¿Cómo funcionan los Transformadores Eléctricos?

Si durante la primera mitad del siglo XIX no se hubiera descubierto el fenómeno de la inductancia ni se hubieran inventado las primeras bobinas de inducción, probablemente no existiría el transformador eléctrico tal como lo conocemos ni, por ende, el tan vital manejo sencillo de la corriente alterna que es posible gracias al transformador. En la actualidad, los transformadores eléctricos son esenciales para la transmisión, distribución y utilización de la energía eléctrica.

Desde su primer uso comercial en 1886, hoy encontramos transformadores eléctricos en todas partes, incluso en el hogar. Su tamaño puede ser considerable, como los transformadores de las redes de servicio público eléctrico, o muy pequeño, como los transformadores contenidos en el enchufe que conectamos a la pared para recargar nuestro teléfono celular, o los que forman parte de componentes electrónicos miniaturizados.

Fundamento

El transformador eléctrico tiene el propósito básico de transferir energía eléctrica de un circuito a otro mediante conductores acoplados inductivamente, convirtiendo esa energía eléctrica, que tiene un voltaje o una corriente determinados, en energía eléctrica con otro voltaje o corriente. Estos mecanismos se basan en dos principios esenciales: el electromagnetismo y la inducción electromagnética.

En otras palabras, es importante que las corrientes eléctricas puedan producir campos magnéticos y que esos campos magnéticos puedan cambiar en una bobina de alambre e inducir un voltaje (o tensión) en los extremos de esa bobina.

Estos principios restringen las aplicaciones del transformador a la corriente alterna solamente, pero allí es precisamente donde radica su ventaja, ya que la corriente continua no puede transformarse de manera sencilla o económica, lo que explica el amplio uso de la corriente alterna, que sí puede transformarse fácilmente.

La simplicidad, fiabilidad y economía de la conversión de voltajes de los transformadores fue el principal factor para seleccionar la transmisión de la energía por corriente alterna en la «Guerra de las corrientes» a fines del siglo XIX. En los circuitos electrónicos, los nuevos métodos de diseño de circuito han reemplazado algunas de las aplicaciones de los transformadores, pero la tecnología electrónica también ha desarrollado nuevos diseños de transformadores y aplicaciones.

Funcionamiento y partes de un transformador eléctrico

El principio básico de funcionamiento de un transformador es que una corriente variable en el devanado primario crea un flujo magnético variable en el núcleo del transformador y, por lo tanto, un flujo magnético variable en el devanado secundario. Este flujo magnético variable induce una fuerza electromotriz variable (f.e.m.) o voltaje en el devanado secundario.

En consecuencia, un transformador simple se compone esencialmente de tres partes, como vemos en la figura.

Transformador eléctrico simple

Devanado primario:

El devanado primario (o bobina primaria) está conectado a la fuente de energía y transporta la corriente alterna desde la línea de suministro. Puede ser un devanado de bajo o alto voltaje, dependiendo de la aplicación del transformador.

Núcleo de material magnético:

Es el circuito magnético en el que se enrollan los devanados y donde se produce el flujo magnético alterno. Hasta no hace mucho, todos los núcleos de los transformadores se componían de apilamientos de chapa de acero (o laminaciones) sujetadas firmemente entre sí. A veces,  las laminaciones se recubrían con un barniz delgado -o se insertaba una hoja de papel aislante a intervalos regulares entre laminaciones- para reducir las pérdidas por corrientes parásitas.

Un nuevo tipo de construcción del núcleo consiste en una tira continua de acero al silicio que se enrolla apretadamente en una espiral alrededor de los devanados aislados y se sujeta firmemente mediante soldadura por puntos en el extremo. Este tipo de construcción reduce el costo de fabricación y la pérdida de potencia en el núcleo debido a las corrientes de Foucault.

Devanado secundario:

El devanado secundario (o bobina secundaria) es el que suministra energía a la carga y es donde se genera la fuerza electromotriz (f.e.m.) por el cambio de magnetismo en el núcleo al cual rodea. Puede ser un devanado de bajo o alto voltaje, dependiendo de la aplicación del transformador.

A veces, el transformador puede tener sólo un devanado que servirá el doble propósito de bobina primaria y secundaria.

Generalidades

Si bien la estructura básica de los transformadores eléctricos es esencialmente la misma en todos los ámbitos, las especificaciones exactas son muy variadas. Los núcleos de los transformadores vienen en una variedad de formas y materiales (sólidos, de aire, de acero, toroidales, etc.) y pueden variar considerablemente de tamaño. El tamaño del transformador afecta en gran medida el grado de eficiencia. La energía se disipa en los núcleos, devanados y las estructuras circundantes, lo que hace que la eficiencia de un transformador nunca sea del 100%. En general, cuanto mayor es el transformador, mayor será su eficiencia. En el proceso de transferencia de energía, los transformadores pequeños tienden a perder más potencia que los más grandes.

Todos los transformadores deben incluir la circulación de un refrigerante para eliminar el calor residual producido por las pérdidas. Los pequeños transformadores de hasta unos pocos kilovatios de tamaño por lo general se enfrían adecuadamente por la circulación del aire. Los transformadores más grandes de tipo «seco» pueden tener ventiladores de enfriamiento. Algunos transformadores secos están confinados en tanques presurizados y son enfriados por nitrógeno u otros gases.

El material conductor del transformador se debe proteger para garantizar que la corriente se transporte alrededor del núcleo y no a través de un cortocircuito entre las vueltas del devanado. En los transformadores de potencia, la diferencia de voltaje entre partes del devanado primario y secundario puede ser bastante grande, por lo tanto entre las capas de los devanados se inserta un aislamiento para evitar la formación de arco y el transformador también se puede ser sumergir en aceite para proporcionar un aislamiento adicional.

Clasificación de los transformadores eléctricos

Existe una diversidad de maneras de clasificar los transformadores eléctricos. Una de esas clasificaciones es según la relación entre el número de vueltas en los devanados. Estos pueden ser:

• Devanado compuesto de muchas vueltas de alambre de cobre relativamente fino, lo suficientemente aisladas para soportar el voltaje aplicado en el mismo. En este caso decimos que se trata de un devanado de alto voltaje.

• Devanado compuesto de relativamente pocas vueltas de alambre de cobre pesado, capaz de transportar una corriente considerable a un voltaje bajo. En este caso decimos que se trata de un devanado de bajo voltaje.

Desde este punto de vista existen cuatro combinaciones posibles que dan origen a distintos tipos de transformadores, es decir:

Transformadores reductores: están conectados de manera que el voltaje entregado es menor que el suministrado, ya que el devanado secundario tiene menos vueltas que el primario, como vemos en la figura de abajo.

Transformador reductor

Transformadores elevadores: están conectados de manera que el voltaje entregado es mayor que el voltaje suministrado, ya que el devanado secundario tiene más vueltas que el primario.

Transformador elevador

Transformadores aislantes: los dos devanados tienen aproximadamente el mismo número de vueltas, aunque a menudo hay una ligera diferencia a fin de compensar las pérdidas; de lo contrario, en lugar de ser el mismo, el voltaje de salida sería un poco menor que el voltaje de entrada. Están destinados a transformar de un voltaje al mismo voltaje.

Transformadores variables: el devanado primario y secundario tienen un número ajustable de vueltas que se pueden seleccionar sin reconectar el transformador.

Otras formas de clasificación de transformadores eléctricos se resumen en la siguiente tabla.