Construcción de Transformadores

¿Cómo se construye un transformador? ¿qué cosas se deben de tener en cuenta en el proceso de creación?, todas estas preguntas se aclaran en el siguiente artículo.

Este circuito magnético, conocido más comúnmente como el "núcleo del transformador", está diseñado para proporcionar una ruta para que el campo magnético fluya alrededor, lo cual es necesario para la inducción del voltaje entre los dos devanados.

Sin embargo, este tipo de construcción de transformador donde los dos devanados se enrollan en extremidades separadas no es muy eficiente ya que los devanados primario y secundario están bien separados entre sí. Esto da lugar a un acoplamiento magnético que ocurre entre los dos devanados, así como a grandes cantidades de fugas de flujo magnético desde el propio transformador. Pero además de esta construcción en forma de “O”, existen diferentes tipos de “construcción de transformador” y diseños disponibles que se utilizan para superar estas ineficiencias y producir un transformador más pequeño y compacto.

Además de proporcionar una ruta de baja reluctancia para el campo magnético, el núcleo está diseñado para evitar la circulación de corrientes eléctricas dentro del propio núcleo de hierro. Las corrientes circulantes, llamadas "corrientes de Foucault", causan pérdidas de calor y energía dentro del núcleo que disminuyen la eficiencia de los transformadores.

La reluctancia hace referencia a la oposición del flujo magnético en un circuito

Estas pérdidas se deben principalmente a los voltajes inducidos en el circuito de hierro, que están constantemente sujetos a la configuración de campos magnéticos alternos por la tensión de alimentación sinusoidal externa. Una forma de reducir estas pérdidas de energía no deseadas es construir el núcleo del transformador a partir de laminaciones de acero delgadas.

En todos los tipos de construcción de transformadores, el núcleo central de hierro está construido de un material altamente permeable hecho de laminaciones de acero de silicio delgado. Estas laminaciones finas se ensamblan juntas para proporcionar la trayectoria magnética requerida con el mínimo de pérdidas magnéticas. La resistividad de la lámina de acero en sí es alta, lo que reduce la pérdida de corriente de Foucault al hacer que las laminaciones sean muy finas.

Estas laminaciones de transformador de acero varían en grosor de entre 0.25 mm a 0.5 mm y como el acero es un conductor, las laminaciones y los pernos de fijación, remaches o pernos están aislados eléctricamente entre sí por una capa muy delgada de barniz aislante o por el uso de una capa de óxido en la superficie. ¡Interesante ¿no?

Entendiendo la construcción de un transformador

En general, el nombre asociado con la construcción de un transformador depende mucho de cómo se enrollan los devanados primarios y secundarios alrededor del núcleo central de acero laminado. Los dos diseños más comunes y básicos de la construcción del transformador son los de Núcleo Cerrado y los tipo Concha (Shell) .

En el transformador de tipo "núcleo cerrado" (forma de núcleo), los devanados primario y secundario están enrollados en el exterior y rodean el anillo del núcleo. En el transformador de "tipo de carcasa" (o forma de concha), los devanados primario y secundario pasan dentro del circuito magnético de acero (núcleo) que forma una concha alrededor de los devanados, como se muestra en la siguiente imagen:

En ambos tipos de diseño de núcleo de transformador, el flujo magnético que une los devanados primario y secundario viajan completamente dentro del núcleo sin pérdida de flujo magnético a través del aire. En la construcción del transformador de tipo núcleo, una mitad de cada devanado se enrolla alrededor de cada pata (o extremidad) del circuito magnético de los transformadores, como se muestra en la imagen de arriba.

Las bobinas no están ordenadas con el devanado primario en una pata y el secundario en la otra, sino que la mitad del devanado primario y la mitad del devanado secundario se colocan uno sobre el otro concéntricamente en cada pata para aumentar el acoplamiento magnético permitiendo prácticamente que todas las líneas magnéticas de fuerza pasen a través de los devanados primario y secundario al mismo tiempo. Sin embargo, con este tipo de construcción de transformador, un pequeño porcentaje de las líneas magnéticas de fuerza fluye fuera del núcleo, y esto se denomina "flujo de fuga".

Los núcleos de transformador de tipo concha superan este flujo de fuga ya que los devanados primarios y secundarios están enrollados en la misma pata o extremidad central que tiene el doble del área de la sección transversal de las dos extremidades externas. La ventaja aquí es que el flujo magnético tiene dos trayectorias magnéticas cerradas que fluyen alrededor de las bobinas en ambos lados tanto derecho e izquierdo antes de volver a las bobinas centrales.

Esto significa que el flujo magnético que circula alrededor de las extremidades externas de este tipo de construcción de transformador es igual a Φ/2 . Como el flujo magnético tiene una trayectoria cerrada alrededor de las bobinas, esto tiene la ventaja de disminuir las pérdidas del núcleo y aumentar la eficiencia general.

Laminados de transformadores

Pero es posible que se pregunte cómo se enrollan los devanados primarios y secundarios alrededor de estos núcleos laminados de hierro o acero para este tipo de construcciones de transformadores.

