Transformadores Eléctricos.
Transformadores Características e Importancia.
Tipos y Clasificación:
Definición y Tecnologías Constructivas:
Un transformador eléctrico es un dispositivo estático que usa la inducción electromagnética para transferir energía de un circuito a otro. Su función principal es cambiar el voltaje y la corriente de una corriente alterna (CA) sin modificar su frecuencia.
Componentes
principales:
Un transformador básico consta de tres partes
clave:
- Núcleo magnético:
Hecho de láminas de acero laminado para dirigir el flujo magnético. Su
propósito es evitar que se desperdicie la energía generada.
- Devanado primario: Una
bobina de alambre conectada a la fuente de energía. La corriente alterna
que entra a este devanado crea un campo magnético pulsante.
- Devanado secundario: Otra
bobina de alambre donde el flujo magnético del núcleo induce una nueva
corriente eléctrica. Este devanado no tiene una conexión física con el
primario.
Funcionamiento:
El funcionamiento del transformador se basa en
el principio de inducción electromagnética. Cuando se aplica una corriente
alterna al devanado primario, esta genera un flujo magnético variable en el
núcleo. Este flujo magnético viaja a través del núcleo y "corta" el
devanado secundario, lo que induce un voltaje en él.
La relación entre el voltaje de entrada y el
de salida depende directamente de la relación de espiras (vueltas de alambre)
entre los devanados.
· Si el devanado primario tiene más espiras
que el secundario, el transformador reduce el voltaje (transformador reductor).
· Si el devanado secundario tiene más espiras
que el primario, el transformador aumenta el voltaje (transformador elevador).
Este video explica en detalle el
funcionamiento de un transformador.
Tipos de
transformadores:
Existen diversos tipos de transformadores
eléctricos, clasificados según sus características, aplicaciones y
construcción.
Clasificación general:
Según su función principal:
Transformadores elevadores/reductores de tensión:
Son los más comunes. Los elevadores aumentan el
voltaje de salida con respecto al de entrada (utilizados en la generación de
energía para la transmisión a largas distancias), mientras que los reductores disminuyen el voltaje (usados para adaptar la
energía a los requerimientos de consumo doméstico o industrial).
Transformadores de aislamiento:
Estos transformadores no cambian la tensión, sino
que separan eléctricamente dos circuitos. Se usan para proteger equipos y
personas de descargas eléctricas, aislar ruido eléctrico o interferencias, y en
equipos médicos.
Transformadores de medida:
Transformadores de corriente (TC):
Reducen corrientes elevadas a niveles más bajos y
seguros para ser medidos por instrumentos o para proteger sistemas eléctricos.
Transformadores de potencial (TP):
Reducen voltajes muy altos a niveles que pueden ser
medidos por voltímetros convencionales, también con fines de medición y
protección.
Según su tipo de fase:
Transformadores monofásicos:
Diseñados para trabajar con sistemas de corriente
alterna de una sola fase. Son comunes en aplicaciones residenciales y
comerciales de baja potencia.
Utilizados en sistemas de corriente alterna de tres
fases, ideales para la distribución de energía a gran escala y en la industria
debido a su eficiencia y capacidad para manejar cargas de mayor potencia.
Pueden estar formados por tres transformadores monofásicos o tener un núcleo
único con tres bobinas.
Según su sistema de refrigeración:
Utilizan aire o gases como medio de refrigeración.
Son preferidos en lugares donde el riesgo de incendio es una preocupación, como
edificios comerciales o instalaciones industriales interiores.
Emplean aceite mineral como medio refrigerante y
aislante. Son comunes en subestaciones y en exteriores debido a su eficiencia
para disipar grandes cantidades de calor.
Otros tipos y clasificaciones:
Existen otras clasificaciones según su aplicación específica, como:
Transformadores de alimentación: Integrados en electrodomésticos para adaptar la corriente de la red a sus necesidades.
Transformadores de pulsos: Usados para generar pulsos de voltaje o corriente, a menudo en circuitos electrónicos de control.
Transformadores de línea o Flyback: Empleados en televisores y monitores CRT para generar altas tensiones.
Transformadores de impedancia: Su función es adaptar la impedancia entre dos circuitos para maximizar la transferencia de potencia
Esta variedad permite que los transformadores se
adapten a las distintas necesidades de los sistemas eléctricos, desde la
generación y transmisión hasta el consumo final.
Este video de YouTube ofrece una explicación
detallada sobre los diferentes tipos de transformadores eléctricos.
Importancia
dentro de la industria moderna, tecnologías y aplicaciones:
Los transformadores son dispositivos cruciales en
la industria moderna, ya que regulan el voltaje y garantizan un suministro de
energía estable para el funcionamiento eficiente y seguro de la maquinaria y
los procesos de producción. Su capacidad para adaptar la tensión eléctrica los
hace indispensables en la distribución de energía a gran escala.
