TRANSFORMADORES

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en

un circuito eléctrico decorriente 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.

FUNCIONAMIENTO

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

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 230voltios 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 10amperios, la del secundario será

de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teoría del electromagnetismo

resumida en las ecuaciones de Maxwell

CORRIENTE DE INRUSH

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. 

TIPOS DE TRANSFORMADORES

Transformador elevador/reductor de tensión

Son empleados por empresas de generación eléctrica en las subestaciones de la red de transporte de

energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los

conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad

de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. La mayoría de los

dispositivos electrónicos en hogares hacen uso de transformadores reductores conectados a un

circuito rectificador de onda completa para producir el nivel de tensión de corriente directa que

necesitan. Este es el caso de las fuentes de alimentación de equipos de audio, video y computación.

Transformadores variables

También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión de

salida variable ajustable, dentro de dos valores.

Transformador de aislamiento

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una

alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1 entre las tensiones del primario y

secundario. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente

con la tensión de red y también para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en equipos

de electromedicina y donde se necesitan tensiones flotantes.

Transformador de alimentación

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el

funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su circuito primario cuando el

transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos

y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que

hay que sustituir todo el transformador.

Transformador trifásico

Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con

hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay

que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase

varían.

1. Delta estrella: Se usa especialmente en distribución (baja tensión) con delta en alta y estrella en

baja con neutro accesible. Esto permite que la onda sinusoidal de tercera armónica se mantenga

circulando por la delta, pero no se transmita a las estrella.

Transformador de pulsos

Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción) destinado a

funcionar en régimen de pulsos. Su principal aplicación es transferir impulsos de mando sobre

elementos de control de potencia como SCR, triacs, etc. logrando un aislamiento galvánico entre las

etapas de mando y potencia.

Transformador de línea o Flyback

Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para

generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Suelen ser pequeños y

económicos. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Además de

poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la característica de

mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados

secundarios.

Transformador diferencial de variación lineal

El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de

transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres

bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado

primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al

objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo.

Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición

automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos.

Transformador con diodo dividido

Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para proporcionar la tensión

continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por varios diodos

más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que

soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo

del tubo, sin diodo ni triplicador.

Transformador de impedancia

Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de red,

teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la

alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

Estabilizador de tensión

Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario

excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía

una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha

caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen,

peso, precio y baja eficiencia energética.

Transformador híbrido o bobina híbrida

Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos, tarjetas de red, etc.

Balun

Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y viceversa. La

línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador.

Transformador electrónico

Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente eléctrica que

alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente su tamaño. También pueden

formar parte de circuitos más complejos que mantienen la tensión de salida en un valor prefijado sin

importar la variación en la entrada, llamadosfuente conmutada.

Transformador de frecuencia variable

Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se

utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrónicos para comunicaciones,

medidas y control.

Transformadores de medida

Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de medida

para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de alta tensión o de elevada

corriente. Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés, permitiendo una

mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés.

SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN

Autotransformador

El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un bobinado

único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para

convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no

proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario.

Transformador con núcleo toroidal o envolvente

El núcleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se

bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en

el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas porcorrientes de Foucault.

Transformador de grano orientado

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre

en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas

muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en

transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.

Transformador de núcleo de aire

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño

cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Transformador de núcleo envolvente

Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los

bobinados. Evitan los flujos de dispersión.

Transformador piezoeléctrico

Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en el flujo

magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones

mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a

frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar las lámparas

fluorescentes de los monitores de led y TFT usados en computación y en televisión.

COMPONENTES DE LOS TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

Los transformadores están compuestos de diferentes elementos. Los componentes básicos son:

Modelización de un transformador monofásico ideal

Núcleo: Este elemento está constituido por chapas de acero al silicio aisladas entre ellas. El núcleo

de los transformadores está compuesto por las columnas, que es la parte donde se montan los

devanados, y lasculatas, que es la parte donde se realiza la unión entre las columnas. El núcleo se

utiliza para conducir elflujo magnético, ya que es un gran conductor magnético.

Devanados: El devanado es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y

recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto por dos bobinas, la primaria

y la secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos

indicará la relación de transformación. El nombre de primario y secundario es totalmente simbólico.

Por definición allá donde apliquemos la tensión de entrada será el primario y donde obtengamos la

tensión de salida será el secundario.Esquema básico y funcionamiento del transformador

Esquema básico de funcionamiento de un transformador ideal

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Al aplicar una fuerza electromotriz en

el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este

flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza

electromagnética en el devanado secundario.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de

flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.

La relación de transformación del transformador eléctrico

Una vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a observar cuál es la relación de

transformación de este elemento. 

Donde N p es el número de vueltas del devanado del primario, N s el número de vueltas del secundario,

V p la tensión aplicada en el primario, V s la obtenida en el secundario, I s la intensidad que llega al

primario, I p la generada por el secundario y r t la relación de transformación.

Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos que poner

más vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos reducir la tensión del secundario.Tipos de transformadores eléctricos

Hay muchos tipos de transformadores pero todos están basados en los mismos principios básicos,

Pueden clasificarse en dos  grandes grupos de tipos básicos: transformadores de potencia y de medida.

