Entendiendo los Transformadores: Principios Clave y Aplicaciones Prácticas

El principio del transformador es uno de los componentes eléctricos más importantes en un sistema de energía CA. Hoy en día, muchos circuitos utilizan transformadores que son esenciales y constituyen la columna vertebral de cómo alimentamos todo.

Este artículo te enseñará sobre su principio de funcionamiento, estructura básica y aplicaciones para que puedas encontrar el transformador adecuado para tus necesidades.

1. ¿Qué es un transformador?

Un transformador es un dispositivo eléctrico utilizado para transmitir energía eléctrica de un circuito eléctrico a otro. Además, mantiene el factor de potencia en la unidad y garantiza que los niveles de voltaje permanezcan inalterados en ambos circuitos.

2. Tipos de Transformadores

Las clasificaciones de los tipos de transformadores son las siguientes:

Según la construcción

1. Transformador de núcleo: Los componentes del núcleo pueden consistir en láminas de acero, chapas de acero al silicio o aleaciones de hierro como el acero al silicio. También tiene bobinas cilíndricas de alambre como devanados, con los devanados de baja tensión colocados más cerca del núcleo.
2. Transformador de carcasa: Es aquel que alberga todo el núcleo, la bobina y el aislamiento dentro de una carcasa de aluminio o acero. Generalmente adopta forma rectangular.

Según el tipo de alimentación

1. Transformador monofásico: Este tipo es un dispositivo de un solo devanado con una bobina conectada al lado primario y otra al lado secundario del transformador.
2. Transformador trifásico: Consta de tres bobinas conectadas a cada lado del núcleo. Además, cada conexión de bobina está dispuesta de manera que producen campos magnéticos mutuamente perpendiculares.
3. Autotransformador: Este tipo utiliza dos devanados a cada lado para la transformación de voltaje tanto elevador como reductor.

Según el tipo de refrigeración

1. Transformadores sumergidos en aceite: Disipan el calor generado por la corriente eléctrica a través del medio del aceite.
2. Transformador de núcleo de aire: Aquel en el que disipa el calor generado por la corriente eléctrica a través del aire.

Según su uso

1. Transformador de corriente: Utilizado para medir corrientes muy altas en la transmisión de energía eléctrica.
2. Transformador de potencial: Mide voltajes de CA muy altos.

Según su propósito

1. Transformador elevador: Proporciona la función de cambiar el nivel de voltaje de bajo a alto.
2. Transformador reductor: Proporciona la función de cambiar el nivel de voltaje de alto a bajo.

3. Aplicaciones de los transformadores

Las aplicaciones de los transformadores incluyen:

• En primer lugar, uso industrial y de laboratorio y regulación de voltaje en sistemas de energía para aumentar o disminuir el voltaje de suministro.
• En segundo lugar, generación y distribución de energía eléctrica, y las industrias minera, petrolera y de gas.
• En tercer lugar, elevar o reducir voltajes de CA de líneas de suministro de energía eléctrica.
• Uso en tecnología de radio para elevar o reducir señales de alta frecuencia para transmisión a distancias más largas sin pérdida de intensidad de señal. Común en transformadores de audio y transformadores comerciales.
• Por último, circuitos de electrónica de potencia donde pueden funcionar como reguladores automáticos de voltaje.

4. Estructuras Básicas de un Transformador

Las estructuras de un transformador básico incluyen:

• Núcleo laminado: Compuesto por piezas de hierro laminadas dispuestas de manera que proporcionen un camino mínimo para el flujo magnético. Además, el núcleo actúa como un circuito magnético cerrado.
• Devanado primario: Colocado alrededor del núcleo en cualquier dirección y aislado del núcleo. Las bobinas son de alambre de cobre.
• Devanado secundario: Colocado alrededor del primario y aislado de él, ambos en la misma dirección o con polaridad inversa a la del primario.

Construcción Básica del Transformador:

Un transformador consta de dos o más bobinas (devanados) enrolladas alrededor de un núcleo de acero laminado. Los devanados de entrada (devanado primario) se conectan a un terminal de la fuente de alimentación. Y los devanados de salida (devanado secundario) se conectan a través del circuito de carga.

Los siguientes son los pasos básicos en la construcción de un transformador:

• Primero, fabricación de bobinas primarias y secundarias: Usar cinta aislante o recubrimiento de esmalte para separar los devanados de estas bobinas entre sí.
• Luego, montaje de estas bobinas en un núcleo común de hierro blando que consiste en láminas de acero al silicio altamente laminadas envueltas con cinta aislante para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault. La unión de estas laminaciones del núcleo del transformador es en forma de tiras. Importante, las láminas deben tener alto contenido de silicio para reducir la pérdida por histéresis. Además, la bobina primaria se conecta a un extremo del núcleo mientras que la otra se conecta a la bobina secundaria. También se necesitan bujes adecuados al aislar y sacar los terminales del tanque del transformador.
• Blindaje de bobinas: Utilizado para proteger el devanado primario de efectos electromagnéticos causados por voltajes inducidos en transformadores que pueden causar fallas catastróficas. Del mismo modo, esto se hace envolviendo cintas aislantes adicionales en ambos lados de estas bobinas.

5. Principio de Funcionamiento de un Transformador

El principio básico involucrado en el funcionamiento de los transformadores es la ley de Faraday de inducción electromagnética: N*dΦ/dt (Ley de Faraday), donde N es el número de vueltas de la bobina.