Importancia en la Industria Moderna:
Los transformadores son el componente base de la
infraestructura energética industrial.
Su importancia radica en:
- Regulación y distribución de voltaje: Permiten que la energía recibida desde la red de alta tensión sea
convertida a los niveles de media o baja tensión requeridos por las
máquinas, equipos y sistemas de control.
- Eficiencia operativa: Al
ajustar los voltajes, optimizan el consumo de energía y reducen los costos
operativos.
- Seguridad: Protegen los equipos sensibles contra
fluctuaciones, picos de voltaje y otros problemas de la red, minimizando
riesgos y prolongando la vida útil de la maquinaria.
- Adaptabilidad: Hacen posible el uso de maquinaria y equipos importados o especializados que funcionan con voltajes diferentes a los estándares locales.
Tecnologías de Construcción:
La construcción de transformadores ha evolucionado
para mejorar su eficiencia, seguridad y durabilidad.
Las principales tecnologías se centran en:
- Materiales del núcleo: Se
utilizan láminas de acero al silicio de alta calidad para reducir las
pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault. La geometría del núcleo
(tipo núcleo y tipo acorazado) también se optimiza para dirigir el flujo
magnético de manera eficiente.
- Devanados: Se emplean conductores de cobre o
aluminio con aislamiento de alta calidad para soportar grandes cargas y
altas temperaturas.
- Sistemas de refrigeración:
- Transformadores secos:
Utilizan el aire o gases inertes como medio de refrigeración. Son ideales
para interiores y áreas con riesgo de incendio.
- Transformadores en aceite:
Sumergidos en aceite mineral o sintético, el cual actúa como refrigerante
y aislante. Son comunes en subestaciones y aplicaciones de alta potencia.
- Cambiadores de tomas (taps):
Permiten variar la relación de transformación, ajustando el voltaje de
salida de forma fija o bajo carga, para mantener un voltaje estable a
pesar de las fluctuaciones en la red.
- Diseños especiales: Existen transformadores con núcleos toroidales que ofrecen una mayor eficiencia y menores emisiones de campo magnético.
Variables de Comunicación y Protocolos en la
Industria 4.0:
En la Industria 4.0, los transformadores se vuelven dispositivos "inteligentes" que se integran en sistemas de control y monitoreo. La comunicación con estos dispositivos es clave para el mantenimiento predictivo, la optimización y la seguridad.
Algunos de los protocolos de comunicación más
utilizados son:
- Modbus y Modbus TCP:
Protocolos sencillos y ampliamente utilizados para la comunicación con
dispositivos de automatización, como PLCs y sensores.
- PROFINET y EtherNet/IP:
Protocolos basados en Ethernet que permiten la comunicación en tiempo
real, crucial para el control de máquinas y procesos de alta velocidad.
- OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture): Un protocolo robusto y seguro que permite la interoperabilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes.
Aplicaciones de la IA en Transformadores:
La Inteligencia Artificial (IA) se está aplicando para transformar la gestión y operación de los transformadores en la industria, con un enfoque en el mantenimiento predictivo.
La IA puede analizar datos de sensores de temperatura, vibración, sonido y otros parámetros para:
- Diagnóstico de fallos:
Anticipar y detectar anomalías en el funcionamiento de un transformador,
como un aumento gradual de la temperatura o la vibración.
- Optimización del rendimiento:
Ajustar la carga de los transformadores en tiempo real para mejorar la
eficiencia y prolongar su vida útil.
- Seguridad: Identificar patrones de comportamiento sospechosos que podrían indicar un riesgo inminente, reduciendo la posibilidad de accidentes y fallos catastróficos.
Aplicaciones Destacadas en la Industria:
Además de la distribución de energía, los transformadores tienen aplicaciones especializadas esenciales:
- Sistemas de iluminación:
Reducen el voltaje para lámparas de bajo voltaje como LEDs y halógenas,
haciéndolas más seguras y eficientes.
- Transmisión y distribución de energía: Los transformadores elevadores aumentan el voltaje para la
transmisión eficiente a largas distancias, mientras que los reductores lo
disminuyen para el consumo local.
- Industria manufacturera:
Alimentan maquinaria pesada, líneas de producción y sistemas de control,
asegurando que los equipos reciban el voltaje adecuado para un
funcionamiento eficiente.
- Aplicaciones especializadas: Son
cruciales en sistemas de soldadura, hornos eléctricos, y en la industria aeroespacial y
electrónica donde se necesitan transformadores de alta frecuencia
para reducir el tamaño y peso de los componentes.
- Seguridad: Los transformadores de aislamiento
protegen equipos sensibles y personal de sobrecargas y picos de voltaje,
además de reducir el ruido eléctrico.
Desglose Ampliado de los Detalles Técnicos.
