Los transformadores son el equipo más reconocible en los sistemas de energía. Son grandes, distintivos y simples en principio, pero requieren mucho mantenimiento, lo que los hace parecer mucho más sustanciales que los "cables". En el diagrama de la red eléctrica, los transformadores son como los nodos troncales, mientras que otros equipos sirven como conexiones.

Este artículo presentará los componentes, principios, funciones, clasificación y escenarios de aplicación de los transformadores.

1.Composición de un transformador

Un transformador se compone principalmente de un núcleo y devanados.

El núcleo sirve como ruta del circuito magnético del transformador, mientras que los devanados son la parte del circuito eléctrico, que se obtiene enrollando una cierta cantidad de vueltas de alambre recubierto de esmalte-.

El que está conectado a la fuente de energía se llama devanado primario, también conocido como bobina primaria. El que está conectado a la carga se llama devanado secundario, también conocido como bobina secundaria o devanado lateral secundario.

Las formas básicas de las estructuras centrales son el tipo de núcleo en forma de corazón-y el tipo de caparazón.

• Transformador de núcleo-en forma de corazón

Las columnas de un transformador de tipo núcleo-están rodeadas de devanados. En pocas palabras, los devanados rodean el núcleo, lo que hace que la estructura sea relativamente simple y más fácil de ensamblar y aislar, razón por la cual los transformadores suelen utilizar una estructura de tipo núcleo-.

• Transformador tipo carcasa-

En un transformador de tipo carcasa-, el núcleo rodea el devanado. Los transformadores tipo Shell-tienen una alta resistencia mecánica y esquinas salientes, pero su proceso de fabricación es complejo y requiere más materiales. Por lo general, solo se utilizan en transformadores de baja-tensión, alta-corriente o transformadores de potencia de pequeña-capacidad.

2.Principio de funcionamiento básico de un transformador

Un transformador funciona según el principio de inducción electromagnética.

Cuando se conecta una fuente de alimentación de CA adecuada a ambos extremos del devanado primario, bajo la acción del voltaje de suministro u₁, una corriente alterna i₀ fluye a través del devanado primario, generando una fuerza magnetomotriz en el devanado primario. Esto excita un flujo magnético alterno ϕ en el núcleo. Este flujo alterno ϕ conecta tanto el devanado primario como el secundario. Según la ley de la inducción electromagnética, las fuerzas electromotrices inducidas e₁y e₂se generan en los devanados primario y secundario, respectivamente. Bajo la influencia de la fuerza electromotriz inducida e₂, el devanado secundario puede suministrar energía a la carga, logrando la transferencia de energía.

La relación de las fuerzas electromotrices inducidas en los devanados primario y secundario es igual a la relación del número de vueltas en los devanados primario y secundario. La magnitud de la fuerza electromotriz inducida e.₁en el lado primario está cerca del voltaje aplicado u₁en el lado primario, mientras que la magnitud de la fuerza electromotriz inducida e₂en el lado secundario está cerca del voltaje de salida u₂en el lado secundario.

Por lo tanto, simplemente cambiando el número de vueltas en el devanado primario o secundario una o dos veces, el voltaje de salida u₂se puede ajustar. Este es el principio de funcionamiento básico de un transformador, que utiliza el principio de inducción electromagnética para convertir una fuente de alimentación de CA de un nivel de voltaje en una fuente de alimentación de CA de la misma frecuencia pero con un nivel de voltaje diferente.

2.Funciones básicas de un transformador

Las funciones básicas de un transformador incluyen conversión de voltaje, conversión de corriente, conversión de impedancia, aislamiento y regulación de voltaje.

Transformación de voltaje: Los transformadores pueden aumentar o disminuir el voltaje de la corriente alterna para satisfacer diferentes necesidades eléctricas. Por ejemplo, un transformador reductor-se utiliza para aumentar el voltaje de una planta de energía para reducir la pérdida de energía durante la transmisión, mientras que un transformador reductor-se utiliza para reducir el alto voltaje a un voltaje de uso seguro.

Transformación de corriente: Al cambiar el voltaje, un transformador también cambia correspondientemente la corriente. Según la ley de conservación de la potencia, cuando aumenta el voltaje, la corriente disminuye y viceversa. Esta característica hace que los transformadores sean muy importantes en la transmisión de energía, ya que pueden gestionar eficazmente las cargas de corriente.

Transformación de impedancia: los transformadores pueden cambiar la impedancia de un circuito, haciéndolo más adecuado para diferentes condiciones de carga. Esto es especialmente importante en equipos de audio y otros dispositivos electrónicos, ya que puede mejorar la eficiencia de transmisión de la señal.

Aislamiento: Los transformadores pueden proporcionar aislamiento eléctrico, protegiendo la seguridad de los equipos y de los usuarios. Este aislamiento puede evitar que el alto voltaje dañe los equipos de bajo-voltaje, lo que garantiza el funcionamiento seguro del equipo.

Regulación de voltaje: Ciertos tipos de transformadores (como reactores saturables) se pueden usar para regular el voltaje, lo que ayuda a mantener la estabilidad del voltaje y garantiza la confiabilidad y estabilidad del sistema de energía.

4.Clasificación de Transformadores

4.1Clasificados por capacidad

• Transformador pequeño: tensión inferior a 10KV, capacidad entre 1 y 500KVA.

• Transformadores-pequeños y medianos: voltaje de 35 kV y menos, capacidad de 630 a 6300 kVA.

• Transformadores grandes: voltaje de 110 kV e inferior, capacidad entre 8000 y 63000 kVA.

