Uno de los temas más importantes dentro de la ingeniería eléctrica, mecatrónica, electromecánica y carreras a fines es sobre los transformadores eléctricos. 

Los transformadores son dispositivos eléctricos que consisten en dos o más bobinas de cable utilizadas para transferir energía eléctrica por medio de un campo magnético cambiante.

Una de las razones principales por las que usamos voltaje y corrientes en nuestros hogares o lugares de trabajo es porque que los suministros de corriente alterna pueden generarse fácilmente por diversas formas de obtención de energía y finalmente dicha corriente y voltaje se transforman (de ahí el nombre de transformador) en voltajes mucho más altos y luego distribuirse en todo el país usando una red nacional de torres y cables sobre distancias muy largas.

Tal como se ilustra en la imagen:

La razón para transformar el voltaje a un nivel mucho más alto es que los voltajes de distribución más altos implican corrientes más bajas para la misma potencia y, por lo tanto, menores pérdidas de I2R a lo largo de la red de cables de la red. Estos voltajes y corrientes de transmisión de CA más altos se pueden reducir a un nivel de voltaje mucho más bajo, más seguro y utilizable donde se puede usar para suministrar equipos eléctricos en nuestros hogares y lugares de trabajo, y todo esto es posible gracias al transformador de voltaje.

¿Qué es un Transformador de voltaje?

El transformador de voltaje puede considerarse como un componente eléctrico en lugar de un componente electrónico. Un transformador básicamente es un dispositivo eléctrico pasivo electromagnético estático (o estacionario) muy simple que funciona según el principio de la ley de inducción de Faraday al convertir la energía eléctrica de un valor a otro.

El transformador hace esto conectando dos o más circuitos eléctricos utilizando un circuito magnético oscilante común que es producido por el propio transformador. Un transformador opera sobre los principios de la “inducción electromagnética“, en forma de inducción mutua.

La inducción mutua es el proceso mediante el cual una bobina de alambre induce magnéticamente una tensión en otra bobina ubicada cerca de ella. Entonces podemos decir que los transformadores funcionan en el “dominio magnético”, y los transformadores obtienen su nombre del hecho de que “transforman” un voltaje o nivel de corriente en otro.

Los transformadores son capaces de aumentar o disminuir el voltaje y los niveles de corriente de su suministro, sin modificar su frecuencia, o la cantidad de energía eléctrica que se transfiere de un devanado a otro a través del circuito magnético.

Un transformador de voltaje monofásico consiste básicamente en dos bobinas eléctricas de cable, una llamada “bobina primaria” y otra llamada “bobina secundaria”. Para este artículo definiremos el lado “primario” del transformador como el lado que usualmente toma poder, y el “secundario” como el lado que usualmente entrega poder. En un transformador de voltaje monofásico, el primario es usualmente el lado con el voltaje más alto.

Estas dos bobinas no están en contacto eléctrico entre sí, sino que se envuelven juntas alrededor de un circuito cerrado común de hierro magnético llamado “núcleo”. Este núcleo de hierro blando no es sólido sino que está formado por laminaciones individuales conectadas entre sí para ayudar a reducir las pérdidas del núcleo.

Los dos devanados de bobina están aislados eléctricamente entre sí, pero están unidos magnéticamente a través del núcleo común, lo que permite que la energía eléctrica se transfiera de una bobina a otra. Cuando una corriente eléctrica pasa a través del devanado primario, se desarrolla un campo magnético que induce un voltaje en el devanado secundario.

Transformador de voltaje monofásico

Veamos la siguiente imagen:

Dicho en otras palabras, para un transformador no hay una conexión eléctrica directa entre los dos devanados de bobina, lo que le da el nombre también de un Transformador de Aislamiento .

Generalmente, el devanado primario de un transformador está conectado a la fuente de voltaje de entrada y convierte o transforma la energía eléctrica en un campo magnético. Mientras que el trabajo del devanado secundario es convertir este campo magnético alterno en energía eléctrica produciendo el voltaje de salida requerido, tal como se ilustra en la siguiente sección:

Construcción de un trasformador (monofásico)

Dónde:

\displaystyle {{V}_{p}} = Voltaje Primario

\displaystyle {{V}_{s}} = Voltaje Secundario

\displaystyle {{N}_{p}} = Número de devanados primarios

\displaystyle {{N}_{s}} = Número de devanados secundarios

\displaystyle \phi = Enlace de flujo

Observe que los dos devanados de bobina no están conectados eléctricamente, sino que solo están conectados magnéticamente. Un transformador monofásico puede funcionar para aumentar o disminuir el voltaje aplicado al devanado primario. Cuando se usa un transformador para “aumentar” el voltaje en su devanado secundario con respecto al primario, se le llama transformador elevador . Cuando se usa para “disminuir” la tensión en el devanado secundario con respecto al primario, se llama transformador reductor .

Sin embargo, existe una tercera condición en la que un transformador produce el mismo voltaje en su secundario que se aplica a su devanado primario. En otras palabras, su salida es idéntica con respecto al voltaje, la corriente y la potencia transferida. Este tipo de transformador se denomina “Transformador de impedancia” y se utiliza principalmente para la adaptación de impedancia o el aislamiento de circuitos eléctricos adyacentes.

La diferencia de voltaje entre los devanados primario y secundario se logra cambiando el número de vueltas de la bobina en el devanado primarioNP) en comparación con el número de vueltas de la bobina en el devanado secundario (NS).

Como el transformador es básicamente un dispositivo lineal, ahora existe una relación entre el número de vueltas de la bobina primaria dividida por el número de vueltas de la bobina secundaria. Esta relación, llamada relación de transformación, más comúnmente conocida como transformadores de “relación de giros”, (TR).

