1.1. Introducción.

Durante el transporte de la energía eléctrica se originan pérdidas que dependen de su intensidad. Para reducir estas pérdidas se utilizan tensiones elevadas, con las que, para la misma potencia, resultan menores intensidades. Por otra parte es necesario que en el lugar donde se aplica la energía eléctrica, la distribución se efectúe a tensiones más bajas y además se adapten las tensiones de distribución a los diversos casos de aplicación.

La ventaja que tiene la corriente alterna frente a la continua radica en que la corriente alterna se puede transformar con facilidad.  La utilización de corriente continua queda limitada a ciertas aplicaciones, por ejemplo, para la regulación de motores.

1.2.- Constitución y clasificación

El transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de un cierto nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Esta constituido por dos o más bobinas de hilo conductor, aisladas entre si eléctricamente por lo general y arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. El arrollamiento que recibe la energía eléctrica se denomina arrollamiento primario, con independencia si se trata del mayor (alta tensión) o menor tensión (baja tensión). El arrollamiento del que se toma la energía eléctrica a la tensión transformada se denomina arrollamiento secundario. En concordancia con ello, los lados del transformador se denominan lado primario y lado secundario.

NÚCLEO

el núcleo tiene dos misiones fundamentales:

1. Desde el punto de vista eléctrico –y esta es su misión principal- es la vía por que discurre el flujo magnético.
2. Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los

Existen dos tipos de núcleos fundamentales de estructura del transformador: son el núcleo de columnas y el núcleo acorazado, los cuales se detallan a continuación.

Núcleo de columnas

Este núcleo no es macizo, sino que esta formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente entre sí. Para colocarlas y poder ubicar el bobinado terminado alrededor del núcleo, se construyen cortadas, colocando alternadamente una sección U con una sección I. La capa siguiente superior cambia la posición I con respecto a la U.

El aislamiento entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor.

Núcleo acorazado:

este tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la dispersión,. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan.

El hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro.

Características de las chapas.

de acero al silicio en proporciones de 2 a 4% de este último. Los espesores de estas láminas varían entre 0,3 y 0,5 mm para frecuencias de 50 ciclos.

Entre chapas debe haber aislamiento eléctrico lo que se consigue de diferentes formas: con una capa de barniz aplicado a una de sus caras, con una hoja de papel muy delgada encalado sobre una cara de la chapa, o para un material más económico, produciendo una oxidación superficial con vapor de agua.

Según el tipo de aislamiento se tienen diferentes efectos sobre el costo de la chapa y sobre la reducción de la sección neta del hierro. Para chapas de 0,35 a0,5 mm de espesor, puede estimarse que la reducción de sección neta con aislamiento de barniz o papel es de un 10%.

En los transformadores pequeños se colocan las chapas una a una, alternando las juntas, para dar más solidez al conjunto y evitar piezas de unión entre partes del núcleo. En los grandes, las dos cabezas quedan separadas, y deben sujetarse con pernos roscados.

En los transformadores de gran potencia suele ser necesario formar conductos de refrigeración en la masa del núcleo.

Factor de apilamiento del hierro

Este factor se utiliza cuando la estructura magnética esta constituida por chapas delgadas recortadas en forma adecuada y apretadas entre sí, el volumen de cada una de ellas no es igual al volumen del hierro que realmente conduce el flujo, ya que entre las láminas existen regiones de permeabilidad igual a la del aire, debido a la presencia de irregularidades o grietas en la superficie de las chapas, debido a la delgada capa de barniz aislante aplicado deliberadamente para evitar el contacto entre chapas y reducir las pérdidas por corrientes de Facault, o debido a rebabas en los cantos de las chapas, originadas al troquelarla

El factor de apilamiento se halla comprendido entre 0,95 – 0,9 para espesores de láminas comprendidos 0,63 – 0,35 mm. Para láminas más delgadas, de entre 0,025 – 0,12 mm de espesor, debido a la mayor dificultad existente de sujetar láminas y reducir las rebabas ya que la capa aislante es proporcionalmente más gruesa, el factor de apilamiento se halla comprendido entre 0,4 y 0,75, pudiendo mejorarse mediante procedimiento de fabricación especiales.

