¿Qué es un transformador eléctrico y cómo funciona?
Un transformador es una máquina eléctrica que, basándose en los principios de inducción electromagnética, transfiere energía de un circuito eléctrico a otro, sin cambiar la frecuencia. La transferencia se lleva a cabo con el cambio de voltaje y corriente. Un transformador aumenta o disminuye la corriente alterna cuando es necesario.
Estas máquinas ayudan a mejorar la seguridad y eficiencia de los sistemas de energía durante su distribución y regulación a través de largas distancias.
¿Qué hay dentro de un transformador eléctrico?
Los tres componentes más importantes de un transformador son el núcleo magnético, el devanado principal y el secundario.
El devanado principal es la parte que está conectada a una fuente eléctrica, de donde se produce el flujo magnético inicialmente. Estas bobinas están aisladas una de la otra, y el flujo principal se induce en el devanado principal, de donde pasa el núcleo magnético enlazándose al secundario a través de un camino de reluctancia baja.
El núcleo retransmite el flujo al devanado secundario para crear un circuito magnético que cierre el flujo; así, un camino de reluctancia baja se crea dentro del núcleo para maximizar el enlace del flujo. El devanado secundario ayuda a completar el movimiento del flujo que empieza en el primario, y usando el núcleo alcanza al secundario. Este último puede alcanzar un impulso cuando ambos devanados están enrollados en el mismo núcleo, permitiendo que los campos magnéticos creen movimiento. En todos los tipos de transformadores, el núcleo magnético se ensambla apilando láminas de acero dejando un espacio de aire mínimo requerido para asegurar la continuidad del camino magnético.
¿Cómo funciona un transformador?
Un transformador eléctrico emplea la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday para funcionar: “la tasa de cambio del enlace del flujo con respecto al tiempo es directamente proporcional al campo electromagnético inducido en una bobina o conductor”.
La base física de un transformador reside en la inducción mutua entre dos circuitos que están enlazados por un enlace magnético común. Este está equipado usualmente con dos devanados: primario y secundario. Estos comparten un núcleo magnético laminado, y la inducción mutua que tiene lugar entre estos circuitos ayuda a transferir la energía de un punto a otro.
Dependiendo de la cantidad de enlaces de flujo entre el devanado primario y secundario, habrá distintas tasas de cambio en el enlace del flujo. Para asegurar el máximo (mayor flujo pasando a través y enlazándose al devanado secundario desde el primario), un camino de reluctancia baja se crea entre los devanados. Esto permite una mejor eficiencia en el desempeño, y forma el núcleo del transformador.
La aplicación de voltaje alterno en el devanado primario crea un flujo alterno en el núcleo. Esto enlaza ambos devanados para inducir al campo electromagnético en ambos lados. El campo electromagnético en el devanado secundario origina una corriente, conocida como corriente de carga, si hay una carga conectada a la sección secundaria.
Así es como un transformador eléctrico entrega energía de corriente alterna de un circuito a otro, a través de la conversión de la energía eléctrica de un valor a otro, cambiando el nivel de voltaje, pero no la frecuencia.
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Eficiencia y pérdidas
Un transformador eléctrico no emplea partes móviles para transferir energía, lo que significa que no existe fricción ni pérdidas en el devanado. De cualquier forma, un transformador sí puede sufrir algunas pérdidas de cobre y hierro. Las primeras ocurren debido a la pérdida de calor durante la circulación de corriente alrededor de los devanados de cobre, resultando en pérdida de la energía eléctrica. Estamos hablando de la mayor pérdida en la operación de un transformador eléctrico. Por otro lado, las de hierro son causadas por el rezago de las moléculas magnéticas dentro del núcleo.
Esto sucede como respuesta a la alternancia del flujo magnético, lo que resulta en fricción, la cual a su vez produce calor, que igualmente genera pérdidas en la energía del núcleo. Esta pérdida se puede ver reducida si el núcleo está construido con aleaciones especiales de acero.
La intensidad de la pérdida de energía determina la eficiencia de un transformador eléctrico, representada en términos de pérdida de energía entre los devanados primarios y secundarios. La eficiencia resultante se calcula en términos de la tasa de salida de energía en el devanado secundario hacia la entrada de energía del primario. Idealmente, la eficiencia de un transformador eléctrico debe estar entre el 94 y 96 %.
Características principales de un transformador
Todos los transformadores comparten varias características sin importar su tipo:
- La frecuencia de energía de entrada y salida es la misma.
- Todos se rigen por las leyes de la inducción electromagnética.
- Las bobinas primarias y secundarias no cuentan con conexión eléctrica (excepto por los transformadores automáticos). La transferencia de energía se lleva a cabo por el flujo magnético.
- Las partes móviles no son requeridas para transferir energía, por lo que no existe fricción o pérdidas en el devanado como en otros dispositivos eléctricos.
Usos de un transformador eléctrico
- Disminuir o aumentar el nivel de voltaje en un circuito de corriente alterna.
- Subir o bajar el valor de un inductor o capacitor en un circuito de corriente alterna.
- Prevenir el paso de corriente continua de un circuito a otro.
- Aislar dos circuitos eléctricos.
- Intensificar el nivel de voltaje en el sitio de la generación de energía antes de que ocurra la transmisión y distribución.
- Las aplicaciones comerciales de un transformador eléctrico incluyen estaciones de bombeo, vías de ferrocarril, establecimientos industriales y comerciales, molinos, y unidades de generación de energía.
Fuente: D&F Liquidators