Núcleo
magnético de un transformado:
El núcleo magnético de un transformador es la estructura central hecha de material ferromagnético, como el hierro o aleaciones de hierro, que sirve para conducir y concentrar las líneas de campo magnético producidas por la bobina primaria hacia la bobina secundaria. Su principal función es maximizar el acoplamiento magnético entre ambos devanados, asegurando que casi todo el flujo magnético generado en el primario llegue al secundario, lo que aumenta la eficiencia del transformador.
Materiales y Formas del Núcleo:
El núcleo se fabrica a partir de láminas delgadas de acero al silicio laminado, aisladas entre sí. Esta construcción, conocida como laminado, es crucial para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault (o corrientes parásitas). El silicio aumenta la resistividad del material, y el laminado interrumpe las rutas de las corrientes circulares, convirtiendo una gran corriente en muchas pequeñas. La finura de las láminas y la alta resistividad del material son clave para minimizar estas pérdidas, que se manifiestan como calor.
Existen varios tipos de núcleos, definidos por su
forma:
- Núcleo tipo E-I: Es el
más común. Se compone de láminas con forma de "E" y de
"I" que se entrelazan. El devanado se coloca en la rama central
de la "E".
- Núcleo tipo acorazado (shell): El
devanado se encuentra rodeado casi por completo
por el material del núcleo. Ofrece una mejor protección mecánica y un
mejor blindaje contra el flujo de dispersión.
- Núcleo tipo toroidal: Tiene
forma de anillo, donde los devanados se enrollan alrededor de toda la
circunferencia. Ofrece un flujo magnético más uniforme y menor flujo de dispersión, lo que resulta en una mayor
eficiencia y un tamaño más compacto para una potencia dada.
Principios de Funcionamiento:
El funcionamiento del núcleo se basa en el principio de la inductancia mutua. Cuando una corriente alterna fluye a través de la bobina primaria, crea un flujo magnético variable en el núcleo. Debido a que el núcleo es un material de alta permeabilidad magnética, este flujo se concentra y se guía hacia la bobina secundaria. Según la ley de Faraday de la inducción electromagnética, este flujo magnético variable que atraviesa la bobina secundaria induce en ella una fuerza electromotriz (FEM), es decir, un voltaje. La relación entre el voltaje de entrada y el de salida depende directamente de la relación de vueltas de las bobinas, un principio conocido como la ecuación del transformador.
Devanado
primario de un transformador:
El devanado primario de un
transformador es la bobina de hilo conductor (generalmente de cobre o aluminio)
que recibe la energía de la fuente de alimentación de corriente
alterna. Su función principal es crear un campo magnético
variable dentro del núcleo del transformador.
Funcionamiento y Características:
- Creación del campo magnético:
Cuando la corriente alterna fluye a través del devanado primario, genera
un campo magnético cambiante alrededor de las espiras, un
proceso basado en el principio del electromagnetismo.
- Inducción electromagnética: Este
campo magnético variable se conduce a través del núcleo ferromagnético
hacia el devanado secundario. El cambio en el flujo magnético que
atraviesa el devanado secundario induce en él una tensión, lo que permite
la transferencia de energía.
- Relación de espiras: La
tensión en el devanado primario (Vp) está directamente relacionada con el
número de espiras (Np) de esta bobina. La relación entre las espiras del
primario y las del secundario (Np/Ns) determina si el transformador es elevador (aumenta el voltaje) o reductor (lo disminuye).
- Aislamiento: Los devanados primario y secundario están aislados eléctricamente entre sí. Esta es una característica clave de los transformadores, ya que permite la transferencia de energía sin una conexión física directa, lo que proporciona aislamiento y seguridad
Devanado
secundario de un transformador:
El devanado secundario de
un transformador es la bobina de salida que suministra la energía eléctrica
transformada a la carga, como un electrodoméstico o un equipo
industrial. Su función principal es recibir el flujo magnético variable del
núcleo y generar una nueva tensión a través de la inducción electromagnética.
Funcionamiento
y Características:
- Recepción del flujo magnético: El
devanado secundario está enrollado en el mismo núcleo que el primario. El
flujo magnético alterno creado por el primario induce una fuerza
electromotriz (voltaje) en las espiras del secundario.
- Voltaje de salida: El
voltaje de salida (Vs) depende de la relación de espiras (Np/Ns) entre
el devanado primario (Np) y el secundario (Ns), de acuerdo con la
fórmula Vs=Vp⋅(Ns/Np).
- Transformador elevador: Si
el número de espiras del secundario es mayor que el del primario
(Ns>Np), el voltaje de salida será mayor que el de entrada.
- Transformador reductor: Si
el número de espiras del secundario es menor que el del primario
(Ns<Np), el voltaje de salida será menor que el de entrada.
- Aislamiento: Los
devanados primario y secundario están aislados eléctricamente entre sí
para evitar cortocircuitos y garantizar la seguridad. Los cables de cada
devanado también están aislados entre sí.
