Construcción del transformador

Este circuito magnético, conocido más comúnmente como el «núcleo del transformador» está diseñado para proporcionar un camino para que el campo magnético fluya alrededor, lo cual es necesario para la inducción del voltaje entre los dos devanados.

Sin embargo, este tipo de construcción del transformador en el que los dos devanados se enrollan en miembros separados no es muy eficiente ya que los devanados primario y secundario están bien separados el uno del otro. Esto da lugar a un bajo acoplamiento magnético entre los dos devanados, así como a grandes cantidades de fugas de flujo magnético del propio transformador. Pero además de esta construcción en forma de «O», existen diferentes tipos de «construcción de transformador» y diseños disponibles que se utilizan para superar estas ineficiencias produciendo un transformador más pequeño y compacto.

La eficiencia de una construcción de transformador simple puede mejorarse poniendo los dos devanados en estrecho contacto entre sí mejorando así el acoplamiento magnético. Aumentar y concentrar el circuito magnético alrededor de las bobinas puede mejorar el acoplamiento magnético entre los dos devanados, pero también tiene el efecto de aumentar las pérdidas magnéticas del núcleo del transformador.

Además de proporcionar un camino de baja reluctancia para el campo magnético, el núcleo está diseñado para evitar las corrientes eléctricas circulantes dentro del propio núcleo de hierro. Las corrientes circulantes, denominadas «corrientes de Foucault», provocan el calentamiento y las pérdidas de energía dentro del núcleo, lo que disminuye el rendimiento de los transformadores.

Estas pérdidas se deben principalmente a las tensiones inducidas en el circuito de hierro, que está constantemente sometido a la configuración de campos magnéticos alternos por la tensión de alimentación sinusoidal externa. Una forma de reducir estas pérdidas de potencia no deseadas es construir el núcleo del transformador a partir de finas láminas de acero.

En todos los tipos de construcción de transformadores, el núcleo central de hierro se construye a partir de un material altamente permeable hecho de finas láminas de acero al silicio. Estas delgadas láminas se ensamblan entre sí para proporcionar la trayectoria magnética requerida con el mínimo de pérdidas magnéticas. La resistividad de la propia lámina de acero es alta, reduciendo así cualquier pérdida por corrientes de Foucault al hacer las laminaciones muy finas.

Estas laminaciones de acero del transformador varían en grosor entre 0,25mm y 0,5mm y como el acero es un conductor, las laminaciones y cualquier espárrago, remache o tornillo de fijación están aislados eléctricamente entre sí por una capa muy fina de barniz aislante o por el uso de una capa de óxido en la superficie.

Construcción del núcleo del transformador

En general, el nombre asociado a la construcción de un transformador depende de cómo se enrollan los devanados primario y secundario alrededor del núcleo central de acero laminado. Los dos diseños más comunes y básicos de construcción de transformadores son el transformador de núcleo cerrado y el transformador de núcleo de cáscara.

En el transformador de tipo «núcleo cerrado» (forma de núcleo), los devanados primario y secundario se enrollan fuera y rodean el anillo del núcleo. En el transformador de tipo «cáscara» (forma de cáscara), los devanados primario y secundario pasan dentro del circuito magnético de acero (núcleo) que forma una cáscara alrededor de los devanados como se muestra a continuación.

Construcción del núcleo del transformador

En ambos tipos de diseño del núcleo del transformador, el flujo magnético que une los devanados primario y secundario viaja completamente dentro del núcleo sin pérdida de flujo magnético a través del aire. En la construcción del transformador de tipo núcleo, una mitad de cada devanado se envuelve alrededor de cada pata (o miembro) del circuito magnético de los transformadores como se muestra arriba.

Las bobinas no están dispuestas con el devanado primario en una pata y el secundario en la otra, sino que la mitad del devanado primario y la mitad del devanado secundario se colocan uno sobre otro concéntricamente en cada pata para aumentar el acoplamiento magnético permitiendo que prácticamente todas las líneas de fuerza magnética pasen por los devanados primario y secundario al mismo tiempo. Sin embargo, con este tipo de construcción del transformador, un pequeño porcentaje de las líneas de fuerza magnética fluye fuera del núcleo, lo que se denomina «flujo de fuga».

