¿Qué es un transformador eléctrico? Función, diseño y principio de funcionamiento

Como eje central de los sistemas de energía modernos, Transformador de potencia va mucho más allá de la simple conversión de tensión. Un conocimiento profundo de sus principios, construcción y consideraciones de diseño es esencial para dominar las tecnologías de transmisión y distribución de energía. Este artículo analiza sistemáticamente los principios de funcionamiento de los transformadores, los componentes del núcleo, los mecanismos de pérdida y los conceptos avanzados de diseño.

I. Inducción electromagnética: La base física del funcionamiento de los transformadores

• El papel central de la ley de Faraday:
  La esencia del funcionamiento de los transformadores eléctricos reside en la Ley de Faraday de inducción electromagnética, descubierta por Michael Faraday. Esta ley establece: La fuerza electromotriz (FEM) inducida en un circuito cerrado es igual a la velocidad de cambio del enlace de flujo magnético a través de ese circuito. Matemáticamente: e = -N * dΦ/dtdonde e = CEM inducido (voltios), N = número de vueltas de la bobina, y dΦ/dt = tasa de cambio del flujo magnético (webers/segundo). El signo negativo indica que el EMF inducido siempre se opone al cambio de flujo (Ley de Lenz).

• La magia de la inducción mutua:
  Los transformadores eléctricos se basan fundamentalmente en la inducción mutua. Cuando la corriente alterna (CA) circula por el devanado primario, genera un flujo magnético variable en el tiempo (Φ). Este flujo es confinado y canalizado eficazmente por un núcleo magnético, construido normalmente con material ferromagnético laminado (acero al silicio). Cuando este flujo se enlaza con el devanado secundario, físicamente aislado pero acoplado magnéticamente, la ley de Faraday induce un EMF de CA en el devanado secundario.

• Autoinducción: Función y limitaciones:
  La corriente cambiante en el devanado primario también induce una FEM en sí misma (autoinducción), que se manifiesta como la inductancia del devanado. Mientras que la autoinducción es crucial para establecer el campo magnético y limitar los picos de corriente, la inducción mutua es el mecanismo central de transferencia de energía.

• La Ley de Relación de Vueltas: Clave de la transformación de la tensión:
  Si los devanados primario y secundario están perfectamente unidos por el mismo flujo alterno (acoplamiento ideal), la FEM inducida (e) en cada bobina es estrictamente proporcional a su número de espiras (N). Por lo tanto, la relación de transformación de la tensión es igual a la relación de vueltas:
  V₂ / V₁ ≈ E₂ / E₁ = N₂ / N₁ = K
  Dónde:

  • V₁, E₁, N₁: Tensión de entrada del devanado primario, CEM inducido, número de espiras.

  • V₂, E₂, N₂: Tensión de salida del devanado secundario, CEM inducido, número de espiras.

  • K: Relación de vueltas.

  • N₂/N₁ > 1 (K > 1) = Transformador elevador.

  • N₂/N₁ < 1 (K < 1) = Transformador reductor.

II. Factores clave que determinan el rendimiento de los transformadores

1. Material básico: La autopista magnética:

   • Alta permeabilidad (μ): El acero al silicio (acero eléctrico) se utiliza ampliamente debido a su alta permeabilidad, que aumenta significativamente la densidad de flujo (B) para una fuerza magnetizante dada (H) (B = μH), reduciendo la corriente de excitación necesaria para establecer el flujo de trabajo.

   • Diseño de baja pérdida: El acero al silicio suele contener silicio (3-5%) para aumentar la resistividad y reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Se lamina en frío con una orientación de grano específica (GOES - Grain-Oriented Electrical Steel) para optimizar la dirección de magnetización, reduciendo drásticamente la pérdida por histéresis. Las modernas aleaciones de metales amorfos ofrecen una pérdida por histéresis aún menor, ideal para transformadores de distribución de alta eficiencia.

   • Estructura laminada: El núcleo se construye a partir de finas láminas aisladas de acero al silicio para interrumpir los grandes trayectos de las corrientes parásitas, confinándolas dentro de las láminas individuales, un proceso crítico para minimizar las pérdidas en el núcleo.

