Transformadores Eléctricos: Principios, Tipos y Aplicaciones

1. Conceptos Fundamentales del Transformador

Un transformador es una máquina eléctrica estática fundamental que opera mediante el principio de inducción magnética. Su estructura básica se compone de dos devanados, denominados primario y secundario, los cuales se encuentran enrollados sobre un núcleo magnético común. La transferencia de energía entre estas bobinas se realiza de forma eficiente y sin contacto físico directo, gracias a la interacción de un campo magnético variable.

Elementos Clave:

• E₁: Fuerza electromotriz (f.e.m.) en el devanado primario.
• E₂: Fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida en el devanado secundario.

2. Clasificación de los Transformadores

Los transformadores se clasifican atendiendo a diversos criterios, lo que permite adaptar su diseño y aplicación a necesidades específicas:

• Por Nivel de Tensión:

  • Elevadores: Incrementan el nivel de tensión.
  • Reductores: Disminuyen el nivel de tensión.

• Por Número de Fases:

  • Monofásicos: Operan con un único circuito de fase.
  • Trifásicos: Emplean tres circuitos de fase, siendo comunes en sistemas de potencia industriales y de gran escala.

• Por Construcción:

  • Acorazados: El núcleo magnético rodea completamente los devanados.
  • De Columnas: Los devanados se sitúan alrededor de las columnas del núcleo.
  • Toroidales: Presentan un núcleo en forma de anillo, lo que a menudo resulta en una mayor eficiencia y menor dispersión.
  • Autotransformadores: Caracterizados por tener un único devanado con una derivación intermedia, lo que permite que una parte del devanado sea común tanto al primario como al secundario.

3. Materiales Constructivos del Transformador

La selección de materiales es crucial para el rendimiento y la durabilidad de un transformador. Se emplean materiales específicos no solo por sus propiedades eléctricas y magnéticas, sino también para disipar el calor generado y minimizar las pérdidas energéticas.

• Núcleo Magnético: Fabricado con chapas de hierro-silicio, las cuales están barnizadas para reducir las corrientes de Foucault y las pérdidas por histéresis.
• Devanados: Generalmente construidos con hilo de cobre esmaltado, debido a su alta conductividad eléctrica.
• Aislantes: Materiales como papeles dieléctricos, micas y resinas son utilizados para garantizar el aislamiento eléctrico entre las partes conductoras y el núcleo.

4. Características Eléctricas Clave

El comportamiento eléctrico de un transformador se define por varias características fundamentales:

• Relación de Transformación (m): Es la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario, o equivalentemente, entre sus tensiones.
• Pérdidas: Representan la energía que se disipa en forma de calor y no se transfiere a la carga. Se clasifican principalmente en:
  • Pérdidas en el Hierro (o en el núcleo): Originadas por la histéresis magnética y las corrientes de Foucault en el material del núcleo.
  • Pérdidas en el Cobre (o en los devanados): Causadas por la resistencia óhmica de los devanados al paso de la corriente.
  • Pérdidas en el Transformador Real: Además de las anteriores, incluyen la reluctancia del circuito magnético y la dispersión del flujo magnético en el núcleo.
• Rendimiento: Indica la eficiencia con la que el transformador convierte la energía eléctrica. Depende directamente de la carga aplicada y de la potencia que maneja.
• Terminales Homólogos: Son los bornes de los devanados en los que el sentido de la corriente es el mismo para un instante determinado, asegurando la correcta polaridad en las conexiones.

5. Autotransformadores: Un Tipo Especial

El autotransformador es una variante de transformador que se distingue por poseer un único devanado. Este devanado común dispone de bornes tanto para el circuito primario como para el secundario, compartiendo una toma intermedia.

Ventajas del Autotransformador:

• Permite el uso de conductores de menor tamaño.
• Reduce el número total de espiras necesarias.
• Conlleva una disminución en el tamaño físico del transformador.
• Implica un menor coste de fabricación en comparación con los transformadores convencionales para potencias similares.

6. Ensayos Esenciales en Transformadores

Para verificar el correcto funcionamiento y las características de un transformador, se realizan diversos ensayos:

• Ensayo de Vacío:

  Este ensayo se lleva a cabo alimentando el devanado primario con su tensión de diseño, mientras el devanado secundario se mantiene sin carga (en circuito abierto). Permite determinar las pérdidas en el hierro y la corriente de excitación.

• Ensayo de Carga:

  Consiste en operar el transformador bajo las condiciones para las que ha sido diseñado, aplicando la tensión nominal en el primario y conectando la carga máxima prevista en el secundario. Este ensayo evalúa el rendimiento y la regulación de tensión bajo condiciones operativas reales.

• Ensayo de Cortocircuito:

  En este ensayo, el devanado secundario se cortocircuita. Se aplica una tensión reducida en el primario hasta que la corriente nominal circule por los devanados. Permite determinar las pérdidas en el cobre y la impedancia de cortocircuito del transformador.

Fundamentos del Magnetismo y Electromagnetismo

1. El Magnetismo: Propiedades y Conceptos

El magnetismo es una propiedad fundamental de ciertos materiales que les permite ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales, especialmente el hierro. Esta propiedad puede manifestarse de forma natural o ser inducida artificialmente.