Los núcleos de los transformadores de tipo concha superan este flujo de fuga, ya que tanto el devanado primario como el secundario se enrollan en la misma pata central o miembro que tiene el doble de área de sección transversal que los dos miembros exteriores. La ventaja en este caso es que el flujo magnético tiene dos trayectorias magnéticas cerradas para fluir alrededor de las bobinas de los lados izquierdo y derecho antes de volver a las bobinas centrales.

Esto significa que el flujo magnético que circula alrededor de los miembros exteriores de este tipo de construcción de transformador es igual a Φ/2. Como el flujo magnético tiene un camino cerrado alrededor de las bobinas, esto tiene la ventaja de disminuir las pérdidas en el núcleo y aumentar la eficiencia global.

Laminaciones del transformador

Pero quizá se pregunte cómo se enrollan los devanados primario y secundario alrededor de estos núcleos laminados de hierro o acero para este tipo de construcciones de transformadores. En primer lugar, las bobinas se enrollan en un molde de sección cilíndrica, rectangular u ovalada para adaptarse a la construcción del núcleo laminado. Tanto en las construcciones de transformadores de tipo cáscara como en las de tipo núcleo, para montar los devanados de las bobinas, las láminas individuales se estampan o perforan a partir de láminas de acero de mayor tamaño y se forman en tiras de acero fino que se asemejan a las letras «E», «L», «U» e «I», como se muestra a continuación.

Tipos de núcleo de transformador

Estas láminas estampadas, cuando se conectan entre sí, forman la forma de núcleo requerida. Por ejemplo, dos estampaciones «E» más dos estampaciones «I» de cierre de los extremos para obtener un núcleo E-I que forme un elemento de un núcleo de transformador estándar de tipo carcasa. Estas laminaciones individuales se unen estrechamente durante la construcción de los transformadores para reducir la reluctancia del entrehierro en las uniones, produciendo una densidad de flujo magnético altamente saturada.

Las laminaciones del núcleo del transformador suelen apilarse alternativamente entre sí para producir una unión superpuesta, añadiendo más pares de laminaciones para conseguir el grosor correcto del núcleo. Este apilamiento alternativo de las laminaciones también proporciona al transformador la ventaja de reducir las pérdidas de flujo y de hierro. La construcción de transformadores laminados con núcleo E-I se utiliza sobre todo en transformadores de aislamiento, transformadores elevadores y reductores, así como en autotransformadores.

Disposición de los devanados del transformador

Los devanados del transformador constituyen otra parte importante de la construcción de un transformador, ya que son los principales conductores conductores de corriente enrollados alrededor de las secciones laminadas del núcleo. En un transformador monofásico de dos devanados, habrá dos devanados como se muestra. El que está conectado a la fuente de tensión y crea el flujo magnético, llamado devanado primario, y el segundo devanado, llamado secundario, en el que se induce una tensión como resultado de la inducción mutua.

Si la tensión de salida del secundario es menor que la de entrada del primario, el transformador se conoce como «transformador reductor». Si la tensión de salida del secundario es mayor que la de entrada del primario, se denomina «transformador elevador».

El tipo de hilo utilizado como conductor principal de la corriente en el devanado de un transformador puede ser de cobre o de aluminio. Aunque el cable de aluminio es más ligero y generalmente menos caro que el de cobre, hay que utilizar una mayor sección transversal del conductor para transportar la misma cantidad de corriente que con el cobre, por lo que se utiliza principalmente en aplicaciones de transformadores de potencia más grandes.

Los pequeños transformadores de potencia y tensión de kVA utilizados en circuitos eléctricos y electrónicos de baja tensión tienden a utilizar conductores de cobre, ya que tienen una mayor resistencia mecánica y un tamaño de conductor más pequeño que los tipos de aluminio equivalentes. El inconveniente es que, cuando se completan con su núcleo, estos transformadores son mucho más pesados.

