Funcionamiento del Transformador

El transformador es el elemento más importante de un sistema eléctrico, cumple con la función de elevar o bajar el nivel de tensión del sistema.

Es una máquina eléctrica estática de corriente alterna, se considera como un  dispositivo sin partes en movimiento, que por inducción electromagnética transforma los parámetros de la energía eléctrica de uno más circuitos a la misma frecuencia, con valores cambiados, generalmente, de tensión y corriente. El intercambio de energía magnética es posible debido a que el voltaje y la corriente eléctricos más utilizados son de tipo alterno.  Estos parámetros están variando constantemente de un valor positivo a otro negativo, pasando varias veces por un valor cero, lo que le da el nombre a la corriente alterna.  En México, esta variación se presenta 60 veces por segundo, con ciclos completos, conocido también  como  60 Hertz (Hz).

Se tiene dos circuitos eléctricos y un magnético. La relación de transformación se obtiene mediante el número de vueltas  que tiene cada devanado (primario, secundario) sobre el circuito magnético (núcleo), para un circuito monofásico se tiene la siguiente ecuación:

 

Vp / Vs = Ns / Np = Is / Ip

 

Donde:

Vp  =  Tensión en el devanado Primario en Volts

Vs  =   Tensión en el devanado Secundario en Volts

Np  =   Número de vueltas de alambre en el devanado Primario

Ns  =   Número de vueltas de alambre en el devanado Secundario

Ip   =   Corriente en el devanado Primario en Amperes

Is   =   Corriente en el devanado Secundario en Amperes

Ejemplo:

Se tiene un transformador monofásico con una relación, Vp / Vs =13200 / 120  = 110 el devanado de baja tensión tiene 1100 vueltas de alambre.

¿Cuántas de alambre deberá tener el devanado de Alta Tensión?

Respuesta:

Si la relación de transformación es   Ns / Np = 1100 / Np = 110  despejamos Np obtenemos Np = 10 vueltas.

POTENCIA DE TRANSFORMADOR

Se obtiene la potencia del transformador mediante la siguiente formula:

 

P = V * I

Donde:

P= Potencia del transformador en kVA,

V= Tensión en Volts

I= Corriente en Amperes.

Aplicando la ley de conservación de energía que dice: “La energía no se crea ni se destruye so le transforma”.

Obtenemos la misma potencia del lado primario como del secundario. Este valor de potencia es el valor nominal del transformador.

Ejemplo:

Tenemos un transformador con relación 13200-120V, con una potencia de 112.5kVA. Calcular las potencias del lado primerio y secundario.

Despejamos I, y obtenemos: 

 

Ip = P / V = 112.5 x 1000 / 13.200 = 8.523 Amperes

 

Ip = P / Vs = 112.5 x 1000 / 120 = 937.5  Amperes

 

Se visualiza un a menor corriente en primario y una corriente 100 veces mayor en el secundario. Tomamos como conclusión que el primario podemos utilizar conductores de calibre pequeño, mientras que para secundario la sección transversal de los conductores será mucho mayor.

El intercambio de energía entre los devanados de alta y baja tensión se lleva a cabo mediante el campo magnético.  Si tenemos una bobina en aire, el campo magnético se dispersa como cuando colocamos un imán debajo de un papel con rebabas de fierro.  Esta “dispersión” del campo ocasiona pérdidas de energía en el aire. Para evitar el efecto anterior se utiliza el núcleo de fierro, alrededor del cual se enrollan las bobinas de alta y baja tensión.  El núcleo de fierro se construye de forma que se tenga un circuito magnético cerrado, de esta manera el campo magnético se “canaliza” por este núcleo evitando su dispersión y reduciendo las pérdidas de energía.

El núcleo de fierro es uno de los elementos más pesados del transformador y además se puede ver sujeto a movimientos por cortocircuitos en la carga, entre sus propios devanados y también por las maniobras de transporte e instalación.  Estos movimientos pueden modificar sus características magnéticas, perjudicando la eficiencia del equipo.

Aislamiento

Los transformadores están construidos por devanados o bobinas de cable, para evitar cortocircuitos (contacto) entre estas bobinas se utilizan aislamientos de varios tipos:

Alambre magneto

Está recubierto por un barniz aislante de color rojo, cuyas propiedades aislantes y de soporte a la temperatura son adecuadas para colocarse uno junto al otro formando una bobina o devanado.  Además el barniz es de un espesor muy pequeño, lo que permite reducir el tamaño de las bobinas y del mismo transformador. Si se utilizara el cable normal para instalaciones eléctricas (THW o THHW) en la construcción de las bobinas de los transformadores, el tamaño del equipo resultaría más del doble del tamaño de los equipos que conocemos actualmente.

Madera y papel

Las bobinas o devanados de los transformadores se sujetan al núcleo de fierro y al tanque de estos equipos, también por otro material aislante sólido.  En las partes cercanas y filosas del núcleo se utiliza papel dieléctrico y en la base soporte del núcleo se usa la madera como aislante.  Esos aislamientos deben absorber los movimientos de todo el equipo durante su transporte a la industria, o durante la operación del equipo. En ocasiones escuchamos un zumbido cuando está en operación el transformador, este zumbido causa vibraciones o pequeños movimientos de las bobinas y del núcleo, las bobinas tienen rozamiento con el papel aislante que se va degradando con el tiempo, pudiendo llegarse a degradar también el barniz de recubrimiento del alambre.

Aceite dieléctrico o aislante

Para poder conectar un transformador a la alta tensión, como 23,000 Volts o más, sin que se produzcan cortocircuitos en el equipo, es necesario colocar las bobinas y el núcleo dentro de aceite aislante, que tiene mejores ventajas dieléctricas que el aire. Nuevamente, si no utilizáramos aceite aislante o dieléctrico, tendríamos que darle mayores distancias en aire al equipo, con lo que su tamaño también sería muchas veces mayor a los tamaños actuales. En una distancia de un centímetro en aire, el cortocircuito se puede producir con 20,000 Volts, mientras que en esta misma distancia en aceite, para que se produzca el cortocircuito pueden ser necesarios 100,000 Volts ó más, dependiendo de las condiciones de este aceite. Usando aceite dieléctrico el tamaño del transformador puede ser casi 5 veces más pequeño que si solo se usara el aire.