Transformador eléctrico
El transformador es un dispositivo eléctrico estático que se encarga de transferir energía por acoplamiento inductivo que se da entre sus circuitos y es muy usado en circuitos de electricidad y electrónica básica.
Los transformadores presentan muchos tamaños; van desde los microtransformadores que son utilizados en los micrófonos hasta los grandes transformadores que llegan a pesar cientos de toneladas y son usados en la interconexión de la red eléctrica. También poseen diversos diseños que son utilizados en aplicaciones de potencia eléctrica y electrónica. Su función es importante porque nos permite una correcta distribución, transmisión y utilización de la energía eléctrica.
El funcionamiento del transformador se basa en dos principios básicos: debe existir una corriente eléctrica capaz de producir un campo magnético y el otro principio es que un campo magnético variable dentro de una bobina de alambre pueda inducir un voltaje a través de los extremos de la bobina (proceso conocido como “inducción electromagnética”).
Finalmente, el voltaje inducido en la bobina lo calcularemos con la ayuda de la ley de inducción de “Faraday”.
Funcionamiento
Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro.
Este flujo originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario.
La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario.
Imaginemos que conectamos los extremos del bobinado primario a una fuente de tensión alterna de forma senoidal (exactamente como la tenemos en nuestras casas); imaginemos que el valor de voltaje es de 220 V.
Lo que ocurre es que, gracias a la tensión variable, comienza a circular por la bobina una pequeña corriente eléctrica; a su vez, dicha corriente genera un flujo magnético variable que circula por el núcleo. Dicho flujo corta las espiras del bobinado secundario e induce una fuerza electromotriz o FEM en el mismo; dicha FEM dependerá del número de espiras que tenga el devanado secundario.
Recordar que una espira es cada una de las vueltas que posee el devanado. Asimismo, se aclara que la FEM inducida en el devanado secundario es también variable, al igual que el flujo que le da origen.
Por lo tanto, vemos que en el transformador la energía eléctrica se transfiere de un bobinado a otro en forma de energía magnética (campo magnético); de ese modo el devanado primario convierte la energía eléctrica en un campo magnético variable y el devanado secundario lo convierte nuevamente en energía eléctrica gracias al fenómeno de inducción electromagnética.
Componentes de un transformador
El transformador está compuesto por varios componentes clave, cada uno desempeñando un papel fundamental en su funcionamiento.
Núcleo
El núcleo está formado habitualmente por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro.
La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire, favoreciendo las pérdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para reducir las corrientes de Foucault y, consiguientemente, reducir las pérdidas de energía en el núcleo.
Algunos transformadores no tienen núcleo y se les denomina transformadores sin núcleo o con núcleo de aire. Un núcleo de aire es esencialmente un núcleo sin pérdidas por histéresis o corrientes de Foucault. Sin embargo, la inductancia de dispersión es muy alta, siendo inapropiados para la transmisión de potencia.
Por el contrario, tienen un ancho de banda muy alto y se emplean frecuentemente en aplicaciones de radiocomunicación. Dentro del concepto de transformadores de núcleo de aire entran también los sistemas de carga inalámbrica y las bobinas de Tesla.
Núcleo en columnas
Alrededor de cada columna se arrolla un devanado. Una culata superior y una culata inferior cierran el circuito magnético del núcleo.
Núcleo acorazado o núcleo envolvente
Además de las columnas, dos culatas laterales sin devanados se disponen a los lados. Evitan los flujos de dispersión.
Núcleo toroidal
El núcleo consiste en un anillo (toroide), normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.
Núcleo de grano orientado
El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas, pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.
Núcleo de aire
En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.
Bobinas
Las bobinas son generalmente de cobre enrollado en el núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna, inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico, el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.
Disposición
El devanado primario y secundario se suelen arrollar uno dentro del otro. La razón es reducir al máximo la inductancia de dispersión y aprovechar al máximo el núcleo magnético disponible. Entre los arrollamientos es necesaria una capa aislante, puesto que ambos funcionan a tensiones diferentes. Para evitar tener espesores de capa aislante demasiado gruesos, lo más habitual es encontrar el devanado de baja tensión arrollado sobre el núcleo y el devanado de alta tensión arrollado sobre el devanado de baja tensión.
Aislamiento
Debido a que las diferentes partes eléctricas de un transformador se encuentran a distintas tensiones, es necesario aislarlas entre sí para evitar la aparición de arcos eléctricos y consecuente degradación de los componentes. Existen varios tipos de aislamiento en un mismo transformador.
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Aislamiento entre arrollamiento y núcleo: En transformadores de alta tensión, suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral.
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Aislamiento entre distintos arrollamientos: en transformadores de alta tensión, suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral.
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Aislamiento entre espiras no consecutivas de un mismo arrollamiento: dos espiras diferentes de un transformador tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas. En transformadores de alta tensión puede ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral o una capa de laca sobre el cobre.
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Aislamiento entre espiras consecutivas de un mismo arrollamiento: incluso dos espiras consecutivas tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas entre sí. Una fina capa de laca sobre el cobre suele hacer esta función.
Tipos de Transformadores
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Por su fase (monofásico, trifásico).
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Autotransformador.
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Impedancia.
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Potencia.
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Comunicaciones.
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Medida.
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Elevador/reductor de voltaje.
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Aislamiento.
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Alimentación.
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Con diodo dividido.
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Frecuencia variable.
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Pulsos.
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De línea o flyback.
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Híbrido.
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Balún.
Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario.
Pueden Adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o de triángulo (Δ).
Es un caso particular de transformador de pulsos.
Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal.
Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (Foco, filamento, etc.).
Además de Poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios.
Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo.
A veces incorporan fusibles que cortan su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio.
Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador.
Se emplean en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto.
Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización.
Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja auto inducción) destinado a funcionar en régimen de pulsos.
Además una muy versátil utilidad en cuanto al control de tensión 220v.
Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal “flotante”.
Suele tener una relación 1:1.
Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red.
También para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en equipos de electro medicina y allí donde se necesitan tensiones flotantes entre sí.