Los devanados y bobinas de los transformadores pueden clasificarse a grandes rasgos en bobinas concéntricas y bobinas intercaladas. En la construcción de transformadores con núcleo, los devanados suelen estar dispuestos concéntricamente alrededor del miembro del núcleo, como se muestra arriba, con el devanado primario de mayor tensión enrollado sobre el devanado secundario de menor tensión.

Las bobinas emparedadas o «pancake» consisten en conductores planos enrollados en forma de espiral y se denominan así debido a la disposición de los conductores en discos. Los discos alternos se hacen en espiral desde el exterior hacia el centro en una disposición intercalada con bobinas individuales apiladas y separadas por materiales aislantes como papel o lámina de plástico. Las bobinas y devanados tipo sándwich son más comunes con la construcción del núcleo tipo concha.

Los devanados helicoidales, también conocidos como devanados de tornillo, son otra disposición de bobina cilíndrica muy común utilizada en aplicaciones de transformadores de baja tensión y alta corriente. Los devanados están formados por conductores rectangulares de gran sección transversal enrollados en su lado con los filamentos aislados enrollados en paralelo de forma continua a lo largo del cilindro, con espaciadores adecuados insertados entre las vueltas o discos adyacentes para minimizar las corrientes circulantes entre los filamentos paralelos. La bobina progresa hacia el exterior como una hélice que se asemeja a la de un sacacorchos.

El aislamiento utilizado para evitar que los conductores hagan cortocircuito en un transformador suele ser una fina capa de barniz o esmalte en los transformadores refrigerados por aire. Este fino barniz o esmalte se pinta sobre el cable antes de que se enrolle alrededor del núcleo.

En los transformadores de potencia y distribución más grandes, los conductores se aíslan entre sí utilizando papel o tela impregnados de aceite. Todo el núcleo y los devanados se sumergen y sellan en un tanque protector que contiene aceite para transformadores. El aceite del transformador actúa como aislante y también como refrigerante.

Orientación de los puntos del transformador

No podemos simplemente tomar un núcleo laminado y envolver una de las configuraciones de bobinas alrededor de él. Podríamos, pero podríamos encontrar que la tensión y la corriente secundarias pueden estar fuera de fase con la de la tensión y la corriente primarias. Los dos devanados de la bobina tienen una orientación distinta de uno con respecto al otro. Cualquiera de las bobinas puede estar enrollada alrededor del núcleo en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario, por lo que para llevar la cuenta de sus orientaciones relativas se utilizan «puntos» para identificar un extremo determinado de cada bobinado.

Este método para identificar la orientación o dirección de los bobinados de un transformador se denomina «convención de los puntos». A continuación, los devanados de un transformador se enrollan de forma que existan las relaciones de fase correctas entre las tensiones de los devanados, definiéndose la polaridad de los transformadores como la polaridad relativa de la tensión secundaria con respecto a la tensión primaria, tal como se muestra a continuación.

Construcción de transformadores utilizando la orientación por puntos

El primer transformador muestra sus dos «puntos» uno al lado del otro en los dos devanados. La corriente que sale del punto secundario está «en fase» con la corriente que entra en el punto del lado primario. Por lo tanto, las polaridades de los voltajes en los extremos punteados también están en fase, de modo que cuando el voltaje es positivo en el extremo punteado de la bobina primaria, el voltaje a través de la bobina secundaria también es positivo en el extremo punteado.

El segundo transformador muestra los dos puntos en los extremos opuestos de los devanados, lo que significa que los devanados de la bobina primaria y secundaria de los transformadores están enrollados en direcciones opuestas. El resultado de esto es que la corriente que sale del punto secundario está 180o «fuera de fase» con la corriente que entra en el punto primario. Por lo tanto, las polaridades de las tensiones en los extremos punteados también están fuera de fase, de modo que cuando la tensión es positiva en el extremo punteado de la bobina primaria, la tensión a través de la bobina secundaria correspondiente será negativa.

