Transformador Eléctrico

Hace algo más de un siglo que se inventó el Transformador.

Este dispositivo ha hecho posible la distribución de energía eléctrica a todos los hogares, industrias, etc.

Si no fuera por el transformador, tendría que acortarse la distancia que separa a los generadores de electricidad (centrales eléctricas) de los consumidores.

Al final te dejamos un enlace para que hagas unos ejercicios online sobre los transformadores que te servirán de repaso de lo aprendido.

¿Qué es un Transformador?

Se denomina transformador a una máquina eléctrica estática y reversible que funciona por electromagnetismo (eléctrico y magnético) que permite aumentar o disminuir el voltaje y/o la intensidad de una corriente alterna manteniendo constante la potencia.

Si no se consideran pérdidas, la potencia a la entrada y a la salida será la misma. Aunque el transformador aumente la tensión de un lado a otro (del primario al secundario) el producto de la V x I, que es la potencia aparente, permanece constante.

Recuerda: Potencia = Tensión x Intensidad

La mejor forma de transportar la corriente eléctrica desde donde se genera es en alta tensión, el problema es que después hay que disminuirla hasta 230V al llegar a las viviendas, y esto solo es posible gracias a los transformadores, que nos permiten aumentar la tensión a la salida de la central eléctrica para transportarla y posteriormente disminuirla para utilizarla en las viviendas, industrias, etc.

¡Ojo! NO hay transformadores de corriente continua, solo hay de corriente alterna.

Nunca se transporta en corriente contínua.

Luego veremos el por qué.

Partes del Transformador

En su forma más simple, un transformador esta formado por dos bobinas de conductores con espiras enrolladas (devanado) sobre un núcleo cerrado de hierro dulce (núcleo magnético).

Tiene 2 circuitos eléctricos (2 devanados) llamados Primario, en el que tenemos la tensión entrada, y Secundario en donde obtendremos la tensión de salida.

Además tenemos un circuito magnético que será el Núcleo del trafo de chapas de acero de muy bajo espesor.

Un transformador monofásico sería como el siguiente:

transformador electrico

Funcionamiento del Transformador

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética.

Recordamos que La inducción electromagnética es generar corriente eléctrica (inducida) por medio de un campo magnético y/o viceversa

De forma muy resumida podemos entender la inducción electromagnética, suficiente para entender el funcionamiento del trafo, con los siguientes descubrimientos:

Oersted descubrió que por un cable (o bobina de espiras) por el que circula una corriente eléctrica se crea a su alrededor un campo magnético.

Este campo magnético se expresa mediante el llamado flujo magnético, que nos da una idea de la cantidad o cómo es de grande y fuerte el campo magnético.

Algo similar al agua y el caudal de agua (litros de agua que atraviesa una superficie por cada segundo).

Φ = símbolo del flujo magnético.

Faraday descubrió lo contrario, que un campo magnético variable que se mueva o varíe cortando a un conductor, hace que se genere una diferencia de potencial (tensión) en los extremos del conductor.

Si conectamos una carga en los extremos del conductor donde tenemos la tensión, aparecerá una corriente eléctrica que circulará por la carga debido a la tensión que había en los extremos.

Si quieres saber más pincha en el siguiente enlace: inducción electromagnética.

transformador ideal

Nota Importante: Nosotros vamos a considerar que la tensión en bornes del primario será igual a la fuerza electromotriz  (fem) interna en el trafo (en el principio de la bobina), ya que en la realidad es más o menos así.

Lo mismo para la fem generada en el secundario, consideramos que será igual a la tensión en bornes del secundario.

Ahora si, vamos a explicar cómo funciona.

La bobina primaria recibe una tensión, y al ser un circuito eléctrico cerrado formado por espiras comenzará a circular una corriente eléctrica I1 por las espiras del devanado primario.

Esta corriente será variable porque es corriente alterna.

Al circular esta corriente por las espiras del primario, sergún Oersted, se generará alrededor de ellas un campo magnético, que lo expresamos como su flujo magnético.

Este flujo magnético Φ1 viajará a través del núcleo hasta el secundario del trafo y será variable por que la intensidad que lo crea es corriente alterna.

Cuando el Φ1 llega a las bobinas del secundario, como es un flujo variable, este flujo mientras varia corta las espiras del devanado del secundario, y según Faraday se creará en ellas una tensión V2.

Si ahora conectamos una carga (resistencia por ejemplo) en los extremos del devanado secundario, como se ha generado una tensión en sus extremos, tendremos una corriente eléctrica que circulará por la carga I2.

En definitiva lo que hace un transformador eléctrico es mediante una bobina de cable inducir magnéticamente una tensión en otra bobina situada cerca de la primera y unidas por un núcleo magnético.

¿Por qué No pueden ser con Corriente Continua?