2. Frecuencia de alimentación de CA (f): El motor del cambio:

   • CEM inducidos e ∝ N * dΦ/dt. La tasa de cambio de flujo dΦ/dt es directamente proporcional a la frecuencia de alimentación f. Por lo tanto, para la misma densidad de flujo, una frecuencia más alta da lugar a una tensión inducida más alta, o permite un área transversal del núcleo más pequeña. Las redes eléctricas mundiales utilizan principalmente frecuencias estándar de 50 Hz o 60 Hz.

3. Acoplamiento del bobinado: Garantía de eficacia:

   • Acoplamiento apretado es esencial para una transformación eficaz. El flujo generado por el devanado primario debe enlazar lo más completamente posible con el devanado secundario (flujo principal Φ_m).

   • Flujo de fuga (Fuga) es el flujo que no se enlaza eficazmente, causando inductancia de fugalo que aumenta la caída de tensión y las pérdidas, reduciendo la eficiencia y la regulación de la tensión.

   • Disposición del bobinado: Técnicas como los bobinados intercalados (capas primaria y secundaria alternadas), los métodos especiales de bobinado (helicoidal, disco continuo) y las estructuras de núcleo optimizadas (el tipo concha suele ofrecer un acoplamiento más ajustado que el tipo núcleo) son soluciones de ingeniería para minimizar el flujo de fuga y mejorar el coeficiente de acoplamiento.

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III. Anatomía de la construcción del núcleo del transformador

1. Núcleo: El Director de Flux:

   • Material: Acero al silicio de alta permeabilidad y bajas pérdidas (Cold-Rolled Grain-Oriented - CRGO es estándar).

   • Estructura:

     • Tipo de núcleo: Los devanados rodean los miembros del núcleo. Estructura relativamente sencilla, mejor refrigeración, mantenimiento más fácil. Muy utilizados en transformadores de alta tensión y potencia.

     • Tipo de caparazón: El núcleo rodea los bobinados. Mayor resistencia mecánica, menor flujo de fuga, trayecto magnético simétrico, pero fabricación/reparación algo más compleja. Común para media-baja tensión, aplicaciones especiales (transformadores de hornos, transformadores rectificadores) y diseños compactos de alta eficiencia.

     • Núcleo de la herida: Tira continua de acero al silicio enrollada en un núcleo. La trayectoria magnética sin costuras reduce significativamente las pérdidas en vacío y el ruido. Se utiliza principalmente en transformadores de distribución de alta eficiencia.

2. Los devanados: Los portadores de corriente:

   • Material: Cobre electrolítico de alta conductividad (estándar) o aluminio.

   • Tipos:

     • Concéntrico: Los devanados de baja tensión (BT) y de alta tensión (AT) se colocan concéntricamente sobre el núcleo (el de BT suele estar en el interior para facilitar el aislamiento de AT). Se utiliza principalmente en transformadores con núcleo.

     • Intercalado (Sándwich): Los devanados de BT y AT se apilan alternativamente a lo largo de la altura del limbo del núcleo. Se utiliza principalmente en transformadores de carcasa para reducir la inductancia de fuga y las fuerzas axiales de cortocircuito.

   • Consideraciones clave: Sección del conductor (capacidad de corriente), número de espiras (relación de espiras), diseño del aislamiento (tensión soportada, refrigeración), resistencia mecánica (soportar fuerzas de cortocircuito).

3. Sistema de aislamiento: La barrera para la seguridad y la longevidad:

   • Función principal: Aíslan eléctricamente los componentes a diferentes potenciales (devanados a devanados, devanados a tierra, devanados al núcleo), soportan tensiones eléctricas, térmicas y mecánicas.

   • Materiales de aislamiento:

     • Aislamiento sólido: Papel aislante (papel kraft, papel crepé, Nomex®), madera laminada (placas de sujeción, distanciadores), resina epoxi (para transformadores de resina colada de tipo seco), película de poliéster (entrecapas, entrevueltas).

     • Aislamiento líquido: Aceite mineral - Estándar, que proporciona aislamiento, refrigeración, extinción de arcos y protección/conservación del aislamiento sólido. Ésteres sintéticos o aceites de silicona utilizados cuando se requiere una mayor seguridad contra incendios.