Entonces la construcción de un transformador puede ser tal que la tensión secundaria puede estar «en fase» o «fuera de fase» con respecto a la tensión primaria. En los transformadores que tienen varios devanados secundarios diferentes, cada uno de los cuales está aislado eléctricamente de los demás, es importante conocer la polaridad de punto de los devanados secundarios para que puedan conectarse juntos en configuraciones de ayuda en serie (la tensión secundaria se suma) o de oposición en serie (la tensión secundaria es la diferencia).

La capacidad de ajustar la relación de vueltas de un transformador es a menudo deseable para compensar los efectos de las variaciones en la tensión de alimentación primaria, la regulación del transformador o las condiciones de carga variables. El control de la tensión del transformador se realiza generalmente cambiando la relación de vueltas y, por lo tanto, su relación de tensión, para lo cual una parte del devanado primario en el lado de alta tensión se golpea permitiendo un ajuste fácil. La derivación se prefiere en el lado de alta tensión ya que los voltios por vuelta son menores que en el lado secundario de baja tensión.

Cambios de derivación primaria del transformador

En este sencillo ejemplo, los cambios de derivación primaria se calculan para un cambio de tensión de alimentación de ±5%, pero se puede elegir cualquier valor. Algunos transformadores pueden tener dos o más devanados primarios o dos o más devanados secundarios para su uso en diferentes aplicaciones que proporcionan diferentes tensiones a partir de un solo núcleo.

Pérdidas en el núcleo del transformador

La capacidad del hierro o del acero para transportar el flujo magnético es mucho mayor que en el aire, y esta capacidad para permitir el flujo magnético se llama permeabilidad. La mayoría de los núcleos de los transformadores se construyen con aceros de bajo contenido en carbono que pueden tener permeabilidades del orden de 1.500 en comparación con sólo 1,0 en el caso del aire.

Esto significa que un núcleo laminado de acero puede transportar un flujo magnético 1.500 veces mejor que el del aire. Sin embargo, cuando un flujo magnético fluye en el núcleo de acero de un transformador, se producen dos tipos de pérdidas en el acero. Una de ellas se denomina «pérdidas por corrientes de Foucault» y la otra «pérdidas por histéresis».

Pérdidas por histéresis

Pérdidas por histéresis en los transformadores Las pérdidas por histéresis se producen debido a la fricción de las moléculas contra el flujo de las líneas de fuerza magnéticas necesarias para magnetizar el núcleo, que cambian constantemente de valor y dirección, primero en un sentido y luego en otro, debido a la influencia de la tensión de alimentación sinusoidal.

Esta fricción molecular provoca el desarrollo de calor que representa una pérdida de energía para el transformador. Una pérdida excesiva de calor puede acortar con el tiempo la vida útil de los materiales aislantes utilizados en la fabricación de los devanados y las estructuras. Por lo tanto, la refrigeración de un transformador es importante.

Además, los transformadores están diseñados para funcionar a una frecuencia de alimentación determinada. La reducción de la frecuencia de la alimentación provocará un aumento de la histéresis y una mayor temperatura en el núcleo de hierro. Por lo tanto, si se reduce la frecuencia de alimentación de 60 Hertz a 50 Hertz, aumentará la cantidad de histéresis presente y disminuirá la capacidad de VA del transformador.

Pérdidas por corrientes de Foucault

Las pérdidas por corrientes de Foucault del transformador, por otro lado, están causadas por el flujo de corrientes circulantes inducidas en el acero causadas por el flujo del flujo magnético alrededor del núcleo. Estas corrientes circulantes se generan porque ante el flujo magnético el núcleo actúa como un único bucle de cable. Dado que el núcleo de hierro es un buen conductor, las corrientes de Foucault inducidas por un núcleo de hierro sólido serán grandes.