Este video de YouTube puede ayudarte a
entender cómo se identifican los devanados primario y secundario en un
transformador:
Cómo
identificar el devanado primario y secundario:
Identificar cuál es el devanado primario y
cuál el secundario puede ser crucial, especialmente si el transformador no
tiene etiquetas claras. Aquí te presento algunas formas:
1.
Por la resistencia de los
devanados (con multímetro):
o
Utiliza un multímetro en la función de
óhmetro para medir la resistencia de cada bobina.
o
Generalmente, el devanado con mayor
resistencia óhmica suele ser el primario (especialmente en
transformadores reductores donde el primario maneja tensiones más altas y, por
lo tanto, puede tener más espiras de alambre más fino para limitar la
corriente). Por el contrario, el devanado con menor resistencia suele
ser el secundario, que suele tener menos espiras de alambre más grueso
para soportar corrientes más elevadas.
o
Importante: Esta no es una regla absoluta para todos los tipos de transformadores
o configuraciones, pero es una buena indicación inicial.
2.
Por el calibre del alambre:
o
Aunque no siempre es visible sin desarmar el
transformador, en muchos casos el devanado primario (especialmente si es
de alta tensión) tendrá alambre más delgado y un mayor número de
espiras.
o
El devanado secundario (especialmente
si es de baja tensión y alta corriente) tendrá alambre más grueso y
menos espiras.
3.
Por la tensión (método
seguro con baja tensión):
o
Si no tienes la hoja de datos, puedes aplicar
una tensión CA muy baja y segura (por ejemplo, 12V o 24V de otro
transformador pequeño o fuente de CA) a uno de los devanados y medir la tensión
inducida en el otro con un multímetro en modo CA.
o
El devanado al que le aplicas la tensión de
prueba se convierte temporalmente en el primario. El otro será el secundario.
Si la tensión medida en el segundo devanado es más alta, el transformador es
elevador para esa configuración. Si es más baja, es reductor.
o
Luego, puedes invertir las conexiones: aplica
la baja tensión al devanado que antes era el secundario y mide en el que antes
era el primario. El lado que te dé la tensión más alta cuando aplicas una
entrada de tensión estándar (por ejemplo, 120V o 220V según tu región) será el
devanado primario diseñado para esa tensión.
1.
Por el número de terminales
o configuración física:
o
A veces, los transformadores tienen más
terminales en el lado primario (para diferentes rangos de voltaje de entrada) o
en el secundario (para diferentes voltajes de salida o tomas centrales).
Observar la cantidad de cables y su disposición puede dar pistas.
o
Algunos transformadores tienen cables marcados
con "H" para el primario (alta tensión) y "X" para el
secundario (baja tensión).
Este video de YouTube te ofrece una
demostración práctica sobre cómo identificar los devanados primario y
secundario en un transformador:
Transformadores elevadores/reductores de tensión, características técnicas:
Un transformador es un dispositivo que
modifica los niveles de voltaje y corriente en un circuito de corriente alterna
sin cambiar su frecuencia. Los transformadores elevadores y reductores se
diferencian por el efecto que tienen en la tensión de salida, lo cual está
directamente relacionado con su diseño y sus características técnicas
Transformadores Elevadores (Step-up):
Un transformador elevador aumenta el voltaje
de entrada. Son esenciales en las redes de transmisión de energía eléctrica.
- Principio de funcionamiento: El
devanado secundario (Ns) tiene un mayor número de espiras que el devanado
primario (Np) (Ns>Np).
- Función: Aumentar la tensión de la energía
generada en las centrales eléctricas. Al elevar la tensión, se reduce la
corriente (Is<Ip) para una potencia dada (P=V⋅I).
- Aplicaciones: Se
usan en subestaciones eléctricas para la transmisión de larga distancia,
ya que la reducción de corriente minimiza las pérdidas de energía por
calentamiento (Peˊrdidas=I2⋅R).
Transformadores Reductores (Step-down):
Un transformador reductor disminuye el voltaje
de entrada. Son omnipresentes en la mayoría de los equipos eléctricos.
- Principio de funcionamiento: El
devanado secundario (Ns) tiene un menor número de espiras que el devanado
primario (Np) (Ns<Np).
- Función: Reducir la alta tensión de la red de
distribución a un nivel seguro y utilizable para el consumo doméstico e
industrial (Vs<Vp). Al reducir la tensión, se aumenta la corriente
(Is>Ip).
- Aplicaciones: Se
encuentran en cargadores de dispositivos, fuentes de alimentación,
electrodomésticos, y en las subestaciones de distribución locales que
alimentan ciudades y hogares.
Características Técnicas Comunes a Ambos:
Más allá de su función principal, los
transformadores comparten una serie de características técnicas clave que
definen su rendimiento y uso.