     • Aislamiento de gas: SF₆ (hexafluoruro de azufre) utilizado en transformadores con aislamiento de gas (GIT).

   • Clasificación del aislamiento:

     • Aislamiento mayor: Aislamiento entre componentes con gran diferencia de potencial: Devanados HV-LV, devanados a tierra (núcleo/depósito), devanados a yugo. Normalmente consiste en sistemas de barrera de papel-aceite, componentes de aislamiento moldeados (anillos angulares, barreras).

     • Aislamiento menor (aislamiento interior): Aislamiento dentro de un bobinado donde las diferencias de potencial son menores: vuelta a vuelta, capa a capa, disco a disco. Se basa en esmalte conductor, envolturas de papel, espaciadores.

4. Tanque: El recinto de protección y refrigeración:

   • Estructura: Envolvente de acero que aloja la parte activa (núcleo + bobinados) y el fluido aislante (en los tipos rellenos de aceite).

   • Componentes y sistemas clave:

     • Conservador: Cámara de expansión para aceite, conectada a la atmósfera a través de un respiradero (que contiene gel de sílice o alúmina activada - tipo abierto), o utilizando una manta de nitrógeno/sistema sellado (tipo sellado). Los diseños modernos favorecen los sistemas sellados de membrana/célula de aire.

     • Sistema de refrigeración:

       • Radiadores: Circulación natural del aceite, aire natural (ONAN).

       • Fans: Refrigeración por aire forzado (ONAF - Oil Natural Air Forced / OFAF - Oil Forced Air Forced).

       • Bombas: Circulación forzada de aceite (OFAN - Oil Forced Air Natural / OFAF / ODAF - Oil Directed Air Forced).

       • Neveras: Refrigeración por agua (OFWF - Oil Forced Water Forced) o flujo de aceite dirigido (ODAF / ODWF).

     • Bujes: Interfaz externa crítica Dirija con seguridad los cables internos de los devanados de AT/BT a través de la pared del depósito conectada a tierra hasta las líneas externas. Clasificados por aislamiento:

       • Impregnado de aceite: Tradicional, fiable, para altas tensiones.

       • RIP (Papel impregnado de resina) / RBP (Papel aglutinado con resina): Casquillos de tipo seco, ignífugos, antideflagrantes, de bajo mantenimiento, cada vez más comunes.

       • Graduado capacitivo: Incorporan capas conductoras para distribuir uniformemente la tensión del campo eléctrico, esencial para altas tensiones.

     • Dispositivos de protección:

       • Relevo de Buchholz: Montado en la tubería entre el conservador y el depósito. Alarmas o disparos por acumulación de gas (averías leves) o subida repentina de aceite (averías graves).

       • Dispositivo de alivio de presión (PRD): Se abre rápidamente para ventilar el exceso de presión causado por fallos internos graves o sobrecalentamiento, evitando la rotura del depósito.

       • Relé de presión súbita (SPR): Detecta rápidas subidas de presión dentro del depósito (por ejemplo, fallos de arco), actuando más rápido que un relé Buchholz.

     • Dispositivos de vigilancia: Indicador de nivel de aceite, indicador de temperatura del bobinado (WTI), indicador de temperatura del aceite (OTI), monitores en línea (DGA - Análisis de gases disueltos, FRA - Análisis de respuesta en frecuencia).

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IV. Pérdidas y eficiencia: El coste de la conversión de energía

1. Pérdidas en el núcleo (pérdidas sin carga): Existen en el núcleo magnético siempre que el primario esté energizado.

   • Pérdida por histéresis: Energía disipada en forma de calor debido a la fricción durante la inversión cíclica de los dominios magnéticos en el material del núcleo. Proporcional a la frecuencia f y el área del bucle de histéresis (dependiente del material, relacionado con la densidad de flujo pico B_max). P_h ∝ f * B_max^n (n≈1.6-2.0).

   • Pérdida por corrientes de Foucault: Pérdida resistiva (I²R) de las corrientes circulantes inducidas en el núcleo por el flujo alterno. Proporcional al cuadrado de la frecuencia (f²), el cuadrado de la densidad de flujo máxima (B_max²), y el cuadrado del grosor de la laminación (t²). P_e ∝ f² * B_max² * t². Los laminados finos y aislados son cruciales.