DEVANADOS

Hay dos formas típicas de bobinados para transformadores los cilíndricos y planos. Los núcleos, con su forma, son los que determinan la elección de uno u otro tipo, salvo que se requieran propiedades especiales, como ser baja capacidad distribuida, para uso en telecomunicaciones u otros.

1. Bobinado cilíndrico: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo núcleo de columnas.
2. Bobinado plano: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo acorazado.

Los dos bobinados; generalmente se colocan en dos partes o más envueltas uno encima del otro, con el bobinado de baja tensión en la parte interna. Dicha conformación sirve para los siguientes propósitos.

1. Simplifica el problema de aislar el bobinado de alto voltaje del núcleo.
2. Causa mucha menos dispersión de flujo, como seria el caso si los dos bobinados estuvieran separados alguna distancia del núcleo.
3. Mejora la refrigeración.

Los materiales aislantes para el bobinado, o para colocar entre capas, son: papel barnizado, fibra, mica, cinta impregnada, algodón impregnado, etc., para transformadores con bobinados al aire, y para los sumergidos en baños de aceite, se utilizan los mismos materiales sin impregnarse; debe evitarse el uso del caucho en los transformadores en baño de aceite, pues este lo ataca, y tiene efectos nocivos también sobre la mica y aun sobre los barnices.

Las piezas separadoras entre bobinados, secciones, o entre estas y el núcleo pueden ser de madera, previamente cocida en aceite, aunque actualmente se prefieren los materiales duros a base de papel o similares. Si se usa madera, no debe interpretarse como que se dispone de aislamiento, sino solamente de un separador.

En cuanto a los conductores para hacer bobinas, su tipo depende de la sección, pues hasta 6 mm² pueden usarse hilos y más arriba de ese límite se usan cables de muchos hilos, o bien cintas planas(pletinas), para facilitar el bobinado.

Clasificación

1.3. El transformador ideal.

Un transformador ideal es una máquina sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida.

El transformador tiene N₁ espiras  sobre su lado primario y N₂ de espiras en su lado secundario. La relación entre la tensión U₁  aplicada al lado primario del transformador y la tensión U₂ inducido sobre su lado secundario es U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = m

¿cuál sería la polaridad de la tensión del circuito secundario? En los transformadores reales sería posible decir la polaridad secundaria, solo si el transformador estuviera abierto. Para evitar esto, los transformadores usan la convección de puntos. Los puntos que aparecen en un extremo de cada bobina muestran la polaridad de la tensión y la corriente sobre el lado secundario del transformador. La relación es como sigue:

Si la tensión primaria es positiva en el extremo punteado de la bobina con respecto al extremo no punteado, entonces el voltaje secundario será también positivo en el extremo punteado. Si la intensidad primaria del transformador fluye hacia dentro del extremo punteado de la bobina primaria, la corriente secundaria fluirá hacia fuera del extremo punteado de la bobina secundaria.

La potencia de salida de un transformador ideal es igual a su potencia de entrada. La misma relación se aplica a la potencia reactiva Q y la potencia aparente S..

1.4. El transformador real.

Para entender el funcionamiento de un transformador real, refirámonos a la figura. Esta nos muestra un transformador que consiste en dos bobinas enrolladas alrededor de un núcleo del transformador. La bobina primaria del transformador está conectada a una fuente de tensión de c.a. y la bobina secundaria está en circuito abierto.

La corriente de magnetización

Cuando una fuente de potencia de c.a. se conecta a un transformador fluye una corriente en su circuito primario, aun cuando su circuito secundario esté en circuito abierto. Esta corriente es la corriente necesaria para producir un flujo en el núcleo ferromagnético real. Consta de dos componentes:

1. La corriente de magnetización i_m, que es la corriente necesaria para producir el flujo en el núcleo del transformador.
2. La corriente de pérdidas en el núcleo i_Fe, que es la corriente necesaria para compensar las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas.