Si la corriente en el primario fuera corriente continua, el flujo creado no seria variable, por lo que no cortaría las espiras del secundario, ya que siempre sería el mismo y no se generaría tensión o corriente en el secundario.

Funcionamiento del Transformador en Vacío

Cómo en vació no le conectamos carga en el secundario, el flujo que crea el primario Φ1, creará una tensión en el secundario V2, pero I2 será nula, es decir valdrá I2 = 0A.

Solo tendremos un flujo el Φ1 al que llamaremos Φo (flujo en vacío)

En estas condiciones, la tensión generada por un flujo en el secundario viene determinada por la expresión:

V2 = 4,44 x f x N2 x Φo

V2 = tensión en el secundario

f = frecuencia; es España y Europa es siempre la misma 50Hz.

N2 = Número de espiras (vueltas) en el secundario.

Φo = flujo magnético en vacío

Esta expresión también es válida para expresar la tensión en el primario:

V1 = 4,44 x f x N1 x Φo

Relación de Transformación del Transformador

La relación de transformación es la relación entre la tensión del «Primario» y la del «Secundario»:

m = V1/V2; donde m es la relación de transformación.

Si ahora dividimos las dos tensiones, pero expresadas según las fórmulas vistas anteriormente tenemos que:

V1/V2 = [4,44 x f x N1 x Φo] / [4,44 x f x N2 x Φo]

Como todos los términos arriba y abajo son iguales, excepto N1 y N2 tenemos que:

m = V1/V2 = N1/N2

Como puedes ver la relación de transformación en un transformador depende del número de vueltas que tenga el primario y el secundario.

Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de voltaje (multiplicador).

Si en el secundario hay la mitad de vueltas que en el primario, en el secundario tendremos la mitad de tensión que en el primario (reductor).

Podemos expresar la relación de transformación en función de las fem.

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) (igual que si hablamos de las tensiones).

Recuerda fem será en el interior del trafo, la de las bobinas, tensión sera fuera del trafo, la que metemos o la que sacamos.

Si el transformador es ideal (no tiene pérdidas, como el de la imagen de arriba) las tensiones son iguales a las fuerzas electromotrices (fem). Entonces:

 Vp/Vs = Np/Ns

Un transformador puede ser «elevador o reductor» dependiendo del número de espiras de cada bobinado.

Cuando el secundario tiene un mayor numero de vueltas que el primario, el voltaje en aquel es mayor que en el primario y, por consiguiente, el transformador aumenta el voltaje.

Cuando el secundario tiene un numero menor de vueltas que el primario, el transformador reduce el voltaje.

Sin importar cual sea el caso, la relación siempre se da en términos del voltaje en el primario, el cual puede aumentarse o reducirse en el devanado secundario.

Si se supone que el transformador es ideal, o sea, se desprecian las pérdidas por calor, en el hierro y otras, entonces las fem y las tensiones serán iguales.

Además como ya vimos la potencia entregada en el primario y la recibida en el secundario serán las mismas.

Potencia aparente de entrada en el primario (Sp) = Potencia aparente de salida en el secundario (Ss); Sp = Ss

Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la siguiente fórmula:

S = V x I ;

Si es un trafo trifásico será:

S = √3 x Vn x In

Donde

Vn = Tensión nominal (tensión de línea, entre fase y fase)

In = Intensidad nominal (de fase)

Para estudiar el transformador trifásico te recomendamos el siguiente enlace: Transformador Trifásico

Transformador en Carga

Cuando en el transformador conectamos al secundario una carga, entonces el flujo creado por el primario Φ1 no será el único, ya que circulará una corriente por la carga y por las bobinas del secundario.

Esta corriente I2 creará a su vez un flujo en las bobinas del secundario Φ2, de sentido contrario al que lo creo, es decir en sentido contrario al Φ1.

El flujo total ahora será Φt = Φ1 – Φ2; que resulta que es del mismo valor que el Φo, es decir que el creado cuando el transformador trabaja en vacio.

Con el trafo en carga, la potencia aparente del primario y del secundario es la misma, si no se consideran las perdidas, entonces:

V1 x I1 = V2 x I2; despejando las I para un lado y las V para el otro, tenemos la relación de transformación:

V1/V2 = I2/I1 = m

Luego la relación de transformación también la podemos expresar en función de las intensidades en el primario y en el secundario.

Recuerda que también V1/V2=N1/N2, ya que seguimos teniendo el mismo flujo, el de vacio, luego esto también se cumple en carga.

Para conocer la corriente en el secundario cuando tengo la corriente Ip (corriente en el primario), Np (espiras en el primario) y Ns (espiras en el secundario) se utiliza siguiente fórmula:

Is/Ip = Np / Ns; Si despejamos de la fórmula la Is, tenemos que Is = (Np x Ip) / Ns

transformadores

Símbolos Para El Transformador

Aquí tienes los símbolos utilizados para representar a los transformadores:

simbolos transformadores

Pérdidas en el Transformador

Al ser el transformador una máquina estática, su nivel de pérdidas es muy bajo, aun así es importante contabilizarlas e intentar minimizarlas.

