Transformadores Eléctricos: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones

Un transformador eléctrico es una máquina estática que se utiliza para transportar y distribuir energía eléctrica desde las centrales hasta los puntos de consumo, con el objetivo de reducir las pérdidas tanto económicas como energéticas. Su función principal es permitir la transferencia de energía eléctrica de una forma eficiente, garantizando un mínimo de pérdidas en el proceso. En baja tensión (BT), se utiliza en equipos como relés y controladores en sistemas de refrigeración y climatización que operan a 12V o 24V/50Hz. Además, los transformadores tienen aplicaciones en la medición de intensidad y tensión, así como en la protección de las personas en instalaciones eléctricas.

Transformadores de Potencia

Los transformadores de potencia se utilizan principalmente para el transporte y distribución de energía eléctrica. Aunque la mayoría son trifásicos, los transformadores monofásicos se emplean en instalaciones de baja tensión (BT). Estos transformadores convierten la energía eléctrica a diferentes niveles de tensión e intensidad para alimentar diversas cargas.

Transformador Ideal

Un transformador ideal convierte la energía eléctrica de un nivel de tensión e intensidad a otro, sin pérdidas de energía. Su funcionamiento se basa en la inducción electromagnética, donde un flujo magnético variable genera una fuerza electromotriz (Fem) en un devanado, que depende de la relación entre el número de espiras en los devanados primario y secundario. La relación de transformación (rt) está dada por la fórmula:

\(\frac{V1}{V2} = \frac{N1}{N2} = \frac{I2}{I1}\)

Los transformadores pueden ser reductores, elevadores o de igual relación de espiras, dependiendo de la relación de tensiones y corrientes. Un transformador ideal no tiene pérdidas de energía, y la potencia absorbida por el primario es igual a la suministrada por el secundario.

Transformador Monofásico Real

El transformador monofásico real presenta diversas pérdidas que afectan su eficiencia. Las pérdidas por efecto Joule se deben a la resistencia de los devanados, lo que genera calor. Además, el núcleo de hierro sufre pérdidas por histéresis magnética y corrientes parásitas. También hay un flujo de dispersión, que provoca que parte del flujo magnético no recorra el camino deseado, reduciendo la eficiencia del transformador. En estos transformadores, el rendimiento nunca alcanza el 100%, y su eficiencia varía entre el 95% y el 98%, con una caída de tensión interna que depende de la intensidad y el factor de potencia de la carga.

Valores Nominales del Transformador

Los valores nominales del transformador se refieren a los valores de potencia, tensión y corriente para los cuales el transformador está diseñado para operar.

• La potencia nominal aparente (SN) es la máxima potencia que el transformador puede absorber del primario y entregar al secundario, medida en KVA.
• La tensión nominal del primario (V1N) y la tensión nominal del secundario (V2N) son las tensiones a las cuales el transformador debe operar para entregar su potencia nominal.
• Las corrientes nominales \(I_{1N}\) y \(I_{2N}\) son las corrientes máximas que circulan por los devanados sin causar un calentamiento excesivo.

Caída de Tensión

La caída de tensión en un transformador está relacionada con la resistencia interna del secundario, que incluye la resistencia y reactancia de dispersión. En vacío, la tensión del secundario es igual a la fem generada en el devanado secundario. Sin embargo, cuando hay carga, la corriente genera una caída de tensión interna, y la tensión del secundario será menor que la tensión en vacío. Esta caída se puede calcular como \(\Delta V = V_{20} - V_2\), y en grandes transformadores de potencia, esta caída de tensión suele estar cerca del 5%.

Índice de Carga

El índice de carga (C%) es el porcentaje de la potencia nominal del transformador que está siendo absorbido por la carga. El funcionamiento del transformador varía según el índice de carga:

• Si \(C(\%) < 100\), el transformador está funcionando por debajo de su capacidad nominal, sin sobrecalentarse.
• Si \(C(\%) = 100\), el transformador está funcionando a plena carga, con corrientes nominales y sin riesgo de sobrecalentamiento.
• Si \(C(\%) > 100\), el transformador está sobrecargado, lo que puede provocar daños si no se activan sistemas de protección.

Rendimiento

El rendimiento de un transformador se define como la relación entre la potencia cedida al secundario (\(P_2\)) y la potencia absorbida del primario (\(P_1\)), y se calcula como \(\eta(\%) = \frac{P_2}{P_1} \times 100\). El transformador presenta pérdidas magnéticas (debido a la histéresis y las corrientes parásitas en el núcleo de hierro) y pérdidas por efecto Joule (debido a la resistencia de los devanados). Estas pérdidas dependen del estado de carga del transformador, y la potencia absorbida por el primario es igual a la suma de la potencia cedida al secundario y las pérdidas magnéticas y por efecto Joule.

