Transformadores: conexiones, relación de transformación, rendimiento y caída de tensión
Conexión en paralelo de transformadores
Para poder conectar transformadores en paralelo es necesario que las tensiones de los primarios y de los secundarios sean iguales, que tengan el mismo índice horario (grupo de conexión) y la misma secuencia de fases.
El reparto de la carga depende de la impedancia de cortocircuito de cada uno. Por ello, conviene conectar en paralelo transformadores con la misma potencia nominal y la misma tensión de cortocircuito.
Desfase entre el primario y el secundario
Si se conectan de la misma forma (Yy o Dd), el ángulo de desfase entre el devanado de alta y el de baja es de 0º (en fase) o 180º (en oposición de fase), según la posición de salida.
Si se conectan de forma diferente, el desfase será de 150º o 180º, que se expresa de forma horaria: el primario en el minuto y el secundario en la hora. Como un reloj esférico tiene 360º / 12 = 30º por hora, un desfase de 150º equivale a 150 / 30 = 5 horas.
Autotransformador
Utiliza el mismo núcleo para transformar, pero con un solo devanado y una conexión intermedia. Al conjunto de espiras se le aplica la tensión mayor U1 (primario). Al estar la toma intermedia conectada a una de las espiras, la tensión entre esta y el otro extremo es U2 (secundario).
El devanado unido a la salida tiene una corriente Ic = I1 - I2, lo que permite reducir la sección de los conductores y el tamaño del núcleo.
Transformador monofásico
Consta de dos bobinas, una primaria y otra secundaria, arrolladas sobre un núcleo magnético común (chapa magnética). En el primario se conecta la tensión de entrada y en el secundario la de salida. Puede ser reductor o elevador.
¿Cómo cambia la tensión?
Al conectar la bobina primaria a una tensión senoidal aparece una corriente que provoca un flujo magnético variable en el núcleo. Este flujo se cierra por todo el núcleo y corta los conductores de la bobina secundaria, creando una fuerza electromotriz en ella según la ley de la inducción electromagnética.
La transformación de energía eléctrica se produce, por tanto, mediante un campo magnético variable, quedando ambos circuitos aislados entre sí. La bobina primaria transforma la energía en campo magnético variable y la secundaria actúa como un generador que transforma dicho campo en energía eléctrica.
Conexión con carga capacitiva
Al invertir el ángulo de la carga, para determinados valores la caída de tensión puede ser nula o negativa, es decir, puede aparecer una tensión en bornes de salida con carga superior a la existente en vacío.
Rendimiento
En un transformador ideal no hay pérdidas, por lo que la potencia absorbida por el primario es íntegramente entregada al secundario. En un transformador real, la potencia absorbida aumenta debido a las pérdidas en el hierro y en el cobre.
El rendimiento es la relación entre la potencia entregada a la carga por el secundario (P2) y la potencia absorbida de la red por el primario (P1), expresada en porcentaje:
η = P2 / P1 × 100
La potencia que toma de la red es la suma de la potencia suministrada a la carga, las pérdidas del circuito y las pérdidas en el cobre: P1 = P2 + PFe + PCu, por lo que η = P2 / (P2 + PFe + PCu) × 100.
Caída de tensión
Es la diferencia algebraica entre la tensión eficaz del secundario en vacío (E2) y la que aparece cuando el transformador trabaja con carga (U2):
u = E2 - U2
Se expresa en valores porcentuales referidos a la tensión de vacío, y se calcula con ayuda del circuito equivalente, los parámetros de cortocircuito y la tensión de cortocircuito porcentual:
ε = (E2 - U2) / E2 × 100
ε = (Rcc I1 cos φ + Xcc I1 sen φ) / U1 × 100
ε = uRcc cos φ + uXcc sen φ
Pérdidas en el hierro
El núcleo está sometido a un campo magnético variable, lo que produce histéresis y corrientes parásitas. Estas pérdidas se transforman en calor dentro del núcleo, reduciendo el rendimiento del transformador.