EL TRANSFORMADOR ELECTRICO

Los transformadores eléctricos son máquinas estáticas de corriente alterna que permiten variar el voltaje o la intensidad de la corriente

Están compuestos por un núcleo magnético, un devanado primario y un devanado secundario. Su función es mantener la frecuencia y potencia eléctrica

Existen diferentes tipos de transformadores eléctricos y se utilizan en la industria y electrodomésticos para trabajar a tensiones inferiores.

¿Qué es un transformador eléctrico?

Un transformador eléctrico es una máquina estática de corriente alterna que permite variar el voltaje o la intensidad de la corriente, manteniendo la frecuencia y la potencia eléctrica sin generar o perder energía

Definición y función de un transformador eléctrico

La función principal de un transformador eléctrico es convertir la energía eléctrica de una magnitud de tensión o corriente a otra más alta para transportar la energía eléctrica en corriente alterna a grandes distancias de manera más económica y práctica

Partes de un transformador eléctrico

Un transformador eléctrico está compuesto por tres componentes principales: el núcleo magnético, el devanado primario y el devanado secundario. El núcleo magnético está hecho de chapas de acero aisladas, y los devanados están formados por hilos de cobre enrollados a través del núcleo 

¿Cómo funciona un transformador eléctrico?

Los transformadores eléctricos basan su funcionamiento en los principios de la inducción electromagnética y el flujo magnético.

En términos generales, el transformador eléctrico consta de un núcleo magnético y dos devanados (primario y secundario), cada uno con un número distinto de vueltas.

La energía eléctrica se transfiere desde el devanado primario al secundario a través del núcleo ferro magnético sin la necesidad de contacto mecánico. El flujo magnético inducido en el núcleo magnético hace que se produzca una corriente en el bobinado secundario, cuyo valor está relacionado con el número de vueltas de cada bobinado y la frecuencia de la corriente

Principio de funcionamiento de un transformador eléctrico

El principio de funcionamiento de un transformador eléctrico se basa en la ley de Faraday-Lenz de la inducción electromagnética, que dice que un campo magnético variable en el tiempo induce una corriente eléctrica en un circuito conductor.

El campo magnético generado en el devanado principal del transformador eléctrico varía en el tiempo debido a la corriente alterna presente en él.

Este campo magnético induce un campo eléctrico en el devanado secundario que, a su vez, induce una corriente eléctrica en él.

Transformador eléctrico de un microondas

Transformadores ideales vs. reales

El modelo de transformador ideal no tiene pérdidas y su eficiencia es del 100%. Es decir, toda la energía entregada al devanado primario se transfiere sin pérdidas al devanado secundario.

En la práctica, los transformadores reales tienen pérdidas que se manifiestan en forma de calor. Estas pérdidas son provocadas por los materiales que componen el transformador eléctrico y pueden ser de diferentes tipos.

Los ensayos de vacío, cortocircuito y aislamiento permiten evaluar las características y el rendimiento del transformador bajo diferentes condiciones.

Pérdidas en un transformador eléctrico

El funcionamiento del transformador eléctrico conlleva ciertas pérdidas, principalmente debido a la resistencia de los hilos de cobre que forman los devanados y las corrientes parásitas que se generan en el núcleo magnético.

Las pérdidas se presentan en forma de calor, y son importantes para el diseño y selección del transformador eléctrico.

Existen dos tipos de pérdidas: las pérdidas en vacío y las pérdidas de carga.

Las pérdidas en vacío son las que se producen cuando el transformador eléctrico está conectado pero no está transmitiendo energía.

Las pérdidas de carga son las pérdidas que se producen cuando el transformador eléctrico está suministrando energía eléctrica a un sistema.

Tipos de transformadores eléctricos

Existen diferentes tipos de transformadores eléctricos, clasificados como de potencia y de medida.

Los transformadores de potencia pueden ser elevadores o reductores, y se utilizan en la transmisión y distribución de energía eléctrica.

Los transformadores de medida se utilizan para medir corriente o voltaje en la red eléctrica. Cada uno de los transformadores es diseñado específicamente para satisfacer necesidades diferentes.

Además, los transformadores eléctricos también se emplean en electrodomésticos y aparatos electrónicos que funcionan a tensiones más bajas.

Los tipos principales son los transformadores monofásicos, los transformadores trifásicos y los transformadores de potencia.

