Transformadores: tipos, funcionamiento y circuito equivalente

Transformadores: Conceptos Básicos

Un transformador es una máquina eléctrica estática que permite modificar la energía eléctrica de corriente alterna (CA) de un nivel de voltaje a otro, mediante la acción de un campo magnético. Un transformador típico consiste en dos bobinas de alambre conductor, eléctricamente aisladas, pero envueltas alrededor de un núcleo magnético común. La única conexión entre estas bobinas es el flujo magnético que circula por el núcleo. Una de las bobinas, denominada primario, se conecta a una fuente de tensión de CA, mientras que la otra, llamada secundario, suministra energía eléctrica a las cargas.

Construcción de Transformadores

Existen dos tipos principales de construcción de transformadores: tipo núcleo y tipo acorazado. En ambos casos, el núcleo se construye con láminas delgadas de material ferromagnético, aisladas entre sí, para minimizar las corrientes parásitas. En el tipo acorazado, los bobinados están envueltos uno dentro del otro, con el de baja tensión en la parte interna.

Transformador Ideal vs. Transformador Real

Un transformador ideal es un modelo teórico sin pérdidas, donde el valor de las impedancias varía con el voltaje de cada lado del transformador. Sin embargo, en la práctica, los transformadores reales presentan pérdidas.

En un transformador real, al conectar el primario a una fuente de tensión alterna con el secundario desconectado, se produce un flujo magnético debido al bobinado primario. Este flujo es atravesado por la corriente de magnetización. Según la ley de Faraday, el flujo magnético depende también del número de vueltas. Este flujo alcanza la bobina secundaria, aunque parte de él se pierde por el camino (flujo de dispersión). Sin embargo, se considera que este flujo de dispersión es muy pequeño. El voltaje que aparece en el secundario se puede considerar aproximadamente igual al producto del voltaje del primario por la relación de transformación.

Corriente en Vacío

La corriente en vacío es necesaria para producir un flujo magnético en el núcleo. Se compone de la corriente de magnetización y la corriente de pérdidas en el núcleo o hierro. Estas corrientes no tienen formas exactamente senoidales. Cuando el transformador se carga, aparece una corriente de alimentación en el secundario que tiene su reflejo en el primario. Esta corriente es la suma de la corriente de magnetización y la corriente que alimenta la carga. Además, se produce una caída de tensión (U2 es menor a U2 en vacío).

Circuito Equivalente del Transformador

Las pérdidas de un transformador deben ser consideradas en cualquier modelo de comportamiento. El circuito equivalente exacto no es muy práctico para cálculos rápidos. Lo interesante es convertir todo el circuito a un nivel de voltaje único, ya sea en el primario o en el secundario. Los detalles a tener en cuenta son:

• Pérdidas en el cobre: Son pérdidas por efecto Joule en los bobinados. Para modelar este efecto, se incorpora una resistencia en el primario y otra en el secundario (R1 y R2).
• Flujo de dispersión: Son flujos magnéticos que escapan del núcleo, produciendo una inductancia en el primario y otra en el secundario. Estas inductancias se representan mediante reactancias (X1 y X2).
• Pérdidas por corrientes parásitas: Son pérdidas por efecto Joule en el núcleo. Este efecto se puede modelar con una resistencia en paralelo con la fuente de alimentación (Rfe).
• Pérdidas por histéresis: Están asociadas con la reorientación de los dominios magnéticos en el núcleo. Se modelan con una reactancia en paralelo con la fuente de alimentación (Xm).

Circuito Equivalente Reducido al Primario

El circuito equivalente del secundario sería similar, pero con todos los elementos referenciados a ese voltaje. El circuito exacto es complejo, por lo que se suelen utilizar aproximaciones muy precisas. Una aproximación común es sumar R1+R2 y X1+X2, dejando la rama de magnetización en el lado del primario. Para cálculos menos precisos, se puede incluso prescindir de la rama de magnetización.

Determinación de los Parámetros del Circuito Equivalente

Es posible determinar los valores de los parámetros del circuito equivalente utilizando dos ensayos: el ensayo de vacío (o circuito abierto) y el ensayo de cortocircuito.

Ensayo de Vacío

En el ensayo de vacío, la bobina secundaria está en circuito abierto y la primaria conectada a un voltaje nominal. En estas condiciones, solo circula la corriente de vacío.

Ensayo de Cortocircuito

En el ensayo de cortocircuito, los terminales secundarios están en cortocircuito y los primarios conectados a una fuente de voltaje variable. El voltaje de alimentación se ajusta hasta que la corriente en el primario sea la nominal.

Transformadores Trifásicos

Un transformador trifásico se puede construir de dos maneras: usando tres transformadores monofásicos conectados en grupo trifásico, o bien, construyendo un único transformador con tres juegos de devanados sobre un núcleo común. La segunda opción tiene la ventaja de ser más ligera, pequeña, barata y eficiente. Según el tipo de conexión, se tienen cuatro posibilidades: estrella-estrella, triángulo-estrella, triángulo-triángulo y estrella-triángulo. Tanto el circuito equivalente como las expresiones simplificadas son válidas para transformadores trifásicos, con la precaución de que el circuito equivalente se refiere a una fase.