Transformador eléctrico: definición, funcionamiento y tipos

Transformador eléctrico: descubre su definición, funcionamiento y tipos. Aprende cómo convierten voltajes en redes eléctricas para transmitir y usar energía de forma segura.

Un transformador es un dispositivo que transfiere la energía eléctrica de un circuito eléctrico a otro a través de la mutua (inducción electromagnética) y sin cambio de frecuencia. Los transformadores son una parte importante de los sistemas eléctricos.

Los transformadores se fabrican en muchos tamaños diferentes, desde un transformador de acoplamiento muy pequeño dentro de un micrófono de escenario hasta grandes unidades que transportan cientos de MVA utilizadas en las redes eléctricas.

La principal razón para utilizar un transformador es convertir la energía de un nivel de tensión en energía de otro nivel de tensión. El alto voltaje es más fácil de enviar a larga distancia, pero el menor voltaje es más fácil y seguro de usar en la oficina o el hogar. Los transformadores se utilizan para aumentar o disminuir la tensión de la corriente alterna (CA) en los circuitos. El transformador suele estar construido con dos bobinas alrededor del mismo núcleo. La bobina primaria o de entrada está conectada al lado de la alimentación, mientras que la bobina secundaria suministra energía a la carga. La segunda se llama bobina de salida. La energía se transfiere del primario al secundario por electromagnetismo. En las redes eléctricas se utilizan muchos transformadores. Se trata de redes para suministrar electricidad desde el generador hasta el usuario.

Los transformadores que hay en tu barrio, en los postes de electricidad, o los que están conectados a los cables subterráneos, suelen transformar la alta tensión de 7.200 voltios en 220-240 voltios de electricidad para alimentar las luces y los electrodomésticos, como los frigoríficos, en los hogares y las empresas. Algunos países, como Estados Unidos, utilizan voltajes diferentes en los hogares, como los 120 voltios. Los transformadores no pueden aumentar la potencia, por lo que si se aumenta el voltaje, la corriente se reduce proporcionalmente. Si se baja el voltaje, la corriente aumenta proporcionalmente.

Los transformadores del interior de los equipos electrónicos proporcionan los tipos de electricidad que necesitan las distintas piezas.

Hay varios tipos básicos de transformadores:

Principio de funcionamiento

Un transformador funciona por inducción electromagnética: una corriente alterna en la bobina primaria crea un campo magnético variable en el núcleo magnético. Ese campo variable induce una tensión en la bobina secundaria. Por ello los transformadores solo funcionan con corriente alterna (CA); con corriente continua (CD) no operan como transformadores.

Relaciones fundamentales (en un transformador ideal):

• Relación de tensiones: Vp / Vs = Np / Ns, donde Vp y Vs son las tensiones en primario y secundario, y Np y Ns son el número de vueltas de cada bobina.
• Relación de corrientes: Ip / Is = Ns / Np (la corriente en el primario es inversamente proporcional al número de vueltas).
• Potencia: en el transformador ideal, Pp ≈ Ps (la potencia de entrada es igual a la de salida, despreciando pérdidas).

Componentes principales

• Núcleo magnético: suele estar hecho de láminas de acero al silicio apiladas para reducir corrientes parásitas (corrientes de Foucault). Existen núcleos en configuración en E-I, en C o toroidales.
• Bobinas o devanados: primario y secundario (y, si procede, bobinas auxiliares). Pueden ser de cobre o aluminio y aisladas con barnices, papel o compuestos modernos.
• Aislantes y aceite (en transformadores de potencia): aislamiento sólido y líquido (aceite dieléctrico) que sirve además para refrigeración.
• Tanque y accesorios: carcasa, radiadores o aletas para disipar calor, buchas para entrada/salida de conducción, relés de protección y dispositivos para gas o sobrepresión.