¿Cómo funciona un transformador eléctrico?

Transformadores monofásicos

Los transformadores monofásicos son dispositivos que transforman una corriente eléctrica alterna en otra de mayor o menor voltaje, sin modificar su frecuencia.

Estos transformadores constan de un núcleo central de laminado de acero, una bobina primaria y una bobina secundaria.

Los transformadores monofásicos son ampliamente utilizados en aplicaciones de energía residencial y comercial, donde se requiere una carga de alimentación individual y pequeña.

Transformadores trifásicos

Los transformadores trifásicos tienen tres bobinas primarias y tres bobinas secundarias conectadas en circuito trifásico.

Están diseñados para generar y suministrar un sistema de energía eléctrica trifásico, que es una de las principales fuentes de energía eléctrica utilizadas en la industria.

El sistema trifásico ofrece ventajas significativas sobre el sistema monofásico, incluyendo mayor eficiencia energética, mayor capacidad de carga y menor pérdida en el proceso de transmisión.

Transformadores de potencia

Los transformadores de potencia son utilizados en la transmisión y distribución de energía eléctrica de alta potencia. Estos transformadores tienen alta capacidad de carga y deben de ser diseñados para soportar altas tensiones.

Existen dos tipos de transformadores de potencia: los transformadores elevadores y los transformadores reductores. 

Los transformadores elevadores son utilizados para incrementar el voltaje de la energía eléctrica, cuando se requiere transportar la misma a grandes distancias.

Transformador elevador
Transformador reductor

Los transformadores reductores, por otro lado, reducen la tensión de la energía eléctrica, cuando se requiere conectar a una red que trabaja a una tensión menor.

Los transformadores de potencia son esenciales para la transmisión y distribución de energía eléctrica a largas distancias y su uso es esencial en sistemas de energía eléctrica de todo el mundo.

El principio de funcionamiento de un transformador eléctrico

Los transformadores reductores, por otro lado, reducen la tensión de la energía eléctrica, cuando se requiere conectar a una red que trabaja a una tensión menor.

Los transformadores de potencia son esenciales para la transmisión y distribución de energía eléctrica a largas distancias y su uso es esencial en sistemas de energía eléctrica de todo el mundo.

También podemos encontrar transformadores de aislamiento, estos son utilizados para separar el voltaje de la carga

Relación de transformación de un transformador eléctrico

La relación de transformación y su fórmula matemática

La relación de transformación se define como la relación matemática entre el número de vueltas del devanado primario y el número de vueltas del devanado secundario. 

Un transformador eléctrico es una máquina estática de corriente alterna que permite variar el voltaje o la intensidad de la corriente, manteniendo la frecuencia y la potencia eléctrica.

La relación de vueltas entre los devanados primario y secundario indica la relación de transformación. Esta relación puede calcularse mediante una fórmula matemática establecida.

Esta fórmula se aplica tanto a transformadores monofásicos como trifásicos, siendo la relación de vueltas en cada uno de los devanados independiente.

El cálculo de la relación de transformación es fundamental para poder entender el funcionamiento del transformador eléctrico.

Para ello, es necesario conocer el número de vueltas del devanado primario y del devanado secundario. Este número suele estar indicado en la placa del transformador eléctrico.

El cálculo de la relación de transformación es importante porque de él dependerá si el transformador eléctrico es elevador o reductor.

La relación de transformación se calcula mediante esta fórmula

Esta relación de transformación se calcula mediante la siguiente fórmula:

El Vp = Voltaje de primario partido por el Vs = Voltaje del secundario es igual a Np = Número de espiras del primario partido por Ns = Número de espiras del secundario y es igual a Is = Intensidad del secundario partido por Ip = Intensidad del primario

Transformadores elevadores y reductores

Los transformadores eléctricos elevadores y reductores son dos tipos de transformadores cuya función principal es modificar el voltaje de la corriente eléctrica que circula por ellos.

En el caso de los transformadores elevadores, la relación de vueltas es mayor que 1, por lo que aumenta el voltaje.

Por otro lado, en los transformadores reductores, la relación de vueltas es menor que 1, por lo que se reduce el voltaje.