En el trafo tenemos 2 tipos de pérdidas:

Pérdidas en el Cobre (Pcu) = Pérdidas por efecto Joule en las bobinas, es decir por calentamiento de los cables de los devanados.

Las perdidas en el cobre dependen del regimen de carga en que funcione el transformador y valen:
Pcu= I1 x R1 + I2 x R2

Donde R1 y R2 es la resistencia del bobinado primario y secundario

Pérdidas en el Hierro (Pfe) = Pérdidas en el núcleo o pérdidas en el hierro del núcleo.

Las perdidas en el hierro son las mismas para cualquier régimen de carga en el transformador, ya que se considera que el flujo magnético no varia, y coinciden con Ia potencia medida en el ensayo en vacio del transformador.

Ensayo del Transformador en Vacío

Mediante este ensayo podemos obtener las pérdidas en el hierro obtenidas por medida directa con un vatímetro.

En el ensayo de vacío el bobinado secundario está abierto y no circulará intensidad por él secundario (I2 = 0).

El primario se conecta a la tensión nominal, siendo la tensión del secundario la nominal del transformador.

ensayo en vacio del transformador

La lectura del vatímetro es el consumo de potencia del transformador en esas condiciones, pero como no hay carga, corresponderá a las pérdidas en el hierro más las pérdidas en el cobre (Joule).

Resulta que en el bobinado secundario las pérdidas por efecto Joule son cero, ya que no hay corriente por los cables y no se calientan, y en el bobinado primario son despreciables, ya que la corriente de vacío I0 es muy baja.

Por tanto, se puede afirmar que vatímetro en el ensayo en vacio indica las pérdidas en el hierro Pfe, es decir las pérdidas en las chapas magnéticas.

Ensayo del Transformador en Cortocircuito

Para realizar el ensayo se cortocircuita el secundario, conectando el primario a tensión.

Se aumentará progresivamente el valor de la tensión hasta que los amperímetros marquen los correspondientes valores nominales I1n e I2n.

ensayo cortocircuito transformador
En ese instante el voltímetro V1 indicará el valor de la tensión de cortocircuito del transformador UCC.

Por su parte, el vatímetro mostrará la potencia perdida por efecto Joule o Pérdidas en el Cobre para los valores nominales de corriente.

Pero con este ensayo hay un dato muy importante que sacamos a parte de las Pcu, que es la Tensión de Cortocircuito del Transformador.

La Tensión de cortocircuito Vcc es la tensión que hay que aplicar al bobinado primario para que, estando en cortocircuito el devanado secundario, circule por cada uno de ellos su intensidad nominal.

La Vcc se expresa en % de la tensión nominal del primario y su valor se indica en la placa de características del transformador.

Vcc% = Vcc / V1 x 100

¿Por qué es tan importante?

Porque para acoplar transformadores en paralelo, una de las condiciones que deben cumplirse es tener los dos trafos igual tensión de cortocircuito en %.

Rendimiento de los Transformadores

El rendimiento de un transformador se define como el cociente entre la potencia cedida al exterior por el bobinado secundario y la potencia absorbida por el bobinado primario:

rendimiento del transformador

Un método para el calculo del rendimiento es mediante la conexión de vatímetro en el primario y en el secundario (método directo).

El cociente de las potencias medidas multiplicado por 1000 nos da como resultado el rendimiento del trafo en porcentaje.

Caída de Tensión en los Transformadores

Consideremos un transformador alimentado siempre a la tensión nominal primaria U1n.

En vacío, el transformador proporcionará la tensión nominal secundaria V2n.

Con el secundario a plena carga, y con determinado factor de potencia (I2n, cos ϕ2), la V2 ya no es la nominal, se designa por V2c.

Se denomina caída interna del transformador a: ∆ V2 = V2n – V2c en valor absoluto.

Es decir, tensión nominal del secundario en vacío menos la tensión del secundario en carga.

En porcentaje referida a la tensión nominal secundaria (V2n) será:

∆ V2% = ([V2n – V2c] / V2n) x 100

Tipos de Transformadores

Según su tensión tenemos 2 tipos, los explicados anteriormente, que son los transformadores monofásicos, y los transformadores trifásicos, que utilizan una alimentación trifásica de entrada y de salida.

Los transformadores trifásicos utilizados en los Centros de Transformación, normalmente, están equipados con un conmutador de tensión en vacío de 5 posiciones (5 tensiones diferentes) en el lado de alta tensión con el mando situado en la tapa.

Si aumentan los usuarios y baja la tensión en el secundario, podemos cambiar (aumentar) el conmutador para poner el primario a una pequeña tensión mayor.