Tipos (más comunes y sus usos)

• Transformador de potencia: usados en centrales y subestaciones para elevar (step-up) la tensión de generación a niveles de transmisión o para reducir (step-down) en subestaciones de distribución. Su capacidad se mide en kVA o MVA.
• Transformador de distribución: ubicados en postes o subestaciones de barrio para suministrar la tensión utilizable en viviendas y comercios (ej.: 7.2 kV → 220/240 V o 120 V según país).
• Autotransformador: comparte un devanado común para primario y secundario; es más compacto y eficiente para cambios moderados de tensión, pero no proporciona aislamiento galvánico.
• Transformador de aislamiento: separación galvanica entre primario y secundario para seguridad, reducción de ruido y protección de equipos sensibles.
• Transformadores de instrumento: CT (transformadores de corriente) y PT o VT (transformadores de tensión) para medición y protecciones en sistemas eléctricos.
• Transformadores toroidales: núcleo anular continuo; son compactos, con baja fuga magnética y bajo ruido, utilizados en electrónica y fuentes de alimentación.
• Transformadores de audio y RF: diseñados para acoplar impedancias, adaptadores de línea, y para operar en bandas de alta frecuencia.
• Transformadores de pulso y de alta frecuencia: usados en electrónica de potencia, inversores y convertidores, con núcleos y diseños específicos para minimizar pérdidas a altas frecuencias.
• Transformadores trifásicos: combinan tres devanados para sistemas trifásicos; pueden ser construidos como un núcleo único o con tres núcleos separados.

Pérdidas, eficiencia y comportamiento real

• Pérdidas en el núcleo: por histéresis y corrientes de Foucault. Se minimizan con aceros especiales y láminas aisladas.
• Pérdidas en el cobre: debidas a la resistencia de los devanados (efecto Joule) y aumentan con la corriente.
• Pérdidas por corrientes parásitas y efectos de proximidad en devanados densos o a altas frecuencias.
• Pérdidas mecánicas y por ventilación: vibraciones y calor disipado por ventiladores o radiadores.

La eficiencia de los transformadores de potencia es alta (habitualmente 98–99 % bajo carga nominal), pero depende de la carga y del diseño. En cargas muy pequeñas la eficiencia baja por las pérdidas constantes del núcleo.

Refrigeración y aislamiento

Los transformadores grandes requieren sistemas de refrigeración: natural por aire (AN), aceite y radiadores (ONAN), aceite con ventiladores (ONAF), o sistemas con aislamiento por gas o líquido sintético. El aceite dieléctrico también ayuda a aislar y a detectar fallos (presence de gases disueltos por degradación).

Mantenimiento y seguridad

• Revisiones periódicas de aislamiento, nivel y estado del aceite, pruebas de relación de transformación y mediciones de temperatura.
• Protecciones eléctricas: relés de sobrecorriente, relés de buchholz (en transformadores con aceite), pararrayos y seccionadores.
• Medidas de seguridad: puesta a tierra, señalización, distancias de seguridad y procedimientos de maniobra para evitar contactos peligrosos.
• Los transformadores pueden incendiar por fallos del aislamiento o sobrecalentamiento; por eso los grandes tienen sistemas de protección contra incendios y contención de aceite.

Aplicaciones típicas

• Transmisión y distribución de energía eléctrica desde centrales hasta consumidores.
• Fuentes de alimentación en equipos electrónicos (adaptación de tensiones y aislamiento).
• Medición y protección en redes eléctricas mediante CT y PT.
• Adaptación de impedancias en audio, telecomunicaciones y radiofrecuencia.
• Sistemas de energías renovables y convertidores en electrónica de potencia.

Consejos prácticos y selección

• Elegir según tensión nominal, corriente o potencia aparente (kVA), frecuencia (50/60 Hz) y tipo de servicio (continua, intermitente).
• Verificar la clase de aislamiento, derating por temperatura ambiente y requisitos de refrigeración.
• En aplicaciones sensibles, preferir transformadores de aislamiento para reducir interferencias y riesgos de falla en cascada.

Normativa y pruebas

Los transformadores deben cumplir normas internacionales y locales (como IEC, IEEE, ANSI u otras) que especifican ensayos de tipo y de rutina: prueba de relación de transformación, ensayo dieléctrico, medición de pérdidas, resistencia de aislamiento, prueba de relación y polaridad, y pruebas de respuesta térmica.

En resumen, el transformador es un componente esencial en la gestión de la energía eléctrica: permite adaptar tensiones, proteger y aislar circuitos, y optimizar el transporte de energía a lo largo de redes desde la generación hasta el usuario final.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es un transformador?

P: ¿Cuál es la razón principal para utilizar un transformador?

P: ¿Cómo transfieren energía los transformadores?

P: ¿Dónde se utilizan los transformadores en las redes eléctricas?

P: ¿Cómo ajusta un transformador los niveles de tensión para los hogares y las empresas?

P: ¿Pueden los transformadores aumentar la potencia?

P: ¿Cuáles son algunos tipos básicos de transformadores?

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