La otra componente de la corriente en vacío en el transformador es la corriente necesaria para producir la potencia que compense las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo. Esta es la corriente de pérdidas en el núcleo. La corriente total en vacío, en el núcleo, se llama la corriente de excitación del transformador:

Las pérdidas que ocurren en los transformadores reales tienen que explicarse en cualquier modelo fiable de comportamiento de transformadores:

1. Pérdidas en el cobre. Pérdidas en el cobre son pérdidas por resistencias en las bobinas primaria y secundaria del transformador. Son proporcionales al cuadrado de la corriente de dichas bobinas.
2. Pérdidas de corrientes parásitas. Las pérdidas por corrientes parásitas son pérdidas por resistencia en el núcleo del transformador.
3. Pérdidas por histéresis. están asociadas a los reacomodamientos de los dominios magnéticos en el núcleo durante cada medio ciclo.
4. Flujo de dispersión. Los flujos Φ_d1 y Φ_d2 que salen del núcleo y pasan solamente a través de una de las bobinas de transformador son flujos de dispersión. Estos flujos escapados producen una autoinductancia en las bobinas primaria y secundaria y los efectos de esta inductancia deben tenerse en cuenta.

2. Transformadores monofásicos. Ensayos.

2.1 Ensayo de vacío.

El ensayo en vacío proporciona, a través de las medidas de tensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los valores directos de la potencia perdida en el hierro, y deja abierto el bobinado secundario. Por lo tanto, este bobinado no será recorrido por ninguna intensidad, y no se tendrán en cuenta los ínfimos valores de las pérdidas en el cobre para este ensayo. Los principales datos que hay que determinar en el ensayo en vacío son:

• Las pérdidas en el hierro a través de la lectura del vatímetro (W1) en el bobinado primario, entendiendo que la P10 es la potencia medida en el vatímetro (W1).

• La intensidad en vacío del primario a través del amperímetro (A1).

• La relación de transformación (m):

También podemos calcular, con la ayuda de los resultados:

• La impedancia (Z):           

• La potencia aparente en vacío

• El ángulo de desfase (φ) o factor de potencia de vacío: cos φ₀= P₁₀/S

Hay que tener en cuenta algunas consideraciones cuando se producen pérdidas en el hierro o en vacío de un transformador; estas pérdidas tienen bastante importancia durante su explotación, ya que por ella misma provoca un consumo de energía incluso cuando el transformador no tiene consumo.

En los momentos que no tiene consumo exterior, esta energía deberá ser abonada por el usuario, debido a que los contadores de energía se conectan siempre en los primarios de los transformadores de los centros de transformación.

 2.2 Ensayo de cortocircuito.

Con el ensayo en cortocircuito, conseguimos las intensidades nominales en los dos bobinados, aplicando una pequeña tensión al primario y cortocircuitando el secundario con un amperímetro

El procedimiento es el siguiente:

Con un autotransformador regulable y comenzando desde cero, aplicamos progresivamente la tensión, que se incrementa voltio a voltio, hasta conseguir las intensidades nominales en los dos bobinados. La tensión aplicada, una vez alcanzada la intensidad nominal en el secundario, recibe el nombre de tensión de cortocircuito (Ucc).

En el ensayo en cortocircuito, como las intensidades son nominales, se producen pérdidas en el cobre por efecto Joule similares a las que se dan cuando el transformador está en carga; se diferencian en el rendimiento cuando el índice de carga es menor que la unidad.

Las pérdidas en el cobre se calculan mediante:

A. Pérdidas en cortocircuito

Estas pérdidas se determinan directamente con el vatímetro conectado en el primario, que corresponde a la potencia en cortocircuito (Pcc) (véase la Figura 4.9). 

