Transformadores: Principios, Funcionamiento y Componentes Clave

Transformador como Máquina Eléctrica

Los transformadores son máquinas estáticas que tienen la misión de transmitir, mediante un campo magnético alterno, la energía de un sistema con una determinada tensión a otro sistema con una tensión diferente. Existen transformadores elevadores y transformadores reductores.

Según su finalidad, se clasifican en: transformadores de potencia, transformadores de comunicaciones y transformadores de medida. También existen otros criterios de clasificación: transformadores elevadores o reductores, transformadores monofásicos o trifásicos, para interior o de intemperie, con refrigeración natural o forzada, y en seco o en baño de aceite.

Transformador Monofásico

Constitución

Un transformador está constituido por un núcleo ferromagnético y dos arrollamientos: primario y secundario.

• Núcleo: Es el que sirve de acoplamiento magnético y permite la circulación del flujo magnético entre los arrollamientos primario y secundario. Está constituido por chapas de acero al silicio, aisladas eléctricamente entre sí, para reducir las pérdidas por histéresis magnética y corrientes parásitas.
• Arrollamientos: Constituidos por espiras circulares de hilo de cobre, donde se genera el flujo magnético que atraviesa el núcleo. Pueden ser simétricos, alternados, concéntricos o acorazados.
• Refrigeración: Sistema para disipar el calor generado durante el funcionamiento.

Principio de Funcionamiento del Transformador Monofásico

En un transformador ideal no existen pérdidas por histéresis, ni de flujo magnético, y la resistencia del arrollamiento es nula.

Transformador Monofásico Real en Vacío

En este caso, debemos considerar las pérdidas debidas a: histéresis magnética y corrientes parásitas, flujo de dispersión (Φd) y arrollamientos primario (R1) y secundario (R2). Estas pérdidas implican que la corriente Io no se encuentre desfasada 𝜋/2, sino un ángulo (φ)o.

Ip = Io · cos(φ)o (componente activa)

Im = Io · sen(φ)o (componente reactiva)

Pérdidas en el hierro (Pfe) = U1 · Ip

Reducción del Secundario al Primario

Los diagramas a escala quedarían muy poco proporcionados. Para evitar esta desproporción, recurrimos al método llamado reducción del secundario al primario.

Los vectores del primario no se modifican. Los vectores de tensión del secundario se multiplican por la relación de transformación, los vectores de intensidad del secundario se dividen, las impedancias se multiplican por la relación de transformación al cuadrado, las potencias no sufren variación, los ángulos no se modifican. Se suelen girar 180° los vectores del secundario.

Pérdidas y Rendimiento en el Transformador

Distinguimos dos tipos de pérdidas:

• Pérdidas en el cobre (Pcu): Ocurren en los arrollamientos debido a la resistencia del material conductor y la corriente que circula por ellos.
• Pérdidas en el hierro (Pfe): Se producen en el núcleo ferromagnético como consecuencia de la histéresis y de las corrientes de Foucault. Suelen ser constantes.