Pero a parte de su alimentación tenemos muchas más tipos de transformadores.

Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi

Descripción: Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite.

Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

Características Generales: Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislamiento clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación.

Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

El Transformador de Núcleo Distribuido

Descripción: Tiene un núcleo central y cuatro ramas exteriores. Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos.

Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas.

Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales.

El transformador de Núcleo Arrollado

Descripción: El núcleo consiste en una tira de hierro arrollado en forma de espiral en torno a una bobina preformada. Los transformadores se pueden refrigerar con circulación natural o forzada de aire, pero su tensión nominal viene limitada por la baja rigidez dieléctrica del aire.

El aire (o el Askerol o Pyranol) sirve tanto para aislante como para refrigerante.

Los transformadores se pueden refrigerar mediante circulación natural o forzada en aceite.

Para aumentar la superficie disipadora del calor, se sueldan los tubos de la cubierta o se empernan radiadores a ella.

Para gobernar la tensión y la fase, algunos transformadores están equipados de mecanismos de tomas variables.

Cuando se eleva la temperatura del transformador a causa de la carga, el aire o gas que se halle dentro del transformador se dilata y es expulsado; cuando se enfría el transformador, se contrae el aire o gas y penetra aire del exterior que contiene oxigeno y humedad.

A este efecto se le da el nombre de respiración.

La humedad y el oxigeno deterioran el sistema y ensucian el aceite.

Para evitar esto, se emplea nitrógeno y un respirador elimina el oxigeno y la humedad del aire que penetra.

Un pequeño tanque de expansión, llamado conservador, montado sobre la cubierta del transformador, reduce mucho la superficie del aceite expuesta al gas.

Los transformadores Auto Protegidos

Aplicaciones: El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto posee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión.

Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque.

Características: Potencia: 45 a 150KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 380/220 o 220/127V

El Transformador de Núcleo

Descripción: Los devanados rodean al núcleo.

Éste está constituido por láminas rectangulares o en forma de L que se ensamblan y solapan alternativamente en capas adyacentes.

En los transformadores trifásico de núcleo hay tres núcleos unidos por sus partes superior e inferior mediante un yugo y sobre cada núcleo se devanan el primario y el secundario de cada fase.

Este dispositivo es posible porque, en todo momento, la suma de los flujos es nula.

Invirtiendo las conexiones de las bobinas centrales en el transformador trifásico acorazado, las secciones de los núcleos entre las ventanas es igual al valor que se obtendría sin invertir las conexiones, divididas por raíz de 3.

El transformador trifásico mas compacto y ligero que los tres transformadores monofásicos equivalentes, pero disminuye la flexibilidad del sistema.

En un auto transformador, parte del devanado es común a primario y secundario.

Tan solo se transforma una parte de la potencia, yendo la restante de la carga por conducción.

Cuando la razón de transformación es próxima a la unidad o es pequeña, se ahorra mucho material y pérdidas adoptando este sistema en vez del transformador clásico aparente.

Los transformadores Rurales

Descripción: Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas monofilares, bifilares y trifilares, de 7.6, 13.2 y 15 kV.

En redes trifilares se pueden utilizar transformadores trifásicos o como alternativa 3 monofásicos.

Los transformadores Herméticos de Llenado Integral

Descripción: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos.

Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características Generales:

Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional.

Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

Ya puedes hacer los : Ejercicios de Transformadores Para Hacer Online.

Ahora te recomendamos ver: Transformador Trifasico y Máquinas Electricas

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8 comentarios en “Transformador Eléctrico”

  1. hola buenas noches de verdad que me ha gustado esta información ya que la estaba buscando y es de mi interes por motivos de gusto y estudio muchas gracias por colaborar con los estudiantes

  2. hola tengo un transformado que en el primario dice que van 480v, mientras que en secundario salen 220v/110v.
    Supongamos que alimento el tranformaor con 220 V en el primario
    el transfromador es de 2KVA.
    Que voltaje tendria en el secundario ?
    afectaria esto en los KVA y en la corriente que soporte en el seundario?

      1. Si es lo que me imaginaba, la cuestion es, supongamos que si me salen 110V, al momento de ponerle alguna carga ya sea una pulidora, lavadora, etc, afectara en el devanado del transformador ?.
        Cabe recalcar que tambien se le pueden poner 440V en el primario trae derivacion.
        Me seguiria dando los 2KVA que tiene o se reducirian estos 2KVA ?

        Con 440V en el devanado primario serian 220 en el sec.
        entonces 2000/220= 9.09 amp.

        Con 220V en el primario serian 110 en el secundario
        entonces 2000/110 = 18.18 amp.
        Quiero pensar que no afecta.

        Primario Secundario
        480V ——— } { ———– 220V
        440V ——— } { ———– 110V
        C ———- } { ———– C

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