La ley establece que un flujo eléctrico se induce en un circuito cerrado cuando el flujo magnético vinculado a él cambia. Este fenómeno resulta de la inductancia mutua de las corrientes presentes a través de estos dos circuitos. Aquí está la explicación:

Cuando una corriente eléctrica fluye a través del devanado primario, crea un campo magnético alrededor de este devanado. Por lo tanto, produce un flujo magnético alrededor de la bobina primaria también. Luego, el núcleo del transformador proporciona un camino para que este flujo conecte los devanados. Sin embargo, no todo el flujo se enlaza con el devanado secundario y por eso se llama flujo de fuga. Después, se produce una inducción de voltaje en la bobina secundaria. Esto se debe a la inducción mutua entre bobinas enrolladas en un núcleo de hierro común a través del acoplamiento en el núcleo magnético.

Este proceso crea una fuerza electromotriz inducida ya que intenta oponerse al flujo de corriente a través de ella y viceversa. El voltaje inducido en la bobina secundaria actúa como una carga para el devanado primario.

Nota: Un transformador es un dispositivo estático; por lo tanto, los cambios en los niveles de voltaje ocurren debido a la inducción magnética, no por el movimiento de sus materiales sólidos.

Ahora, veamos términos importantes al tratar con transformadores.

Relación de vueltas en transformadores

La relación entre el número de vueltas en el devanado primario y el de la bobina secundaria. Este número indica cuántas veces se reduce el nivel de voltaje en el circuito primario después de ser reducido a través del transformador.

Su representación es X/Y. 'X' denota el número de vueltas en la bobina primaria (Np) e 'Y' denota el número de vueltas en la bobina secundaria (Ns). Asumiendo que es un transformador ideal.

Fórmula: Np/Ns = n = Relación de vueltas

Por ejemplo, si hay 100 vueltas en la bobina primaria y 50 en la secundaria, esta relación se expresa como 100/50.

Esto significa que un transformador con relación elevadora tendrá menos vueltas en su lado secundario que en el primario. Sin embargo, lo contrario es cierto para un transformador con relación reductora.

Relación del transformador

La relación entre el voltaje secundario y el primario es la relación del transformador. La expresión de la relación de transformación de voltaje es en voltios/voltios o amperios/amperios, y esto depende del tipo de resistor de carga conectado con la bobina secundaria.

Fórmula de cálculo:

Relación del transformador = (V/V o V/A resistor de carga secundaria) / (V primario o A primario)

Por ejemplo: El voltaje a través de un devanado secundario es de 100 voltios, y la corriente que fluye a través de él es de 20 amperios. Entonces, la relación del transformador de ese circuito particular será 100/20.

Nota: El nivel máximo de corriente o voltaje a través de un devanado secundario en un transformador se refiere a la corriente o voltaje nominal. Esta calificación del circuito secundario decide su capacidad máxima de trabajo. Y determina si es adecuado para aplicaciones de alto voltaje o baja corriente.

Eficiencia del transformador

Esta es la relación entre el trabajo realizado por un transformador en la potencia de entrada y la generada en el devanado secundario.

Su expresión es en términos porcentuales.

La fórmula es:

Eficiencia = (Potencia de salida / Potencia de entrada) x 100

Por ejemplo, considere la potencia de entrada de un transformador de 100 vatios y el devanado secundario genera 80 vatios. Entonces, la eficiencia del transformador de ese circuito particular será del 80%.

Esto significa que hay una pérdida de energía del 20% cuando la energía fluye del lado primario al secundario del transformador.

Tanto los niveles de potencia de entrada como de salida del transformador deben ser los mismos para que esta relación siga siendo válida. Es decir, tanto las corrientes primaria como secundaria deben tener el mismo valor.

Si la corriente de entrada es mayor que la de salida, la eficiencia del transformador será menor al 100% y viceversa.

Ecuación de la fuerza electromotriz de un transformador

La fuerza electromotriz (FEM) es simplemente la relación entre el voltaje de entrada y el de salida en un transformador.

Su expresión es en términos de voltios/voltio o amperios/amperio.

Por ejemplo, considere el voltaje de entrada del transformador como 100 voltios y el voltaje de salida es de 95 voltios. Entonces, la FEM de retorno de ese circuito particular será 95/100 o 0.95 veces el voltaje de entrada.

Esto significa que hay una pérdida de 0.05 voltios en energía cuando la energía fluye del primario al secundario del transformador.

La fórmula para encontrar la FEM a través de una bobina secundaria de un transformador es:

E = N * delta / Turns^n

Donde:

• E: fuerza electromotriz en voltios.
• N: número de vueltas en el devanado primario.
• Delta/Turns^n: relación de vueltas de las bobinas primaria y secundaria.

Puede escribir la ecuación anterior como E = N * Turns^(n-x)

Donde 'n' denota el número de vueltas en la bobina secundaria, y 'x' es igual a (N-n).

Esta ecuación muestra que la FEM a través de un devanado secundario es directamente proporcional a las vueltas primarias e inversamente proporcional a (N-n).

Potencia eléctrica en un transformador

Calcular la potencia eléctrica en un transformador es fácil, usando la fórmula: Potencia = Voltaje x Corriente.

Donde 'Potencia' denota la potencia de entrada y 'Voltaje' y 'Corriente' denotan voltaje y corriente de entrada.

Por ejemplo: Considere la potencia nominal del transformador como 100 vatios y el voltaje a través de su devanado primario es de 400 voltios. Entonces, la corriente que fluye a través de él será de 0.25 amperios ya que potencia = voltaje x corriente.

Como puede ver aquí, la corriente consumida por un transformador es muy pequeña comparada con su potencia nominal.

6. Resumen

Hemos proporcionado información sobre qué hacen los transformadores y cómo funcionan en esta publicación. Si estás interesado en aprender más sobre tu proyecto relacionado con transformadores, ¡contáctanos! Nuestro equipo siempre está feliz de responder cualquier pregunta.