Transformadores

Transformador

Transformador
Pequeño transformador eléctrico
Tipo	Pasivo
Principio de funcionamiento	Inducción electromagnética
Invención	Zipernowsky, Bláthy y Deri (1884)
Primera producción	En 1886
Símbolo electrónico
Configuración	Dos terminales para el bobinado primario y dos para el bobinado secundario o tres si tiene tap o toma central
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Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Índice

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• 1 Funcionamiento
• 2 Relación de Transformación
• 3 Principio de funcionamiento
• 4 Corriente de inrush
• 5 Historia
  • 5.1 Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción
  • 5.2 El nacimiento del primer transformador
  • 5.3 Otra información de interés
• 6 Transformador trifásico
  • 6.1 Partes
    • 6.1.1 El núcleo
    • 6.1.2 Bobinas
    • 6.1.3 Cambiador de taps
    • 6.1.4 Relé de sobrepresión
    • 6.1.5 Tablero de control
  • 6.2 Configuraciones
  • 6.3 Clases de ventilación
• 7 Tipos de transformadores
  • 7.1 Según sus aplicaciones
    • 7.1.1 Transformador elevador/reductor de tensión
    • 7.1.2 Transformadores variables
    • 7.1.3 Transformador de aislamiento
    • 7.1.4 Transformador de alimentación
    • 7.1.5 Transformador trifásico
    • 7.1.6 Transformador de pulsos
    • 7.1.7 Transformador de línea o Flyback
    • 7.1.8 Transformador diferencial de variación lineal
    • 7.1.9 Transformador con diodo dividido
    • 7.1.10 Transformador de impedancia
    • 7.1.11 Estabilizador de tensión
    • 7.1.12 Transformador híbrido o bobina híbrida
    • 7.1.13 Balun
    • 7.1.14 Transformador electrónico
    • 7.1.15 Transformador de frecuencia variable
    • 7.1.16 Transformadores de medida
  • 7.2 Según su construcción
    • 7.2.1 Autotransformador
    • 7.2.2 Transformador con núcleo toroidal o envolvente
    • 7.2.3 Transformador de grano orientado
    • 7.2.4 Bobina de núcleo de aire
    • 7.2.5 Transformador de núcleo envolvente
    • 7.2.6 Transformador piezoeléctrico
• 8 Véase también
• 9 Referencias
• 10 Enlaces externos

Funcionamiento[editar]

Representación esquemática del transformador.

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.

Relación de Transformación[editar]

Artículo principal: Diseño de transformadores

La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:

La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.

Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.

Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:

El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Principio de funcionamiento[editar]

Transformador monofásico ideal.

El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teoría del electromagnetismo resumida en las ecuaciones de Maxwell.

Corriente de inrush[editar]

La corriente de inrush o corriente transitoria de magnetización es una corriente varias veces la corriente nominal que se produce al momento de conectar el transformador a la red. Puede ser de 10 veces la corriente nominal hasta 100 veces en casos raros. ¹

Historia[editar]

Transformador de núcleo laminado mostrando el borde de las laminaciones en la parte superior de la unidad.

Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción[editar]

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

La primera "bobina de inducción" fue inventada por el sacerdote Nicholas Joseph Callan en la Universidad de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la tensión eléctrica.

Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un "do&break" mecanismo vibrador que regularmente interrumpía el flujo de la corriente directa (DC) de las baterías.

Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de las Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfaron sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces.

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el cual el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas de arco, de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”.

En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría. En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecía un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.

En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendieron la idea a la compañía estadounidenseWestinghouse Electric. También este sistema fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptado para el sistema de alumbrado eléctrico.

El nacimiento del primer transformador[editar]

Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy y Miksa Déri, de la compañía Ganz, de ese país, crearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:

donde V_s es la tensión en el secundario y N_s es el número de espiras en el secundario; V_p y N_p se corresponden al primario.

Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra transformador, que había sido acuñada por Bláthy Ottó.

En 1885, George Westinghouse compró las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso comercial. Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

Otra información de interés[editar]

Transformador de tres fases.

El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores se puso en operación en 1886 en Great Barington, Massachussets, en los Estados Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se transmitió a 2.000 voltios en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeña aplicación inicial, la industria eléctrica en el mundo ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador. El aparato que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas concéntricas. A una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería, conmutada por medio de un ruptor movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al compás de las interrupciones, y en el otro bobinado, llamado secundario y con muchas más espiras, se inducía una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un chispómetro conectado a sus extremos.

También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford T, que poseía una por cada bujía, comandadas por un distribuidor que mandaba la corriente a través de cada una de las bobinas en la secuencia correcta.

Transformador trifásico[editar]

Existen muchos tipos de transformadores, entre los cuales el transformador trifásico tiene una importancia indudable. Este tipo de transformador se ocupa tanto en generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en transmisión por líneas de transmisión y en distribución en donde se transporta la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercio e industria. Todos los transformadores desde la generadora hasta la entrada de nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos.

Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna. No es necesario decir que un transformador no funciona con corriente continua, puesto que para que exista un voltaje V debe haber una variación del flujo. V = N dΦ/dt donde N es el número de espiras del lado de alta o baja tensión del transformador. El término dΦ/dt es una derivada del flujo, o en términos simples la variación del flujo magnético. Faraday demostró en el siglo XIX que si se acerca un imán a una bobina moviendo el imán o la bobina se induce una corriente y produce un voltaje los cuales pueden hacer trabajo como encender una bombilla.

Las diferentes formas de conexión de los bobinados trifásicos de un transformador, recibe el nombre de grupo de conexionado. Además de identificar las conexiones de los bobinados primario y secundario (estrella, triángulo o zig-zag), el grupo de conexionado indica el desfasaje entre las tensiones de línea primaria y secundaria, de los sistemas trifásicos vinculados por el transformador. Los grupos de conexionado más comúnmente utilizados en la distribución de energía eléctrica son Dy5 (primario en triángulo, secundario en estrella, desfasaje 150 grados) y Dy11 (triángulo, estrella, 330 grados), Yy0 (estrella, estrella, 0 grados), Yd11 (estrella, triángulo, 330 grados), entre otros. El concepto práctico de grupo de conexionado adquiere relevancia para realizar una operación segura, durante la puesta en paralelo de transformadores.

Partes[editar]