Los transformadores son dispositivos eléctricos indispensables que transmiten energía eléctrica entre circuitos por inducción electromagnética para modificar los niveles de tensión con poca pérdida de energía. Su eficacia gira en torno al diseño del transformador, incluidos el material del núcleo, las topologías de los devanados y la gestión térmica. Por eso hay que tener en cuenta criterios de diseño como la densidad de flujo, los requisitos de aislamiento y las características de la carga. Recuerde que un diseño eficaz reduce las pérdidas, aumenta la fiabilidad y satisface los exigentes criterios de rendimiento de muchas aplicaciones.

Principios básicos del funcionamiento de los transformadores

Inducción electromagnética en el diseño de transformadores

Los transformadores funcionan según la ley de Faraday de inducción electromagnética. La corriente alterna genera un flujo magnético variable en el tiempo en la bobina primaria. Este flujo conecta la bobina secundaria a través de un núcleo magnético común. Induce una tensión proporcional a la velocidad de cambio del flujo. En particular, la eficacia de la transferencia de energía depende de la alta permeabilidad del núcleo y de la baja pérdida por histéresis. Por ejemplo, los núcleos de acero al silicio de grano orientado ofrecen corrientes parásitas. La reducción del flujo de fuga mediante la optimización de la geometría del núcleo en el diseño del transformador mantiene la regulación de la tensión y la eficiencia.

Funciones de las bobinas primarias y secundarias en la transformación de la tensión

La potencia de entrada de un campo magnético es proporcional a la relación de vueltas, y la corriente de entrada va a la bobina primaria. La bobina secundaria utiliza este campo. La tensión de salida es proporcional a la relación de espiras, Vs/Vp = Ns/Np. Un transformador con 500 espiras en el primario y 100 en el secundario da una reducción de tensión de 5:1. El aislamiento y la separación de las bobinas afectan a la fiabilidad a altas tensiones. En el diseño de transformadores, la alineación de las bobinas debe reducir la capacitancia parásita. Aumenta la respuesta en frecuencia de los transformadores de RF.

Tipo de transformador

1. Por función

Los transformadores ordinarios se encargan de aumentar o reducir la potencia en las redes eléctricas. Los transformadores especiales son transformadores rectificadores para fuentes de alimentación de corriente continua o transformadores de horno en calefacción industrial. Por ejemplo, los transformadores de cambio de fase gestionan el flujo de energía en redes interconectadas. El diseño de los transformadores requiere materiales de núcleo y sistemas de aislamiento adaptados a los requisitos de trabajo.

2. Por fase

Los transformadores monofásicos dominan las aplicaciones residenciales. Los transformadores trifásicos alimentan industrias y grandes redes para mejorar la eficiencia y el suministro eléctrico. Los transformadores polifásicos (6 ó 12 fases) soportan la rectificación de alta capacidad en HVDC. El diseño de los transformadores en sistemas polifásicos incluye la conformación del núcleo para ajustar los armónicos y la distribución del flujo magnético.

3. Por método de regulación de tensión

Los transformadores en vacío carecen de cambiadores de tomas. Esto los hace más sencillos pero menos flexibles a las variaciones de carga. Los transformadores con cambio de tomas en carga ajustan la tensión a plena carga. Por ejemplo, las subestaciones pueden integrar interruptores desviadores de vacío o aceite para su funcionamiento. El diseño del transformador debe acentuar un arco menor y una mejor refrigeración para los ajustes de tensión.

4. Por configuración de bobinado

Los transformadores de doble devanado son habituales. Sin embargo, los modelos de triple devanado pueden servir para la interconexión a la red. Los autotransformadores utilizan un solo devanado para el primario y el secundario para ser más compactos. Los transformadores multibobinado de las centrales eléctricas gestionan múltiples salidas de tensión. El diseño del transformador debe responder a la tensión de aislamiento del devanado y a las fuerzas de cortocircuito con estabilidad térmica.

5. Por método de aislamiento y refrigeración

Los transformadores sumergidos en aceite utilizan aceites minerales o sintéticos para la refrigeración y el aislamiento. Son adecuados para usos de alta potencia. Los transformadores secos utilizan refrigeración por aire y aislamiento de resina epoxi para edificios. Los transformadores con aislamiento de gas (a base de SF₆) son compactos y se adaptan a plataformas desérticas o marinas. El diseño del transformador debe optimizar las propiedades dieléctricas y la disipación del calor para mayor seguridad.

6. Por estructura central

Los transformadores con núcleo tienen bobinados que rodean el núcleo para aplicaciones de alta tensión. Los diseños de tipo carcasa rodean los devanados con el núcleo. Ofrecen un mejor soporte mecánico y menores pérdidas. Por ejemplo, las estructuras tipo concha rigen los transformadores de horno debido a su tolerancia a los fallos. El diseño del transformador debe reducir las fugas de flujo e incluir técnicas de laminación del núcleo.

Parámetros clave para el diseño de transformadores

• Tensión e intensidad nominales: El diseño del transformador exige la especificación de la tensión e intensidad nominales para el funcionamiento bajo carga. Los niveles de tensión indican la clase de aislamiento y la selección del material. La corriente influye en la sección del conductor y el diseño de la refrigeración. Si se subestiman, se corre el riesgo de sobrecalentamiento. Si se sobredimensionan, aumentan los costes innecesariamente.
• Capacidad nominal: La capacidad nominal indica la potencia aparente (kVA) que puede manejar el transformador sin sobrecalentamiento ni pérdida de eficiencia. Los diseñadores calculan la capacidad nominal utilizando la carga máxima prevista y la diversidad de carga. Un diseño excesivo de la capacidad nominal puede reducir el rendimiento con cargas más bajas. Por eso la optimización es clave para el coste del ciclo de vida.
• Pérdidas en los transformadores: El diseño del transformador debe reducir las pérdidas en el núcleo y en el cobre. Las pérdidas en el núcleo dependen del material y la frecuencia, y las pérdidas en el cobre dependen de la resistencia del bobinado. Elija entre materiales de núcleo de primera calidad y tamaño de conductor para obtener eficiencia.
• Short-Circuit Voltage: La tensión de cortocircuito (porcentaje de la tensión nominal) es fundamental para la tolerancia a fallos y la estabilidad del sistema. Afecta a la reactancia de fuga y a la regulación de la tensión. Los diseñadores deben confirmar que cumple los requisitos de impedancia de la red y de nivel de fallo.
• Aumento de temperatura: El aumento de temperatura es el incremento permitido de la temperatura del devanado o del núcleo bajo carga. La refrigeración del diseño del transformador mejora con el modelado térmico. El control de estos factores aumenta la durabilidad del aislamiento y el cumplimiento de la clase térmica.

Conclusión

Al conocer los principios y parámetros clave, las empresas y los consumidores pueden tomar decisiones informadas a la hora de elegir un transformador. En este campo, adoptando un diseño eficaz, el transformador de potencia CHINT está equipado con una red inteligente. Con características de protección ambiental, amigable, inteligente, baja descarga parcial, seguro y fiable, cumple plenamente los requisitos de los usuarios.