Las bobinas primero se enrollan en un molde que tiene una sección transversal cilíndrica, rectangular u ovalada para adaptarse a la construcción del núcleo laminado.

Formas en los núcleos del Transformador

Estas estampaciones de laminación cuando se conectan juntas forman la forma de núcleo requerida. Por ejemplo, dos estampados en “E” más dos estampados en el extremo “I” de cierre para proporcionar un núcleo E-I que forma un elemento para un núcleo de transformador de tipo concha/carcasa estándar.

Estas laminaciones individuales están estrechamente unidas entre sí durante la construcción de los transformadores para reducir la renuencia del espacio de aire en las juntas, lo que produce una densidad de flujo magnético altamente saturado.

Las laminaciones del núcleo del transformador generalmente se apilan (se colocan una sobre otra) alternativamente entre sí para producir una junta superpuesta con la adición de más pares de laminación para formar el grosor correcto del núcleo. Este apilamiento alternativo de las laminaciones también le da al transformador la ventaja de una menor fuga de flujo y pérdidas de hierro.

La construcción del transformador laminado de núcleo E-I se utiliza principalmente en transformadores de aislamiento, transformadores de subida y bajada, así como en transformadores automáticos.

¿Qué hay de la bobina de un transformador? 🤔

Los devanados de transformadores forman otra parte importante de la construcción de un transformador, ya que son los principales conductores de corriente enrollados alrededor de las secciones laminadas del núcleo. En un transformador de dos devanados monofásico, dos devanados estarán presentes. El que está conectado a la fuente de voltaje y crea el flujo magnético llamado devanado primario, y el segundo devanado denominado secundario en el que se induce un voltaje como resultado de una inducción mutua.

El tipo de cable utilizado como conductor de corriente principal en un devanado de transformador es cobre o aluminio. Si bien el cable de aluminio es más liviano y generalmente menos costoso que el cable de cobre, se debe usar una sección transversal más grande del conductor para transportar la misma cantidad de corriente que el cobre, por lo que se usa principalmente en aplicaciones de transformadores de potencia más grandes.

Los transformadores de potencia y voltaje de kVA pequeños utilizados en circuitos eléctricos y electrónicos de baja tensión tienden a usar conductores de cobre, ya que tienen una mayor resistencia mecánica y un tamaño de conductor más pequeño que los tipos de aluminio equivalentes. El inconveniente es que cuando están completos con su núcleo, estos transformadores son mucho más pesados.

Los bobinados y bobinas del transformador pueden clasificarse ampliamente en bobinas concéntricas y bobinas intercaladas. En la construcción de transformador de tipo núcleo, los devanados generalmente están colocados concéntricamente alrededor de la extremidad del núcleo (vea la imagen de arriba), con el devanado primario de mayor voltaje enrollado sobre el devanado secundario de menor voltaje.

Las bobinas emparedadas consisten en conductores planos enrollados en forma de espiral y se denominan así debido a la disposición de los conductores en los discos. Los discos alternativos se hacen en espiral desde el exterior hacia el centro en una disposición intercalada con bobinas individuales que se apilan y se separan mediante materiales aislantes, como papel de lámina de plástico. Entonces las bobinas y los devanados tipo sándwich (emparedadas) son más comunes en la construcción de núcleo tipo carcasa/concha.

Los devanados helicoidales también conocidos como devanados de tornillo son otra disposición de bobina cilíndrica muy común utilizada en aplicaciones de transformadores de alto voltaje y de baja tensión. Los bobinados están formados por grandes conductores rectangulares de sección transversal enrollados en su lado con los hilos aislados enrollados en paralelo continuamente a lo largo del cilindro, con espaciadores adecuados insertados entre vueltas adyacentes o discos para minimizar las corrientes de circulación entre los hilos paralelos. La bobina avanza hacia afuera como una hélice que se parece a la de un sacacorchos

En transformadores de potencia y distribución más grandes, los conductores están aislados entre sí utilizando papel o tela impregnados con aceite. Todo el núcleo y los devanados están sumergidos y sellados en un tanque protector que contiene aceite de transformador.

El aceite del transformador actúa como aislante y también como refrigerante.

¿Puede sufrir pérdidas el núcleo de un transformador?

Un transformador no es totalmente ideal, existen ciertos problemas como en todo, que nos lleva a una sola causa y conclusión, la mayoría de los núcleos de los transformadores están construidos con aceros bajos en carbono que pueden tener permeabilidades del orden de 1500 en comparación con solo 1.0 para el aire.

Esto significa que un núcleo laminado de acero puede transportar un flujo magnético 1500 veces mejor que el del aire. Sin embargo, cuando un flujo magnético fluye en un núcleo de acero de transformadores, se producen dos tipos de pérdidas en el acero. Uno denominado "pérdidas por corrientes de Foucault" o de "corrientes parásitas" y el otro denominado "pérdidas por histéresis".

Pérdida por Histéresis

En la Histéresis del transformador las pérdidas se deben a la fricción de las moléculas contra el flujo de las líneas magnéticas de fuerza requeridas para magnetizar el núcleo, que cambian constantemente de valor y dirección, primero en una dirección y luego en la otra debido a la influencia de la sinusoidal o bien la tensión de alimentación.