Pcc = Pcu

B. Resistencias, inductancias e impedancias en cortocircuito

Los valores de la resistencia (Rcc), de la inductacia (Xcc), y de la impedancia (Zcc) de los circuitos en el ensayo en cortocircuito se obtendrán mediante:

Por lo tanto la corriente de cortocircuito siempre dependerá de las resistencias de sus bobinados y de las inductancias de dispersión provocadas por los mismos.

C . La intensidad de cortocircuito

D. El factor de potencia de cortocircuito

3. Transformadores trifásicos

Los transformadores para circuitos trifásicos pueden construirse de dos maneras. Estas son:

2. 1. Tomando tres transformadores monofásicos y conectándolos en un grupo trifásico.
   2. Haciendo un transformador trifásico que consiste en tres juegos de devanados enrollados sobre un núcleo común

Los tres arrollamientos, tanto del primario como del secundario, se pueden conectar de diversas formas,

Indice horario

Todos los arrollamientos montados sobre una misma columna abrazan en cada instante el mismo flujo común y con el fin de precisar el sentido de las f.e.m. suponemos que el sentido de arrollamiento de las bobinas primarias y secundarias es el mismo..

  Dependiendo del tipo de conexión, entre las tensiones simples del primario y del secundario, pueden aparecer entre las tensiones simples respectivas unas determinadas diferencias de fase. Para indicar el desfase existente entre las tensiones simples, se suele utilizar el llamado índice horario (ángulo formado por la aguja grande y la pequeña de un reloj cuando marca una hora exacta), expresado en múltiplos de 30º (ángulo entre dos horas consecutivas, 360º/12=30º ). El conocimiento del desfase (índice horario) es muy importante cuando se han de conectar transformadores en paralelo, dado que entonces, todos los transformadores deben tener el mismo índice horario, para evitar que puedan producirse corrientes de circulación entre los transformadores cuando se realice la conexión.

Trabajo en paralelo.

Los transformadores pueden acoplarse en paralelo por sus secundarios, por los primarios o bien por los primarios y secundarios a la vez. Cuando la instalación lo permita, en las centrales por ejemplo, es preferible adoptar la primera solución, que añade la impedancia interna de los transformadores la de los generadores,

Es claro que la frecuencia, una de las características esenciales de la instalación, será con ello sin más, rigurosamente la misma para todos los transformadores acoplados. Las restantes condiciones que han de cumplirse para que el funcionamiento sea posible y se realice de modo práctico, son las siguientes:

1.-Los desfases secundarios respecto al primario han de ser iguales para los transformadores que  hayan de acoplarse en paralelo
2.- El sentido de rotación de las fases secundarias ha de ser el mismo en todos ellos
3.- Las relaciones entre las tensiones de líneas han de ser idénticas

4.- Las caídas de impedancia para las tensiones de cortocircuito, deben tener los mismos valores relativos para todos los transformadores, siendo preferible además que esta igualdad se cumpla por separado para las caídas óhmicas y las f.e.m.s. de reactancia.

Las dos primeras condiciones son eliminatorias, de no satisfacerse, el acoplamiento es imposible. Las dos últimas son necesarias para la buena marcha de la instalación.

4. Autotransformadores

El autotransformador puede ser considerado simultáneamente como un caso particular del transformador o del bobinado con núcleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el núcleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en común con el transformador. En realidad, lo que conviene es estudiarlo independientemente, pero utilizando las leyes que ya vimos para los otros dos casos, pues así se simplifica notablemente el proceso teórico.

En la práctica se emplean los autotransformadores en algunos casos en los que presenta ventajas económicas, sea por su menor costo o su mayor eficiencia. Pero esos casos están limitados a ciertos valores de la relación de transformación, como se verá en seguida. No obstante es tan común que se presente el uso de relaciones de transformación próximas a la unidad, que corresponde dar a los autotransformadores la importancia que tienen, por haberla adquirido en la práctica de su gran difusión.

El autotransformador no sólo presenta menores pérdidas que el transformador normal, sino que su menor tamaño y peso permiten el transporte de potencias superiores.