Transformadores Eléctricos: Principios de Funcionamiento y Pérdidas

Transformadores Eléctricos

Un transformador es un dispositivo electromagnético estático que permite transferir energía eléctrica de un circuito a otro, transformando los niveles de tensión y corriente, basado en el principio de inducción electromagnética.

Principio de Funcionamiento

Funcionamiento en Vacío Ideal

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Si se conecta la bobina primaria a una fuente de tensión alterna, circula por ella una corriente alterna. Esta corriente genera un campo magnético alterno en el núcleo, el cual induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) alterna en la bobina secundaria. Simultáneamente, se induce una f.e.m. autoinducida en la bobina primaria, que se opone a la tensión aplicada y limita el paso de la corriente.

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En el modelo ideal en vacío, la corriente en vacío (I₀) se encuentra 90º en atraso con respecto a la tensión aplicada (V₁). El flujo magnético (Φ) está en fase con esta corriente I₀. La f.e.m. inducida en el secundario (E₂) y la f.e.m. autoinducida en el primario (E₁) están 90º en atraso con respecto al flujo magnético Φ (y por tanto, 180º desfasadas respecto a V₁).

Funcionamiento en Carga

Si se conecta una carga al circuito secundario y se cierra, circula por él una corriente (I₂). Esta corriente genera su propio campo magnético (Φ₂), el cual, según la Ley de Lenz, se opondrá al campo magnético principal (Φ) generado por el primario. Esta oposición reduce el flujo neto en el núcleo, disminuyendo así la f.e.m. autoinducida (E₁) en el primario. Al reducirse esta f.e.m. opuesta, la corriente en el primario (I₁) aumenta para compensar y mantener el flujo necesario, suministrando la potencia demandada por la carga.

Pérdidas en Transformadores Reales

• Pérdidas por Efecto Joule (Pérdidas en el Cobre)

  Se deben a la resistencia óhmica de los bobinados primario y secundario (R₁ y R₂). La energía se disipa en forma de calor (I²R). Para reducirlas, se utilizan conductores de baja resistividad (como el cobre) y de sección adecuada.

• Pérdidas por Histéresis

  Ocurren debido a la imanación y desimanación cíclica del núcleo ferromagnético con la corriente alterna. Parte de la energía se pierde en forma de calor en cada ciclo. Para minimizarlas, se emplean materiales magnéticos blandos con un ciclo de histéresis estrecho (como el acero al silicio).

• Pérdidas por Corrientes Parásitas (o de Foucault)

  Al ser el núcleo un material conductor inmerso en un campo magnético variable, se inducen en él corrientes eléctricas (corrientes parásitas o de Foucault). Estas corrientes circulan por el núcleo, generando calor por efecto Joule. Para reducirlas significativamente, el núcleo se construye con láminas delgadas, aisladas eléctricamente entre sí, orientadas paralelamente a la dirección del flujo magnético. Esto aumenta la resistencia al paso de estas corrientes.

Diagrama Vectorial en Vacío Real

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En un transformador real operando en vacío, la corriente primaria (I₀) no está exactamente a 90º de la tensión aplicada (V₁) debido a las pérdidas en el núcleo. Esta corriente I₀ se descompone en dos componentes:

• La corriente magnetizante (Im): En fase con el flujo magnético (Φ) y 90º en atraso respecto a la f.e.m. inducida (E₁). Es la responsable de crear el flujo.
• La corriente de pérdidas (Ip): En fase con la tensión aplicada (V₁) y representa las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo.

La suma vectorial de Im e Ip da como resultado la corriente en vacío total (I₀), que está en atraso respecto a V₁ un ángulo inferior a 90º. Las f.e.m. inducidas E₁ y E₂ siguen estando aproximadamente 90º en atraso respecto al flujo Φ.

Además, para obtener la tensión aplicada en el primario (V₁), a la f.e.m. inducida E₁ (considerada opuesta a V₁) hay que sumarle vectorialmente las caídas de tensión debidas a la resistencia (I₀R₁) y a la reactancia de dispersión (I₀X₁) del bobinado primario, aunque en vacío estas caídas suelen ser muy pequeñas.