4.2Clasificados por Uso

• Transformador de potencia: Se utiliza para aumentar, reducir, distribuir e interconectar en sistemas de transmisión y distribución de energía, o se usa específicamente como transformadores para plantas y subestaciones de energía.

• Transformadores de instrumentos: como transformadores de tensión y transformadores de corriente, utilizados para instrumentos de medición y dispositivos de protección de relés.

• Transformador de potencia: utilizado para el control de suministro de energía, iluminación e indicadores de equipos mecánicos en general.

• Transformador electrónico: se utiliza en circuitos electrónicos como fuentes de alimentación de modo conmutado-, adaptación de audio, pulso y impedancia.

• Transformador de prueba: capaz de generar alto voltaje para realizar pruebas de alto-voltaje en equipos eléctricos.

• Transformadores especiales: como transformadores de hornos eléctricos, transformadores rectificadores, transformadores reguladores de voltaje, etc.

4.3Clasificados por el número de fases de los devanados del transformador.

• Transformador monofásico-: se utiliza para cargas monofásicas-y bancos de transformadores trifásicos-.

• Transformador trifásico: se utiliza para aumentar o reducir el voltaje en sistemas trifásicos.

4.4 Clasificados por método de enfriamiento del transformador

• Transformador tipo-seco: Enfriado por convección de aire, generalmente utilizado para transformadores-de pequeña capacidad como iluminación local y circuitos electrónicos.

• Transformador-inmerso en aceite: un transformador que utiliza aceite de transformador como medio aislante y de enfriamiento, con el núcleo y los devanados completamente sumergidos en el aceite aislante.

4.5 Clasificados por tipo de conexión del devanado del transformador

• Transformador de doble-devanado: Se utiliza para conectar dos niveles de voltaje en el sistema de energía.

• Transformador de tres-devanados: Generalmente se utiliza en subestaciones regionales del sistema eléctrico para conectar tres niveles de voltaje.

• Autotransformador: Los devanados primario y secundario se combinan en uno solo, utilizado para conectar sistemas de energía de diferentes voltajes. También se puede utilizar como un transformador reductor-aumentador o reductor-regular.

4.6 Clasificados por frecuencia de operación del transformador

• Transformador de frecuencia de potencia: su frecuencia de funcionamiento es de 50Hz o 60Hz.
• Transformador de frecuencia intermedia: su frecuencia de funcionamiento es de 400–1000Hz.
• Transformador de audiofrecuencia: su frecuencia de funcionamiento es de 20Hz–20kHz.

• Transformador de frecuencia supersónica: Su frecuencia de funcionamiento es superior a 20 kHz, generalmente no superior a 100 kHz.

• Transformador de alta-frecuencia: un transformador con una frecuencia de funcionamiento que oscila entre 20 Hz y más de 100 kHz.

5.Escenarios de aplicación de transformadores

5.1Sistema de energía

• Plantas de energía: los transformadores se utilizan para aumentar el voltaje generado por los generadores para su transmisión a la red eléctrica, lo que permite la transmisión de electricidad a larga-distancia.

• Subestaciones: en las subestaciones, los transformadores convierten la electricidad de alto-voltaje en electricidad de bajo-voltaje para satisfacer las necesidades de diversos equipos eléctricos. Al mismo tiempo, los transformadores también pueden realizar funciones como compensación de potencia reactiva y ajuste de voltaje, asegurando el funcionamiento estable del sistema eléctrico.

• Líneas de transmisión: en las líneas de transmisión, se utilizan transformadores para aumentar el voltaje y reducir la pérdida de energía, logrando una transmisión eléctrica eficiente a larga-distancia.

5.2Sector Civil

• Electricidad doméstica: los transformadores de potencia convierten la electricidad de alto-voltaje en electricidad de bajo-voltaje adecuada para uso doméstico, lo que garantiza un consumo eléctrico normal para los residentes.

• Cargar baterías: ya sea una computadora portátil, un teléfono o un vehículo eléctrico, estos dispositivos requieren baterías para funcionar, y cargarlas requiere un transformador. La función principal de un transformador es regular el voltaje y evitar que corrientes de fuga o sobrecorrientes pasen a través de los dispositivos.

5.3Campo de comunicación

Los transformadores de comunicación se utilizan en circuitos de terminales telefónicos y productos de líneas troncales para regular la calidad y el estado de los circuitos de comunicación. Además, los transformadores de comunicación se utilizan ampliamente en módems de cable, tarjetas de red, concentradores, equipos de comunicación de banda ancha xDSL, conmutadores, transceptores de fibra óptica, enrutadores, sistemas integrados y dispositivos de comunicación de red VoIP.

5.4Otras Aplicaciones Especiales

• Equipo de audio: los transformadores de audio se usan comúnmente para proporcionar aislamiento a las señales que fluyen a través de un circuito y ayudar a igualar los valores de impedancia de la fuente y la carga. También pueden eliminar señales ruidosas o no deseadas y filtrar la señal de entrada. Este tipo de transformadores están diseñados específicamente para manejar señales dentro del rango audible, es decir, señales con frecuencias entre 20Hz y 20kHz.

• Instrumentos de medición: los medidores de corriente, los medidores de voltaje y otras herramientas y dispositivos de medición generalmente usan transformadores para el funcionamiento general. Por ejemplo, los transformadores de corriente de medición brindan la seguridad necesaria para el circuito al aislar el dispositivo de medición del resto del circuito y suprimir o reducir las corrientes grandes a valores óptimos antes de alimentarlas al amperímetro.

• Rectificación: los transformadores rectificadores pueden convertir CA en CC, con aplicaciones que incluyen control de motores, minería, hornos eléctricos, laboratorios de investigación y desarrollo, transmisión de CC de alto-voltaje y más.