Este valor de relación de vueltas determina el funcionamiento del transformador y la tensión correspondiente disponible en el devanado secundario.

La importancia de la relación
Es necesario conocer la relación del número de vueltas de cable en el devanado primario en comparación con el devanado secundario. La relación de giros, que no tiene unidades, compara los dos devanados en orden y se escribe con dos puntos, como 4: 1 (4 a 1). Esto significa en este ejemplo, que si hay 4 volts en el devanado primario, habrá 1 volt en el devanado secundario, 4 volts a 1 volt. Entonces podemos ver que si la relación entre el número de vueltas cambia, los voltajes resultantes también deben cambiar en la misma proporción, y esto es realmente cierto.

Los transformadores funcionan perfectamente respecto a las “relaciones”. La relación del primario al secundario, la relación de la entrada a la salida y la relación de vueltas de cualquier transformador dado será la misma que la relación de voltaje. En otras palabras, para un transformador: “relación de vueltas = relación de tensión”.

El número real de vueltas de cable en cualquier devanado generalmente no es importante, solo la relación de vueltas.

Relación de vueltas en el transformador

Suponiendo un transformador ideal y los ángulos de fase:  ΦP ≡ ΦS

Tenga en cuenta que el orden de los números Cuando se expresa un transformador de relación de vueltas el valor es muy importante como la relación de vueltas 3:1 expresa una tensión relación transformador y de salida muy diferente de una en la que se da la relación de vueltas como: 1: 3.

Ejemplo 1. Un transformador de voltaje tiene 1500 vueltas de cable en su bobina primaria y 500 vueltas de cable para su bobina secundaria. ¿Cuál será la relación de vueltas del transformador? 

Solución:

Aplicando la fórmula expuesta arriba, vemos lo siguiente:

\displaystyle \frac{{{N}_{p}}}{{{N}_{s}}}=\frac{1500}{500}=\frac{3}{1}=3:1

Esta relación de 3:1 (3 a 1) simplemente significa que hay tres devanados primarios por cada devanado secundario. A medida que la relación se mueve de un número más grande a la izquierda a un número más pequeño a la derecha, el voltaje primario por lo tanto se reduce en valor.

Ejemplo 2. Si se aplican 240 volts RMS al devanado primario del mismo transformador anterior, ¿cuál será el voltaje secundario sin carga resultante?

Solución:

\displaystyle 3:1=\frac{3}{1}=\frac{{{V}_{p}}}{{{V}_{s}}}=\frac{240v}{{{V}_{s}}}

La ecuación la podemos simplificar más aún, para que no se confunda.

\displaystyle 3:1=\frac{3}{1}=\frac{{{V}_{p}}}{{{V}_{s}}}=\frac{240v}{{{V}_{s}}}

Despejando Vs

\displaystyle {{V}_{s}}=\frac{240v}{3}=80v

Una vez más, Una vez más podríamos confirmar que se trata de un transformador “reductor” ya que el voltaje primario es de 240 volts y el voltaje secundario correspondiente es menor a 80 volts.

Entonces, el propósito principal de un transformador es transformar los voltajes en relaciones preestablecidas y podemos ver que el devanado primario tiene una cantidad o número de devanados establecido (bobinas de cable) para adaptarse al voltaje de entrada. Si la tensión de salida secundaria debe ser el mismo valor que la tensión de entrada en el devanado primario, entonces debe enrollarse el mismo número de vueltas de bobina en el núcleo secundario que hay en el núcleo primario, lo que da una relación de giros parejos de 1: 1 (1 a 1). En otras palabras, una bobina enciende la secundaria y una bobina enciende la primaria.

Si el voltaje secundario de salida debe ser mayor o mayor que el voltaje de entrada, (transformador elevador), entonces debe haber más giros en el secundario, dando una relación de giros de 1: N (1 a N), donde N representa el número de la relación de vueltas. Del mismo modo, si se requiere que el voltaje secundario sea menor o menor que el primario, (transformador reductor), entonces el número de devanados secundarios debe ser menor para obtener una relación de vueltas de N: 1 (N a 1).

Energía eléctrica en un Transformador

Otro de los parámetros básicos del transformador es su potencia nominal. La potencia nominal de un transformador se obtiene simplemente multiplicando la corriente por el voltaje para obtener una clasificación en volts-amper , (VA). Los transformadores monofásicos pequeños pueden clasificarse en volts-ampere solamente, pero los transformadores de potencia mucho más grandes se clasifican en unidades de Kilo volt-amper (kVA), donde 1 kilovolt ampere es igual a 1,000 volts-ampere y unidades de Mega volts-ampere , ( MVA ) donde 1 mega-volt ampere es igual a 1 millón de volts-amperes.

En un transformador ideal (aquél transformador que descarta cualquier pérdida), la potencia disponible en el devanado secundario será la misma que la del devanado primario, son dispositivos de potencia constante y no cambian la potencia solo la relación de voltaje a corriente. Así, en un transformador ideal de la potencia promedio es igual a uno (unidad) como el voltaje, V multiplicada por la corriente, que se mantendrá constante.

Es decir, la potencia eléctrica a un nivel de voltaje / corriente en el primario se “transforma” en energía eléctrica, en la misma frecuencia, al mismo nivel de voltaje / corriente en el lado secundario. Aunque el transformador puede aumentar o disminuir la tensión, no puede aumentar la potencia. Por lo tanto, cuando un transformador aumenta un voltaje, reduce la corriente y viceversa, de modo que la potencia de salida siempre tenga el mismo valor que la potencia de entrada. Entonces podemos decir que la potencia primaria es igual a la potencia secundaria.

Transformador Eléctrico
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