- Potencia Nominal (kVA): Es
la capacidad de potencia aparente que puede manejar el transformador de
manera continua sin sobrepasar sus límites de temperatura.
- Tensión Nominal: La
tensión de entrada (primario) y de salida (secundario) para la cual el
transformador ha sido diseñado.
- Regulación de Tensión:
Capacidad para mantener una tensión de salida estable bajo diferentes
cargas. Los transformadores pueden tener sistemas de regulación bajo carga
(RBC) o fuera de tensión (RFT).
- Pérdidas:
- Pérdidas en el núcleo (o en el hierro): Se producen debido a la histéresis y las corrientes de Foucault.
Se minimizan utilizando un núcleo de láminas delgadas de acero al silicio
con alta resistividad.
- Pérdidas en los devanados (o en el cobre): Se producen por el efecto Joule (I2⋅R) debido a la resistencia de los conductores. Se minimizan con
cables de cobre o aluminio de alta conductividad y sección adecuada.
- Refrigeración: Los
transformadores generan calor que debe ser disipado para evitar daños. Los
métodos comunes incluyen la refrigeración por aire (AN, ONAF) o por aceite
(ONAN, OFAF).
- Aislamiento: Se
utilizan materiales aislantes como papel, barniz o resina para separar las
espiras de los devanados entre sí y del núcleo, garantizando la seguridad
y el correcto funcionamiento.
- Conexiones:
Pueden ser monofásicos o trifásicos, con diferentes tipos de conexiones
(por ejemplo, en estrella o en delta) para sistemas de potencia.
- Normas: Su fabricación y pruebas se rigen por
estándares internacionales como IEC 60076 e IEEE C57.
Transformadores de
aislamiento, características
técnicas:
Un transformador de aislamiento es un tipo
especial de transformador diseñado para separar eléctricamente un circuito de
su fuente de alimentación. A diferencia de los transformadores reductores o
elevadores, su principal objetivo no es cambiar el voltaje, sino proporcionar
aislamiento galvánico, lo que significa que no hay conexión eléctrica directa
entre los devanados primario y secundario. Esto lo hace crucial para la
seguridad y la protección de equipos sensibles.
Características
Técnicas:
- Relación de transformación (1:1): La
característica más distintiva. En la mayoría de los casos, la tensión de
salida es la misma que la de entrada (Vs≈Vp), ya que la relación de
espiras es casi siempre 1:1 (Ns=Np). Esto significa que no modifica la
tensión, sino que simplemente la aísla.
- Aislamiento galvánico: El
propósito principal del dispositivo. Al no haber un camino conductor
directo entre la entrada y la salida, se protege a las personas del riesgo
de descargas eléctricas y a los equipos de posibles fallos de tierra o
bucles de corriente.
- Reducción de ruido eléctrico: El
transformador de aislamiento actúa como un filtro. . Su construcción ayuda
a atenuar el ruido de alta frecuencia y las interferencias (armónicos) que
pueden provenir de la red eléctrica, mejorando la calidad de la energía
que llega a la carga.
- Capacidad de aislamiento de alto voltaje: Están construidos con materiales de aislamiento reforzado entre
el primario y el secundario para soportar voltajes muy altos sin fallar.
Esto se especifica con una alta resistencia dieléctrica.
- Aplicaciones: Se utilizan en entornos donde la seguridad es crítica, como equipos médicos (quirófanos, equipos de resonancia magnética), laboratorios, centros de datos y en cualquier lugar donde sea necesario proteger dispositivos electrónicos sensibles de picos de tensión o interferencias.
Para entender de manera visual qué es y para
qué sirve un transformador de aislamiento, este video te puede ser útil:
Transformadores de medida de corriente TC y de
potencia TP:
Los transformadores de medida, también
conocidos como transformadores de instrumentación, son dispositivos esenciales
para la medición de parámetros eléctricos en sistemas de alta potencia. Su
función principal es reducir la corriente y/o el voltaje a valores seguros y
proporcionales que pueden ser medidos por instrumentos estándar, como
amperímetros, voltímetros, vatímetros y relés. Existen dos tipos principales:
los transformadores de corriente (TC) y los transformadores de potencial (TP).
Transformadores
de Corriente (TC):
Un transformador de corriente (TC) es un
transformador reductor de corriente que se utiliza para medir corrientes muy
altas. Su devanado primario está conectado en serie con el conductor por donde
fluye la corriente que se quiere medir, mientras que su devanado secundario se
conecta a un amperímetro u otro instrumento de medición.
- Principio de funcionamiento: El TC se basa en el principio de que la corriente en el secundario es directamente proporcional a la corriente en el primario. El devanado primario tiene muy pocas espiras (a veces incluso una sola, que es el propio conductor principal), mientras que el secundario tiene un gran número de espiras. Esto permite reducir la corriente de salida a un valor estándar y seguro, como 5 A o 1 A.