Transformadores eléctricos elevadores
Transformadores eléctricos reductores

Los transformadores elevadores y reductores son fundamentales en el transporte de energía eléctrica a largas distancias porque permiten aumentar o disminuir el voltaje según sea necesario, perdiendo poca energía eléctrica en el proceso. Además, también se utilizan en electrodomésticos y aparatos electrónicos que trabajan a tensiones inferiores a las suministradas por la red eléctrica doméstica

Ensamblaje y construcción de un transformador eléctrico

Para ensamblar un transformador eléctrico se requiere de un proceso de construcción que involucra varios elementos y componentes, entre los que se encuentran:

  • Núcleo magnético: está formado por chapas de acero aisladas. Las chapas se unen entre sí formando un núcleo sólido donde se alojarán los bobinados. El núcleo magnético tiene la función de concentrar y direccionar el flujo magnético que se genera en el transformador.
  • Devanado primario: es el devanado que recibe la corriente eléctrica. Este devanado se conecta a la fuente de alimentación eléctrica.
  • Devanado secundario: es el devanado que proporciona la salida de corriente eléctrica. Este devanado se conecta al circuito que recibirá la alimentación eléctrica.

En número de vueltas de los devanados primario y secundario dependerá del tipo de transformador elegido

  • Bobinas: son elementos formados por hilos de cobre esmaltado que se enrollan alrededor del núcleo magnético. La cantidad de vueltas en cada bobina determina la relación de transformación.
  • Separadores y aislantes: son elementos que se utilizan para separar y aislar los diferentes componentes dentro del transformador, evitando que exista contacto eléctrico entre ellos.
  • Tapas y protecciones: se utilizan para proteger los devanados y para facilitar su sujeción y unión al núcleo magnético.

Materiales utilizados en la fabricación de un transformador eléctrico

Los materiales utilizados en la fabricación de un transformador eléctrico juegan un papel importante en su rendimiento y características. Algunos de ellos son:

  • Chapas de acero aisladas: se utilizan para la fabricación del núcleo magnético del transformador, ya que son un buen conductor eléctrico y presentan una alta resistencia al magnetismo.
  • Hilos de cobre esmaltado: se usan para la construcción de los bobinados primarios y secundarios, debido a que el cobre es un buen conductor de la electricidad y el esmalte que lo recubre se encarga de preservarlo y protegerlo de la oxidación.
  • Papeles y cartones aislantes: se utilizan para separar eléctricamente los diferentes elementos del transformador evitando el contacto eléctrico entre ellos.
  • Resinas y barnices aislantes: se emplean para aislar aún más los devanados y para protegerlos de humedad y otros elementos externos que puedan afectar su rendimiento.
  • Telas o fibras aislantes: se utilizan para ayudar a proteger los componentes del transformador y reducir su fricción.

Bobinados primarios y secundarios

El devanado primario y secundario son fundamentales en la estructura y funcionamiento del transformador eléctrico.

El devanado primario se compone de un hilo de cobre esmaltado que se conecta a la fuente de alimentación eléctrica. El devanado secundario se compone de otro hilo de cobre esmaltado que se conecta al circuito que recibirá la alimentación eléctrica.

La cantidad de vueltas en el devanado primario y secundario es lo que determina la relación de transformación.

Especificaciones técnicas de un transformador eléctrico

Las especificaciones técnicas de un transformador eléctrico son variables en función de su propósito y diseño, pero algunas de las características más importantes que se pueden mencionar son:

  • Relación de transformación: es la cantidad de vueltas de cada devanado y su relación entre ellas.
  • Potencia nominal: es la cantidad máxima de energía que el transformador eléctrico puede suministrar o recibir sin sufrir daños.
  • Tensión nominal: es la tensión para la que ha sido diseñado el transformador eléctrico.
  • Frecuencia nominal: es la frecuencia de la red eléctrica en la que se utilizará el transformador eléctrico.
  • Corriente nominal: es la cantidad de corriente eléctrica que puede soportar el transformador eléctrico sin sufrir daños.
  • Rendimiento: se refiere a la eficiencia con la que se realiza la transformación de energía eléctrica.

Mantenimiento, ensayo y seguridad en transformadores eléctricos

El mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo de un transformador eléctrico.

El mantenimiento de los transformadores eléctricos es fundamental para su correcto funcionamiento y prolongación de su vida útil.

Existen tres tipos de mantenimiento: preventivo, predictivo y correctivo. 