Transformadores de potencia

Los transformadores eléctricos de potencia sirven para variar los valores de tensión de un circuito de

corriente alterna, manteniendo su potencia. Como ya se ha explicado anteriormente en este recurso, su

funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética.

Transformadores eléctricos elevadores

Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en

relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado secundario

es mayor al del devanado primario.

Modelización de un transformador elevador

Transformadores eléctricos reductores

Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en

relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del devanado primario es

mayor al secundario.

Podemos observar que cualquier transformador elevador puede actuar como reductor, si lo conectamos

al revés, del mismo modo que un transformador reductor puede convertirse en elevador.

Modelización de un transformador reductor

Autotransformadores

Modelización de un autotransformador

Se utilizan cuando es necesario cambiar el valor de un voltaje, pero en cantidades muy pequeñas. La

solución consiste en montar las bobinas de manera sumatoria. La tensión, en este caso, no se

introduciría en el devanado primario para salir por el secundario, sino que entra por un punto

intermedio de la única bobina existente.

Esta tensión de entrada (V p) únicamente recorre un determinado número de espiras (N p), mientras que

la tensión de salida (V s) tiene que recorrer la totalidad de las espiras (N s).

Transformadores de potencia con derivación

Son transformadores de elevación o reducción, es decir, elevadores o reductores, con un número de

espiras que puede variarse según la necesidad. Este número de espiras se puede modificar siempre y

cuando el transformador no esté en marcha. Normalmente la diferencia entre valores es del 2,5% y

sirve para poder ajustar el transformador a su puesto de trabajo.

Transformadores eléctricos de medida

Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir sin peligro.

Transformadores eléctricos de intensidad

El transformador de intensidad toma una muestra de la corriente de la línea a través del devanado

primario y lo reduce hasta un nivel seguro para medirlo. Su devanado secundario está enrollado

alrededor de un anillo de material ferromagnético y su primario está formado por un único conductor,

que pasa por dentro del anillo.

El anillo recoge una pequeña muestra del flujo magnético de la línea primaria, que induce una tensión y

hace circular una corriente por la bobina secundaria.

Transformador eléctrico potencial

Se trata de una máquina con undevanado primario de alta tensión y uno secundario de baja tensión. Su

única misión es facilitar una muestra del primero que pueda ser medida por los diferentes aparatos.

Posibles conexiones de un transformador trifásico con la fuente de alimentación

TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Debido a que el transporte y generación de electricidad se realiza de forma trifásica, se han construido

transformadores de estas características.

Hay dos maneras de construirlos: una es mediante tres transformadores monofásicos y la otra con tres

bobinas sobre un núcleo común.

Esta última opción es mejor debido a que es más pequeño, más ligero, más económico y ligeramente

más eficiente.

La conexión de este transformador puede ser:

Estrella-estrella

Estrella-triángulo

Triángulo-estrella

Triángulo-triánguloTransformador ideal y transformador real

En un transformador ideal, la potencia que tenemos en la entrada es igual a la potencia que tenemos en

la salida, esto quiere decir que:

Pero en la realidad, en los transformadores reales existen pequeñas pérdidas que se manifiestan en

forma de calor. Estas pérdidas las causan los materiales que componen un transformador eléctrico.

En los conductores de los devanados existe una resistencia al paso del corriente que tiene relación

con la resistividad del material del cual están compuestos. Además, existen efectos por dispersión de

flujo magnético en los devanados. Finalmente, hay que considerar los posibles efectos por histéresis

o las corrientes de Foucault en el núcleo del transformador.

Pérdidas en los transformadores reales

Las diferentes pérdidas que tiene un transformador real son:

Pérdidas en el cobre:  Debidas a la resistencia propia del cobre al paso de la corriente

Pérdidas por corrientes parásitas: Son producidas por la resistencia que presenta el núcleo ferro

magnético al ser atravesado por el flujo magnético.

Pérdidas por histéresis: Son provocadas por la diferencia en el recorrido de las líneas de campo

magnético cuando circulan en diferente sentido cada medio ciclo.

Pérdidas a causa de los flujos de dispersión en el primario y en el secundario: Estos flujos provocan

una auto inductancia en las bobinas primarias y secundarias.Aplicaciones de los transformadores

Los transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica.

Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la red, se

utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así las pérdidas en el transporte

producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los transformadores reductores para

darle a esta electricidad unos valores con los que podamos trabajar.

Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos electrónicos,

ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al suministrado por la red  

Por último hacer mención a que uno de los elementos de seguridad eléctrica del hogar utiliza

transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la

intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10 mA desconecta

el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.

APLICACIONES BASICAS DE UN TRANSFORMADOR

Tanto en materia de electricidad industrial y comercial como enradiotelefonía, telefonía, televisión y electrónica en general encuentra el transformador un campo de utilización. Puede decirse que es el elemento indispensable en todo le referente a corrientesalternas de baja y alta frecuencia Un caso significativo es el de los sistemas de potencia, en los que hace posible que la generación, transporte y consumo de energía eléctrica se realicen a tencionesmás rentables en cada caso,

el transporte resulta más económico cuando más alta sea la tención ya que la corriente y la sección de los conductores son menores 

Transformador elevador/reductor de voltajeSon empleados por empresas transportadoras eléctricas en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. Transformador de aislamientoProporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red. También para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en equipos de electro medicina y allí donde se necesitan tensiones flotantes entre sí.Importancia de los transformadores