Esta fricción molecular hace que se desarrolle calor, lo que representa una pérdida de energía para el transformador. La pérdida excesiva de calor puede acortar la vida útil de los materiales aislantes utilizados en la fabricación de los devanados y estructuras. Por lo tanto, la refrigeración de un transformador es importante.

Además, los transformadores están diseñados para funcionar a una frecuencia de suministro particular. La reducción de la frecuencia del suministro dará como resultado un aumento de la histéresis y una mayor temperatura en el núcleo de hierro. Por lo tanto, reducir la frecuencia de suministro de 60 Hertz a 50 Hertz aumentará la cantidad de histéresis presente, disminuyendo la capacidad de VA (Volt-Ampere) del transformador.

Pérdidas por corrientes de Foucault

Las pérdidas por corrientes de Foucault en el transformador, por otro lado, son causadas por el flujo de corrientes circulantes inducidas en el acero causadas por el flujo del flujo magnético alrededor del núcleo. Estas corrientes circulantes se generan porque, debido al flujo magnético, el núcleo actúa como un solo bucle de cable. Dado que el núcleo de hierro es un buen conductor, las corrientes de Foucault inducidas por un núcleo de hierro sólido serán grandes.

Las corrientes de Foucault no contribuyen en nada a la utilidad del transformador, sino que se oponen al flujo de la corriente inducida al actuar como una fuerza negativa que genera un calentamiento resistivo y una pérdida de potencia dentro del núcleo.

Laminando el núcleo de Hierro

Las pérdidas por corrientes de Foucault en el núcleo de un transformador no se pueden eliminar completamente, pero se pueden reducir y controlar en gran medida al reducir el grosor del núcleo de acero. En lugar de tener un gran núcleo de hierro sólido como el material del núcleo magnético del transformador o bobina, el camino magnético se divide en muchas formas de acero prensado delgado llamadas "laminaciones".

Las laminaciones utilizadas en la construcción de un transformador son tiras muy finas de metal aislado unidas para producir un núcleo sólido pero laminado, como vimos anteriormente. Estas laminaciones están aisladas entre sí por una capa de barniz o papel para aumentar la resistividad efectiva del núcleo, lo que aumenta la resistencia general para limitar el flujo de las corrientes de Foucault.

El resultado de todo este aislamiento es que la pérdida de potencia de la corriente de Foucault inducida no deseada en el núcleo se reduce considerablemente, y es por esta razón que el circuito de hierro magnético de cada transformador y otras máquinas electromagnéticas están laminados.

El uso de laminaciones en una construcción de transformador reduce las pérdidas por corrientes de Foucault.

Las pérdidas de energía, que aparecen como calor debido tanto a la histéresis como a las corrientes de Foucault en la trayectoria magnética, se conocen comúnmente como "pérdidas del núcleo del transformador". Dado que estas pérdidas se producen en todos los materiales magnéticos como resultado de campos magnéticos alternos. Las pérdidas del núcleo del transformador siempre están presentes en un transformador cuando el primario está energizado, incluso si no hay carga conectada al devanado secundario. También estas histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas se denominan a veces “pérdidas de hierro del transformador”, ya que el flujo magnético que causa estas pérdidas es constante en todas las cargas.

Pérdidas de Cobre

Pero también hay otro tipo de pérdida de energía asociada con los transformadores llamados "pérdidas de cobre". Las pérdidas de cobre del transformador se deben principalmente a la resistencia eléctrica de los devanados primario y secundario. La mayoría de las bobinas del transformador están hechas de alambre de cobre que tiene resistencia en ohmios, ( Ω ). Esta resistencia se opone a las corrientes magnetizantes que fluyen a través de ellas.

Cuando se conecta una carga al devanado secundario de los transformadores, fluyen grandes corrientes eléctricas tanto en el devanado primario como en el secundario, la energía eléctrica y las pérdidas de potencia (o I²R) se producen como calor.

En general, las pérdidas de cobre varían con la corriente de carga, siendo casi cero sin carga, y con un máximo a plena carga cuando el flujo de corriente es máximo.

Se puede aumentar la clasificación VA (volt-ampere) de los transformadores mejorando el diseño y la construcción del transformador para reducir estas pérdidas de núcleo y cobre.

Los transformadores con clasificaciones de alto voltaje y corriente requieren conductores de sección transversal grande para ayudar a minimizar sus pérdidas de cobre. Aumentar la tasa de disipación de calor (mejor enfriamiento) por aire o aceite forzado, o al mejorar el aislamiento de los transformadores de modo que resista temperaturas más altas también puede aumentar la clasificación VA (volt-ampere) de los transformadores.

Entonces podemos definir un transformador ideal teniendo:

• Sin bucles de histéresis o pérdidas por histéresis.
• Resistividad infinita del material del núcleo que da cero pérdidas de corrientes de Foucault.
• Resistencia al devanado cero que da cero pérdidas de cobre