Las corrientes de Foucault no contribuyen en nada a la utilidad del transformador, sino que se oponen al flujo de la corriente inducida actuando como una fuerza negativa que genera calentamiento resistivo y pérdida de potencia dentro del núcleo.

Laminando el núcleo de hierro

Las pérdidas de corriente inducida dentro del núcleo de un transformador no pueden eliminarse por completo, pero pueden reducirse y controlarse en gran medida reduciendo el espesor del núcleo de acero. En lugar de tener un gran núcleo de hierro sólido como material del núcleo magnético del transformador o de la bobina, el camino magnético se divide en muchas formas finas de acero prensado llamadas «laminaciones».

Las laminaciones utilizadas en la construcción de un transformador son tiras muy finas de metal aislado unidas entre sí para producir un núcleo sólido pero laminado como vimos anteriormente. Estas laminaciones están aisladas entre sí por una capa de barniz o papel para aumentar la resistividad efectiva del núcleo, aumentando así la resistencia global para limitar el flujo de las corrientes de Foucault.

El resultado de todo este aislamiento es que la pérdida de potencia de las corrientes de Foucault inducidas no deseadas en el núcleo se reduce en gran medida, y es por esta razón por la que el circuito de hierro magnético de cada transformador y otras máquinas electromagnéticas son todos laminados. El uso de láminas en la construcción de un transformador reduce las pérdidas por corrientes de Foucault.

Las pérdidas de energía, que aparecen en forma de calor debido tanto a la histéresis como a las corrientes de Foucault en el trayecto magnético, se conocen comúnmente como «pérdidas en el núcleo del transformador». Ya que estas pérdidas se producen en todos los materiales magnéticos como resultado de los campos magnéticos alternos. Las pérdidas en el núcleo del transformador siempre están presentes en un transformador siempre que el primario esté energizado, incluso si no hay ninguna carga conectada al devanado secundario. También estas histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas se denominan a veces «pérdidas en el hierro del transformador», ya que el flujo magnético que causa estas pérdidas es constante en todas las cargas.

Pérdidas en el cobre

Pero también hay otro tipo de pérdida de energía asociada a los transformadores llamada «pérdidas en el cobre». Las pérdidas de cobre de los transformadores se deben principalmente a la resistencia eléctrica de los devanados primario y secundario. La mayoría de las bobinas de los transformadores están hechas de hilo de cobre que tiene una resistencia en Ohms, ( Ω ). Esta resistencia se opone a las corrientes magnetizantes que fluyen a través de ellas.

Cuando se conecta una carga al devanado secundario de los transformadores, fluyen grandes corrientes eléctricas tanto en el devanado primario como en el secundario, las pérdidas de energía y potencia eléctrica ( o la I2 R ) se producen en forma de calor. Por lo general, las pérdidas de cobre varían con la corriente de carga, siendo casi nulas en vacío y máximas a plena carga, cuando el flujo de corriente es máximo.

La capacidad de VA de un transformador puede aumentarse mediante un mejor diseño y construcción del transformador para reducir estas pérdidas en el núcleo y en el cobre. Los transformadores de alta tensión y corriente requieren conductores de gran sección para ayudar a minimizar sus pérdidas de cobre. El aumento de la tasa de disipación de calor (mejor refrigeración) por aire forzado o aceite, o la mejora del aislamiento de los transformadores para que puedan soportar temperaturas más altas también puede aumentar la clasificación de VA de los transformadores.

Entonces podemos definir que un transformador ideal tiene:

• Sin bucles de histéresis ni pérdidas por histéresis → 0
• Resistencia infinita del material del núcleo que da cero pérdidas por corrientes de Foucault → 0
• Resistencia cero del devanado que da cero pérdidas de cobre I2*R → 0

En el siguiente tutorial sobre Transformadores veremos la Carga del Transformador del devanado secundario con respecto a una carga eléctrica y veremos el efecto que tiene una «carga NO-carga» y un transformador conectado con «carga ON» tiene sobre la corriente del devanado primario.