Tipos de Transformadores

Transformadores de Distribución

Son los que se construyen masivamente para potencias pequeñas y medianas, por lo general para tensiones normalizadas comunes.

Transformadores de Potencia

Son los que se construyen a pedido o en reducidos lotes de fabricación para uso en las grandes redes eléctricas, en las estaciones transformadoras o en las centrales de energía.

Transformadores de Medida

Este tipo de transformadores se emplean para medir magnitudes eléctricas fundamentales como la tensión y la corriente, cuando los valores de las mismas exceden los alcances normales de los instrumentos o bien cuando tales magnitudes no pueden ser medidas directamente.

Paralelo de Transformadores

La razón más común para conectar transformadores en paralelo es el crecimiento de la carga; cuando esta supera la potencia del transformador instalado, se suele optar por disponer otra unidad en paralelo.

Ventajas

1. Frente a la falla de una unidad, se puede seguir operando con la otra, aunque sea suministrando una potencia menor y atendiendo los servicios más importantes.
2. Es más económico agregar una unidad a la ya existente que instalar una nueva de mayor tamaño.
3. Si la demanda es muy variable y se dispone de varias unidades, se las puede ir agregando a medida que la carga lo exige y reducir las pérdidas que resultan de operar una máquina de gran potencia con baja carga. Si la demanda tiene poca variación, siempre es más eficiente operar una unidad de menor potencia.

Condiciones para la Puesta en Paralelo

1. Las tensiones secundarias de transformación deben ser iguales.
2. Las relaciones de transformación deben ser iguales.
3. Las tensiones de cortocircuito deben ser iguales.
4. Las impedancias en cortocircuito deben tener el mismo ángulo de desfasaje.

La primera de las condiciones se debe cumplir necesariamente, es decir, si no se cumpliera, no se puede hacer el paralelo porque se produciría un cortocircuito; las demás admiten diferencias: la segunda, muy pequeñas, y la cuarta es muy poco importante. La primera condición tiene que ver con la forma en que se deben conectar los transformadores, mientras que las restantes determinan el comportamiento de los transformadores ya conectados en paralelo.

Si bien no es una condición necesaria, las potencias de los transformadores deben ser próximas entre sí (2 o 3 a 1 como máximo); si hay mucha diferencia entre sí, a menos que sea un caso especial, seguramente no resultará económico realizar el paralelo.