- Características técnicas:
- Relación de transformación (n): Se
define como la relación entre la corriente nominal del primario y la del
secundario (n=Ip/Is). Por ejemplo, un TC de 100/5 A tiene una relación
de 20:1.
- Clase de precisión:
Indica el error máximo permitido en la medición, expresado en porcentaje
(p. ej., Clase 0.2, 0.5, 1.0).
- Carga nominal (Burden): La
impedancia total (en VA o ohmios) del circuito secundario, incluyendo el
cableado y el instrumento de medición, que el TC puede soportar sin
perder precisión.
- Aplicaciones:
Medición de corriente en subestaciones, control de motores de alta
potencia y sistemas de protección eléctrica.
Transformadores
de Potencial (TP):
Un transformador de potencial (TP), también
llamado transformador de tensión, es un transformador reductor de tensión que
se utiliza para medir voltajes altos. Su devanado primario se conecta en
paralelo con el circuito que se va a medir, y el secundario a un voltímetro o a
un relé de protección.
- Principio de funcionamiento: El TP reduce el alto voltaje del
circuito a un nivel estándar y seguro para los instrumentos de medida. El
devanado primario tiene un gran número de espiras de alambre delgado,
mientras que el secundario tiene un número mucho menor de espiras de
alambre más grueso.
- Características técnicas:
- Relación de transformación (n): Se
define como la relación entre el voltaje nominal del primario y el del
secundario (n=Vp/Vs). El voltaje de salida suele ser de 110 V o 100 V.
- Clase de precisión:
Similar a los TC, indica la exactitud de la medición.
- Carga nominal (Burden): La
potencia aparente (en VA) que puede entregar el TP a los instrumentos
conectados a su secundario sin que su precisión se vea afectada.
- Aplicaciones:
Medición de voltaje, facturación de energía y protección de sistemas de
alta tensión en subestaciones.
 |
Diferencias
Claves:
|
Característica |
Transformador de Corriente (TC) |
Transformador de Potencial (TP) |
||||
|
Conexión |
En serie con la carga. |
En paralelo con la carga. |
||||
|
Relación de Espiras |
Reductor de corriente (Ns>Np). |
Reductor de (Ns<Np) voltaje. |
|
|
|
|
|
Magnitud Medida |
Corriente (A) |
Voltaje (V) |
||||
|
Diseño |
El primario tiene pocas espiras. |
El primario tiene muchas espiras. |
||||
|
Circuito Secundario |
Se opera con un cortocircuito (impedancia muy baja). |
Se opera en circuito abierto (impedancia muy alta). |
Transformadores monofásicos características técnicas:
Un transformador monofásico es un dispositivo
eléctrico que funciona con una sola fase de corriente alterna para transferir
energía de un circuito a otro mediante inducción electromagnética. Son
comúnmente utilizados en aplicaciones de baja potencia en hogares, comercios y
pequeñas industrias.
Características Técnicas Claves:
- Tensión nominal: Es
la tensión de diseño del devanado primario y secundario. Los valores
comunes de entrada son 220V, 380V o 440V, mientras que las tensiones de
salida pueden ser 110V o 220V, entre otras.
- Potencia nominal (VA/KVA): Es
la capacidad de potencia aparente que el transformador puede manejar
continuamente sin sobrecalentarse. Los transformadores monofásicos suelen
tener potencias que van desde unos pocos VA hasta 50 KVA o más.
- Relación de transformación: La
relación entre el número de espiras del devanado primario (Np) y el
secundario (Ns) determina si el transformador es reductor (Ns<Np) o
elevador (Ns>Np).
- Frecuencia: La
frecuencia de operación nominal, que es de 50 o 60 Hz, dependiendo del
estándar de la red eléctrica.
- Pérdidas: Los transformadores tienen pérdidas de
energía, principalmente:
- Pérdidas en el hierro:
Debidas a la histéresis y las corrientes parásitas en el núcleo
magnético.
- Pérdidas en el cobre: Por
el calentamiento de los devanados debido a la resistencia eléctrica del
alambre (I2⋅R).
- Aislamiento:
Tienen un nivel de aislamiento dieléctrico para soportar la tensión sin
que haya una falla. El aislamiento se puede lograr con aire, aceite o
resina, y el nivel de aislamiento típico es de 2.5 kV en algunos modelos.
- Eficiencia: Un
transformador monofásico tiene una alta eficiencia energética, ya que no
tiene partes móviles y las pérdidas se minimizan con un diseño adecuado
del núcleo y los devanados.
- Condiciones ambientales:
Están diseñados para operar bajo condiciones específicas de temperatura,
humedad y altitud. Algunos modelos pueden operar hasta 4,800 metros sobre
el nivel del mar.