Conceptos Clave:

• Imanes: Son los materiales que poseen esta propiedad. Se clasifican en:
  • Permanentes: Mantienen su magnetismo de forma continua (ej. neodimio, cerámicos, tierras raras). Pueden ser de origen mineral (naturales) o fabricados (artificiales).
  • Temporales: Exhiben magnetismo solo bajo la influencia de un campo externo o el paso de corriente (ej. electroimanes). Son siempre artificiales.
• Polos Magnéticos: Todo imán posee dos polos, denominados Norte (N) y Sur (S). La interacción entre ellos sigue la regla fundamental: polos del mismo signo se repelen, mientras que polos de signo opuesto se atraen.

2. Campo Magnético, Flujo e Inducción

Un campo magnético es la región del espacio donde se manifiesta la fuerza magnética. Se visualiza y representa mediante líneas de fuerza que, por convención, emergen del polo Norte y entran en el polo Sur.

• Flujo Magnético (Φ): Es la medida del número total de líneas de fuerza que atraviesan una superficie determinada. Su unidad en el Sistema Internacional es el weber (Wb).
• Inducción Magnética (B): También conocida como densidad de flujo magnético, representa la concentración de líneas de fuerza por unidad de área. Su unidad es el tesla (T). La relación entre flujo, inducción y superficie es:

  Φ = B ⋅ S

3. Electromagnetismo: Interacción Electricidad-Magnetismo

El electromagnetismo es la rama de la física que estudia la relación intrínseca entre los fenómenos eléctricos y magnéticos, demostrando que son dos aspectos de una misma fuerza fundamental.

3.1. Campo Magnético Generado por Conductores

• La presencia de una corriente eléctrica en un conductor genera un campo magnético a su alrededor. La dirección de este campo puede determinarse mediante la Regla de la Mano Derecha: si el pulgar apunta en la dirección de la corriente, los dedos curvados indican la dirección de las líneas del campo magnético.

3.2. Espiras y Bobinas

• Un conjunto de espiras enrolladas, formando una bobina o solenoide, tiene la capacidad de concentrar y amplificar el campo magnético generado.
• La intensidad del campo magnético (H) en el interior de una bobina es directamente proporcional a la corriente (I) y al número de espiras (N), e inversamente proporcional a la longitud (L) de la bobina:

  H = (N ⋅ I) / L

3.3. Fuerza Magnetomotriz (f.m.m.)

• La fuerza magnetomotriz (f.m.m.) es la causa que genera el flujo magnético en un circuito magnético, análoga a la fuerza electromotriz en un circuito eléctrico. Se calcula como el producto del número de espiras (N) por la corriente (I) que las atraviesa:

  F = N ⋅ I

3.4. Circuito Magnético

• Un circuito magnético es un camino cerrado diseñado para canalizar el flujo magnético. El uso de un núcleo ferromagnético en este circuito es fundamental, ya que aumenta significativamente la intensidad del campo magnético.
• Estos circuitos son componentes esenciales en dispositivos como transformadores, relés, motores eléctricos y generadores.

4. Tipos de Materiales Magnéticos

Los materiales se clasifican según su respuesta a un campo magnético externo:

• Diamagnéticos: Son materiales que no se magnetizan o lo hacen de forma muy débil y en sentido opuesto al campo aplicado (ej. cobre, oro, bismuto).
• Paramagnéticos: Se magnetizan débilmente en la misma dirección que el campo magnético aplicado (ej. aluminio, platino, oxígeno).
• Ferromagnéticos: Son materiales que se magnetizan fuertemente en la dirección del campo aplicado y retienen parte de esa magnetización al retirar el campo (ej. hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones). Son cruciales en la construcción de máquinas eléctricas.

En la fabricación de máquinas eléctricas, se utiliza frecuentemente la chapa de grano orientado, un tipo de material ferromagnético diseñado para mejorar el rendimiento y reducir las pérdidas magnéticas.

5. Histéresis Magnética

La histéresis magnética es un fenómeno por el cual un material ferromagnético tiende a conservar parte de su magnetización (conocida como remanencia) incluso después de que el campo magnético externo que la causó haya sido eliminado.

• Este comportamiento se visualiza gráficamente mediante el ciclo de histéresis, que muestra la relación entre la inducción magnética y la intensidad del campo magnético.
• Los materiales magnéticos blandos presentan un ciclo de histéresis estrecho, lo que indica una fácil magnetización y desmagnetización. Son ideales para aplicaciones donde se requiere un cambio rápido del campo, como en los núcleos de transformadores y electroimanes.
• Los materiales magnéticos duros, por el contrario, tienen un ciclo de histéresis amplio, lo que significa que retienen fuertemente su magnetismo. Son los preferidos para la fabricación de imanes permanentes.

Clasificación General de Máquinas Eléctricas

1. Tipos de Máquinas Eléctricas

Las máquinas eléctricas, en su concepción más amplia, se pueden clasificar en dos grandes categorías según su principio de funcionamiento y movimiento:

• Máquinas Eléctricas Estáticas: Son aquellas que basan su funcionamiento en la inducción electromagnética estática de la fuerza electromotriz (f.e.m.). Los transformadores son el ejemplo más representativo de esta categoría.
• Máquinas Eléctricas Rotativas: Son dispositivos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica (motores) o viceversa (generadores), implicando un movimiento rotatorio de sus componentes.