   • Pérdida anómala (exceso): Pérdida relacionada con la dinámica de movimiento de la pared del dominio, normalmente menor.

2. Pérdidas de cobre (pérdidas de carga): Existen en los devanados, aumentando con la corriente de carga (proporcional a la corriente al cuadrado I²).

   • Pérdida de resistencia CC (I²R Pérdida): Pérdida óhmica debida a la corriente que circula por la resistencia del conductor. P_cu_dc = I₁²R₁ + I₂²R₂.

   • Pérdida de resistencia de CA (pérdida por corrientes de Foucault y circulantes): Pérdida adicional debida al aumento de la resistencia efectiva por efecto piel (aglomeración de corriente en la superficie del conductor) y efecto proximidad (influencia mutua de conductores adyacentes) en condiciones de corriente alterna. Significativo en grandes transformadores, mitigado mediante conductores transpuestos o cable transpuesto continuo (CTC).

3. Pérdidas perdidas: Pérdidas por corrientes de Foucault en componentes estructurales (paredes de tanques, bastidores, pernos) causadas por el flujo de fuga. Reducidas por derivaciones magnéticas y materiales no magnéticos.

4. Eficiencia: Relación entre la potencia de salida (P_out) a la potencia de entrada (P_in).
   η = (P_out / P_in) * 100% = [P_out / (P_out + P_core + P_cu + P_stray)] * 100%. Los grandes transformadores de potencia modernos alcanzan eficiencias superiores al 99,7%. El diseño de alta eficiencia es una búsqueda constante.

V. Tendencias de los transformadores modernos

• Digitalización e integración de redes inteligentes: Incorporación de sensores (temperatura, vibración, descarga parcial, DGA, FRA) para la supervisión del estado en tiempo real, el mantenimiento predictivo, el diagnóstico de fallos y la evaluación de la vida útil (concepto de gemelo digital).

• Mayor fiabilidad y resistencia: Cumplimiento más estricto de las normas de resistencia a cortocircuitos (IEC 60076-5), herramientas de diagnóstico avanzadas, diseño mecánico robusto y estrategias de redundancia.

• Ecodiseño y sostenibilidad:

  • Sustitución del aceite mineral por fluidos de éster sintético (punto de ignición más alto, biodegradable).

  • Utilización de Líquidos contra incendios sin flúor (FFFK) en las instalaciones.

  • Diseños silenciosos (barreras acústicas, sujeción optimizada del núcleo).

  • Centrarse en la evaluación del ciclo de vida (ECV) y la reducción de la huella de carbono.

• Materiales avanzados:

  • Metal amorfo: Material del núcleo que ofrece 60-80% menores pérdidas en vacío que el CRGO, ideal para transformadores de distribución de alta eficiencia.

  • Devanados superconductores de alta temperatura (HTS): Potencial de aumento revolucionario de la eficiencia (resistencia cercana a cero) y la densidad de potencia (en fase de desarrollo/prototipo).

  • Aislamiento de nanocompuestos: Materiales diseñados con nanopartículas para mejorar la conductividad térmica, la rigidez dieléctrica y la resistencia a las descargas parciales.

Conclusión

El transformador eléctrico es la cristalización perfecta de la teoría electromagnética en la práctica de la ingeniería. Desde el principio básico de inducción mutua basado en la Ley de Faraday hasta el meticuloso diseño del núcleo, los devanados, el sistema de aislamiento, la refrigeración y los aparatos de protección, todos los avances tecnológicos tienen como objetivo mejorar su eficiencia, fiabilidad y sostenibilidad medioambiental. Comprender sus principios de funcionamiento, los mecanismos de pérdida y la construcción del núcleo no sólo es un conocimiento esencial para los ingenieros eléctricos, sino que también es fundamental para conducir los sistemas de energía hacia una mayor inteligencia, eficiencia y responsabilidad medioambiental. A medida que sigan apareciendo nuevos materiales, procesos de fabricación y tecnologías digitales, esta piedra angular centenaria de la ingeniería eléctrica seguirá siendo indispensable en la actual transición energética.