Para una visión detallada de los tipos y
funciones de los transformadores monofásicos, puedes ver este video:
Transformadores trifásicos características técnicas:
Un transformador trifásico es un dispositivo pasivo que utiliza tres fases de corriente alterna para transferir energía de un circuito a otro. En lugar de un solo par de devanados (primario y secundario), cuenta con tres pares de devanados y un núcleo magnético diseñado para trabajar con tres fases desfasadas 120°. Son esenciales en la generación, transmisión y distribución de energía a gran escala.
Características Técnicas:
- Tensión nominal: Es la tensión de
diseño del transformador, tanto en el primario (alta tensión) como en el
secundario (baja tensión). Las tensiones nominales típicas en el primario
son de 11.400 V o 13.200 V, mientras que las del secundario pueden ser
480/277 V o 208/120 V.
- Potencia nominal (KVA): Es
la potencia aparente máxima que el transformador puede suministrar de
forma continua sin sobrecalentarse. Los transformadores trifásicos de
distribución suelen tener potencias desde unos pocos KVA hasta más de
10.000 KVA.
- Grupo de conexión: Se
refiere a cómo están conectados los devanados del primario y secundario.
Las configuraciones más comunes son estrella (Y) y triángulo (Δ). El grupo de conexión afecta la relación
de fase entre la tensión de entrada y la de salida. Por ejemplo, una
conexión Dyn5 (Delta-Estrella con neutro) se usa comúnmente en
la distribución, donde el neutro en el secundario es vital para cargas
desequilibradas y la seguridad.
Pérdidas:
Pérdidas en el núcleo: Ocurren debido a la histéresis y las corrientes
de Foucault en el núcleo laminado de acero al silicio.
Pérdidas en los devanados: Se deben a la resistencia de los conductores de
cobre o aluminio.
Refrigeración: Los transformadores generan calor que debe ser disipado para evitar
daños. Los transformadores trifásicos de mayor potencia a menudo utilizan aceite dieléctrico (mineral o vegetal) para refrigerar y
aislar los devanados. También existen transformadores de tipo seco que usan
aire o resina.
Tensión de cortocircuito: Es un parámetro clave que indica la capacidad del transformador para soportar las fuerzas electromagnéticas generadas durante un cortocircuito.
Detalles Constructivos y Accesorios:
- Núcleo: Está fabricado con láminas de acero al
silicio apiladas y aisladas para reducir las pérdidas. Los núcleos
trifásicos pueden ser de tres columnas o acorazados.
- Devanados: Compuestos por tres
bobinas en el primario y tres en el secundario,
hechas de cobre o aluminio de alta conductividad.
- Aisladores y Conmutadores: Los
aisladores pasantes se utilizan para las conexiones de alta tensión. Un conmutador de derivaciones permite regular la tensión
de salida para adaptarse a las variaciones de la red.
- Accesorios: Los transformadores más grandes incluyen accesorios como tanques conservadores, válvulas de drenaje, termómetros y sistemas de alivio de presión para garantizar un funcionamiento seguro y prolongar su vida útil.
Para una explicación detallada de las conexiones y
el funcionamiento de los transformadores trifásicos, puedes ver este video:
Transformadores secos características técnicas:
Los transformadores secos son un tipo de transformador eléctrico que utiliza aire o un compuesto de resina sintética sólida como medio aislante y de enfriamiento, a diferencia de los transformadores convencionales que usan aceite. Esto elimina el riesgo de fugas de aceite y reduce significativamente el peligro de incendio, lo que los hace ideales para ser instalados en interiores, cerca de la carga.
Características Técnicas Claves:
- Medio Aislante: No utilizan líquidos
inflamables, lo que mejora la seguridad contra incendios.
El aislamiento puede ser de tipo:
- Resina moldeada (CRT): Los
devanados están encapsulados en una resina epoxi al vacío, ofreciendo una
alta resistencia mecánica y protección contra la humedad, el polvo y los
agentes contaminantes.
- Impregnación al vacío a presión (VPI): Los devanados se sumergen en resina de poliéster y se someten a
un proceso de curado. Proporcionan una buena protección ambiental.
- Refrigeración: La refrigeración se
realiza por convección natural del aire (AN), y para potencias
mayores se puede usar ventilación forzada (AF).
- Potencia nominal:
Suelen tener potencias nominales que van desde unos pocos KVA hasta 10.000
KVA, pero su uso es más común en rangos de potencia pequeños a medianos.
- Voltaje nominal: Están diseñados para
una variedad de niveles de voltaje, desde baja tensión hasta media tensión
(hasta 36 KV), y su rendimiento es comparable al de los transformadores en
aceite.
- Pérdidas: Al igual que otros transformadores,
tienen pérdidas en el núcleo y pérdidas en el cobre.
Las pérdidas en vacío son muy bajas debido a la alta calidad del acero del
núcleo.