-El mantenimiento preventivo se realiza con regularidad para evitar fallos y averías. Consiste en revisar el estado general del transformador, inspeccionar el aceite, limpiar las conexiones y sustituir ciertas piezas con desgaste.

Mantenimiento de transformadores eléctricos

– El mantenimiento predictivo se basa en la monitorización y el análisis de las características del transformador mediante técnicas de medición y control. El objetivo es detectar posibles fallos antes de que ocurran y corregirlos.

– El mantenimiento correctivo se realiza cuando ya se ha producido una avería o fallo en el transformador. Consiste en la sustitución o reparación de las piezas averiadas.

Ensayos de vacío, cortocircuito y aislamiento en transformadores eléctricos.

Los ensayos de vacío, cortocircuito y aislamiento son muy importantes para evaluar el estado del transformador eléctrico: 

– El ensayo de vacío se realiza para medir la pérdida de energía por fricción y corrientes parásitas. Se lleva a cabo sin carga y con el tanque evacuado.

– El ensayo de cortocircuito se realiza para medir la pérdida de corriente que se produce por la resistencia de las bobinas. Se lleva a cabo aplicando una corriente elevada para provocar un cortocircuito.

– El ensayo de aislamiento se realiza para comprobar la resistencia del aislamiento del transformador y su capacidad para soportar voltajes elevados.

Protección y seguridad eléctrica en transformadores eléctricos.

Es fundamental tener en cuenta las medidas de seguridad necesarias a la hora de trabajar con transformadores eléctricos. Se deben utilizar equipos de protección personal y seguir las normas de seguridad eléctrica.

– Es importante contar con sistemas de protección eléctrica como fusibles y relés de protección para evitar cortocircuitos y sobrecargas en el transformador.

– La instalación de transformadores eléctricos debe ser llevada a cabo por personal capacitado y técnico.

– Es fundamental cumplir con las normas de seguridad eléctrica y vigilar que se cumplan todas las medidas de protección.

Protección y seguridad eléctrica en transformadores eléctricos

Aplicaciones y usos de los transformadores eléctricos

Los transformadores eléctricos tienen múltiples aplicaciones en el campo de la ingeniería eléctrica.

En esta sección, se detallarán algunas de las aplicaciones más comunes de los transformadores eléctricos:

Efectividad de los transformadores eléctricos en el transporte de energía eléctrica

Los transformadores eléctricos son componentes clave en la transmisión de electricidad a través de largas distancias.

En particular, los transformadores de potencia son esenciales en la reducción de las pérdidas que se producen durante el transporte de energía eléctrica, ya que permiten elevar o reducir la tensión en función de las necesidades del sistema de transmisión.

Por otro lado, los transformadores de medida se utilizan para medir la corriente y la tensión en diferentes puntos del sistema de transmisión, proporcionando a los operadores la información necesaria para garantizar su correcto funcionamiento.

Cómo discurre la red de distribución eléctrica

Utilidad y aplicaciones de los transformadores eléctricos en electrodomésticos e industria

Los transformadores también tienen aplicaciones eléctricas en el ámbito doméstico e industrial. En los electrodomésticos, los transformadores se utilizan para reducir la tensión suministrada por la red eléctrica a valores adecuados para su funcionamiento.

Por ejemplo, en las fuentes de alimentación de los ordenadores, los transformadores reducen el voltaje a valores que pueden ser utilizados por las diferentes partes del dispositivo sin riesgo de dañarlas.

También los cargadores (transformadores) de teléfonos móviles que conectamos a las tomas de corriente se encargan de modificar la corriente eléctrica.

En la industria, los transformadores eléctricos se utilizan en múltiples aplicaciones, desde la alimentación de maquinaria hasta la protección de sistemas eléctricos críticos.

Además, los transformadores eléctricos también son comunes en aplicaciones de soldadura, donde se utilizan para suministrar la corriente necesaria para realizar los trabajos de soldadura.

Futuras tendencias de los transformadores eléctricos

En los últimos años, han surgido nuevas tendencias en el ámbito de los transformadores eléctricos, como la incorporación de materiales nanotecnológicos en su construcción para mejorar su eficiencia energética.

Además, muchos fabricantes están trabajando en el desarrollo de transformadores inteligentes, que pueden auto-monitorizar su propio estado y realizar ajustes en tiempo real para mejorar su rendimiento y reducir el consumo de energía.

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