Ensayo de Vacío

El ensayo de vacío es un procedimiento utilizado para medir las pérdidas magnéticas en el núcleo de un transformador sin carga conectada. Su objetivo principal es determinar las pérdidas en el hierro (debido a la histéresis y las corrientes parásitas), y obtener la tensión del secundario en vacío (\(V_{20}\)). Durante este ensayo, el primario se alimenta con la tensión nominal, pero la corriente primaria es muy pequeña, mientras que la corriente secundaria es nula, lo que hace que las pérdidas en el cobre sean despreciables. El ensayo permite obtener información sobre las características del transformador cuando no está conectado a ninguna carga.

Ensayo de Cortocircuito

El ensayo de cortocircuito tiene como objetivo evaluar las pérdidas en el cobre (\(P_{cu}\)) del transformador bajo condiciones de carga. El secundario se pone en cortocircuito, y se aplica una tensión controlada al primario hasta alcanzar la corriente nominal. A través de este ensayo, se mide la tensión de cortocircuito (\(V_{CC}\)) y las pérdidas de energía por el efecto Joule, generadas por la corriente en los devanados del primario. Se utilizan varios instrumentos de medición, como voltímetro, amperímetro y vatímetro, para obtener las lecturas necesarias.

Transformadores Trifásicos

Los transformadores trifásicos funcionan de manera similar a los monofásicos, pero con tres devanados, que se pueden conectar en diferentes configuraciones como estrella-estrella (Yy), estrella-triángulo (Yd), entre otras. Cada devanado está asociado a una fase diferente, y los flujos magnéticos se desfasan 120° entre sí. El núcleo del transformador trifásico está formado por tres columnas de hierro, y la distribución de los devanados se realiza en la parte superior (primario) y en la parte inferior (secundario).

Transformadores de Distribución

Los transformadores de distribución se utilizan para convertir la media tensión (MT) en baja tensión (BT) y suministrar electricidad a edificios residenciales y comerciales. Tienen potencias que varían entre 250 y 2500 kVA, y su tensión primaria nominal es de 20 kV, mientras que la tensión secundaria en vacío es de 420 V. Estos transformadores tienen un grupo de conexión Dyn11, y sus pérdidas incluyen tanto las de vacío (hierro) como las de carga (cobre) a plena carga.

Refrigeración y Protecciones

En cuanto a la refrigeración y protecciones, los transformadores utilizan sistemas de refrigeración con aceite o ventilación forzada. El aceite, además de proporcionar aislamiento, ayuda a disipar el calor generado durante el funcionamiento. Los transformadores pueden tener dispositivos como el relé Buchholz para detectar fallos internos, y se requiere un mantenimiento regular del aceite para evitar problemas.

Transformadores Secos

Los transformadores secos se caracterizan por su encapsulamiento en resinas ignífugas que proporcionan rigidez dieléctrica y facilitan la disipación del calor. Al no usar aceite, ofrecen mayor seguridad en interiores al reducir el riesgo de incendio. Requieren buena ventilación y tienen un mantenimiento mínimo en comparación con los transformadores con aislamiento líquido. Para proteger contra sobrecargas, utilizan un sistema de control de temperatura en los devanados mediante resistencias PTC y un relé que monitoriza la resistencia. En caso de sobrecalentamiento, el relé activa una alarma y desconecta el transformador si la sobrecarga persiste.

Autotransformador

El autotransformador tiene un solo devanado en el que las conexiones del primario y secundario se realizan de manera conjunta, generando una relación de transformación reducida. Esto reduce peso, volumen y caída de tensión, mejorando el rendimiento. Sin embargo, los devanados no están aislados, lo que limita su uso en aplicaciones donde la relación de transformación es pequeña. Se usa comúnmente en reguladores de tensión en laboratorios y pruebas de cortocircuito de transformadores.

Transformador de Intensidad

Este tipo de transformador reduce las corrientes elevadas a valores más pequeños y proporcionales, permitiendo su medición con aparatos estándar. Por el primario circula la corriente que se desea medir, y el secundario genera una corriente proporcional más pequeña. Estos transformadores suelen ser de barra pasante, con un núcleo toroidal. Un ejemplo práctico es la pinza amperimétrica, que mide sin interrumpir el circuito. Es importante no dejar el secundario abierto, ya que puede generar sobretensiones peligrosas. En instalaciones de baja tensión, se utilizan tres transformadores de intensidad para medir el consumo de cada fase en un contador trifásico.

Transformador de Protección

El transformador de protección se utiliza en instalaciones donde existe riesgo de contacto indirecto con tensiones peligrosas, como en ambientes húmedos o conductores. Aísla los devanados primario y secundario para evitar que la corriente de defecto regrese a tierra, protegiendo a las personas de descargas eléctricas. Estos transformadores tienen una relación de transformación 1:1, lo que significa que no modifican la tensión, pero se utilizan para aislar la instalación del sistema de tierra, siendo conocidos también como transformadores de separación.