- Clase de temperatura de aislamiento: Se clasifican según la capacidad de los materiales aislantes para
soportar la temperatura. La clase F (155°C) y
la clase H (180°C) son las más comunes, lo que les
permite operar a temperaturas más altas que los transformadores en aceite.
- Eficiencia: Tienen una alta eficiencia (típicamente superior al 98%), lo que
los hace ideales para aplicaciones donde se busca el ahorro de energía.
- Mantenimiento: Suelen requerir poco mantenimiento en comparación con los transformadores en aceite, ya que no necesitan pruebas de aceite ni reemplazo de piezas de sellado.
Ventajas y Desventajas Comparativas:
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Ventaja |
Desventaja |
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Seguridad: No son inflamables ni explosivos, ideales para espacios interiores. |
Costo: Suelen ser más costosos que los transformadores en aceite de
potencia similar. |
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Bajo mantenimiento: No requieren inspecciones de aceite. |
Tamaño y peso: Pueden ser más grandes y pesados para potencias similares debido a
su sistema de enfriamiento. |
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Resistencia ambiental: Inmunes a la humedad y contaminantes si son de
resina encapsulada. |
Sensibilidad a sobrecargas: Son menos tolerantes a las sobrecargas, ya que
el aceite puede absorber mejor el calor. |
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Instalación: Pueden ser instalados cerca de la carga, reduciendo las pérdidas en
el cableado. |
Ruido: Pueden generar más ruido que los transformadores sumergidos en
aceite. |
Transformadores en aceite características técnicas:
Los transformadores en aceite son el tipo más común de transformador de potencia y distribución, especialmente para aplicaciones de media y alta tensión. Utilizan aceite mineral dieléctrico como medio principal para el aislamiento y la refrigeración. El núcleo y los devanados se sumergen completamente en este aceite dentro de un tanque metálico.
Características Técnicas Claves:
- Medio de refrigeración y aislamiento: El aceite dieléctrico tiene dos funciones críticas:
1.
Enfriamiento: Absorbe el calor generado por las pérdidas en el
núcleo y los devanados, disipándolo a través de las aletas del tanque. La
refrigeración puede ser por circulación natural de aire
(ONAN) o por ventilación forzada (OFAF) para potencias mayores.
2.
Aislamiento: El aceite tiene una alta rigidez dieléctrica, lo
que aísla las bobinas entre sí y de la carcasa, previniendo cortocircuitos.
- Potencia nominal (KVA/MVA):
Suelen tener una amplia gama de potencias, desde unos pocos KVA en
transformadores de distribución hasta cientos de MVA en transformadores de
subestaciones.
- Nivel de aislamiento: El
nivel de aislamiento se mide por la tensión que pueden soportar sin que el
aislamiento falle. Se determina por la rigidez dieléctrica del aceite y el
diseño de los aislamientos sólidos.
- Pérdidas:
- Pérdidas en el núcleo: Se
deben a la histéresis y a las corrientes parásitas. Son casi constantes.
- Pérdidas en el cobre: Por
el calentamiento de los devanados. Dependen de la carga.
- Regulación de tensión: Muchos transformadores en aceite de potencia tienen un cambiador de tomas para ajustar la tensión de salida. Este puede ser de tipo fuera de tensión (off-load), que requiere desconectar el transformador para cambiar la toma, o bajo carga (on-load), que permite el cambio de forma segura mientras está en funcionamiento.
Detalles Constructivos:
- Tanque de acero: Es la carcasa
principal que contiene el núcleo, los devanados y el aceite. Está equipado
con aletas o radiadores para aumentar la superficie de disipación de
calor.
- Tanque conservador (o de expansión): Un tanque secundario en la parte superior del transformador que
permite la expansión y contracción del aceite debido a los cambios de
temperatura, manteniendo el tanque principal completamente lleno.
- Relé Buchholz: Un dispositivo de
seguridad que detecta fallos internos, como arcos eléctricos o
sobrecalentamiento, por la acumulación de gas o el flujo repentino de
aceite.
- Secador de aire (Silica Gel): Un respirador que contiene un desecante para eliminar la humedad del aire que entra en el conservador, ya que la humedad puede degradar las propiedades dieléctricas del aceite
Ventajas y Desventajas Comparativas:
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Ventaja |
Desventaja |
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Refrigeración eficiente: El aceite es un excelente refrigerante, lo que
permite diseños más compactos para una misma potencia. |
Riesgo de incendio: El aceite mineral es inflamable. |
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Vida útil prolongada: Con un mantenimiento adecuado, pueden durar
décadas. |
Impacto ambiental: Las fugas de aceite pueden contaminar el suelo
y el agua. |
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Menor costo: Generalmente son más económicos que los transformadores secos de
alta potencia. |
Mantenimiento: Requieren un mantenimiento regular, como el análisis y reemplazo del
aceite. |
