Los transformadores son dispositivos eléctricos indispensables que transmiten energía eléctrica entre circuitos mediante inducción electromagnética para modificar los niveles de voltaje con poca pérdida de energía. Su eficiencia se centra en el diseño del transformador, incluyendo el material del núcleo, las topologías de bobinado y la gestión térmica. Por eso, es necesario tener en cuenta criterios de diseño como la densidad de flujo, los requisitos de aislamiento y las características de carga. Recuerde que un diseño eficaz reduce las pérdidas, aumenta la fiabilidad y satisface exigentes estándares de rendimiento en muchas aplicaciones.

Principios básicos del funcionamiento de los transformadores

Inducción electromagnética en el diseño de transformadores

Los transformadores funcionan según la ley de inducción electromagnética de Faraday. Un flujo magnético variable en el tiempo se genera mediante corriente alterna en la bobina primaria. Este enlaza la bobina secundaria a través de un núcleo magnético compartido. Induce un voltaje proporcional a la tasa de cambio del flujo. Cabe destacar que la eficiencia de transferencia de energía depende de la alta permeabilidad del núcleo y de las bajas pérdidas por histéresis. Por ejemplo, los núcleos de acero al silicio orientados por grano ofrecen corrientes parásitas. La disminución del flujo de fuga mediante la optimización de la geometría del núcleo en el diseño del transformador mantiene la regulación de voltaje y la eficiencia.

Funciones de las bobinas primaria y secundaria en la transformación de voltaje

La potencia de entrada para un campo magnético es proporcional a la relación de espiras, y la corriente de entrada va a la bobina primaria. La bobina secundaria utiliza este campo. La salida de voltaje se escala por la relación de espiras, Vs/Vp = Ns/Np. Un transformador con 500 espiras primarias y 100 secundarias da una reducción de voltaje de 5:1. El aislamiento y el espaciado de las bobinas afectan la confiabilidad a altos voltajes. En el diseño del transformador, la alineación del devanado debe reducir la capacitancia parásita. Mejora la respuesta en frecuencia en transformadores de RF.

Tipo de transformador

1. Por función

Los transformadores ordinarios manejan la elevación o reducción de voltaje en redes eléctricas. Los transformadores especiales son transformadores rectificadores para fuentes de alimentación de CC o transformadores de hornos en calefacción industrial. Por ejemplo, los transformadores de cambio de fase gestionan el flujo de energía en redes interconectadas. El diseño del transformador necesita materiales de núcleo y sistemas de aislamiento personalizados para los requisitos de funcionamiento.

2. Por fase

Los transformadores monofásicos dominan las aplicaciones residenciales. Los transformadores trifásicos alimentan industrias y grandes redes para una mayor eficiencia y entrega de energía. Los transformadores multifásicos (de 6 o 12 fases) admiten rectificación de alta capacidad en HVDC. El diseño del transformador en sistemas multifásicos incluye la conformación del núcleo para ajustar los armónicos y la distribución del flujo magnético.

3. Por método de regulación de voltaje

Los transformadores sin carga carecen de cambiadores de tomas. Esto los hace más simples pero menos flexibles para variaciones de carga. Los transformadores con cambiador de tomas en carga ajustan el voltaje bajo carga completa. Por ejemplo, las subestaciones pueden integrar interruptores desviadores de vacío o aceite para su funcionamiento. El diseño del transformador debe acentuar un menor arco eléctrico y una mejor refrigeración para los ajustes de voltaje.

4. Por configuración de bobinado

Los transformadores de doble bobinado son habituales. Sin embargo, los modelos de triple bobinado pueden servir para la interconexión de la red. Los autotransformadores utilizan un solo devanado para el primario y el secundario para mayor compacidad. Los transformadores de múltiples devanados en las centrales eléctricas gestionan múltiples salidas de voltaje. El diseño del transformador debe cumplir con la tensión de aislamiento del devanado y 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 refrigeración y aislamiento. Son adecuados para usos de alta potencia. Los transformadores de tipo seco 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 utilizan en plataformas desérticas o marinas. El diseño del transformador debe optimizar las propiedades dieléctricas y la disipación de calor para garantizar la seguridad.

6. Por estructura del núcleo

Los transformadores de tipo núcleo tienen bobinados que rodean el núcleo para aplicaciones de alta tensión. Los diseños de tipo carcasa rodean los bobinados con el núcleo. Esto proporciona un mejor soporte mecánico y menores pérdidas. Por ejemplo, las estructuras de tipo carcasa rigen los transformadores de hornos debido a su tolerancia a fallas. El diseño del transformador debe reducir la fuga de flujo e incluir técnicas de laminación del núcleo.

Parámetros clave para el diseño del transformador

• Tensión y corriente nominales:El diseño del transformador exige la especificación de la tensión y la corriente nominales para el funcionamiento bajo carga. Los niveles de tensión muestran la clase de aislamiento y la selección del material. La corriente influye en la sección transversal del conductor y el diseño de refrigeración. Subestimarlos conlleva el riesgo de sobrecalentamiento. Sobreestimar aumenta los costes innecesariamente.
• Capacidad nominal:La capacidad nominal delimita la potencia aparente (kVA) que maneja el transformador sin sobrecalentamiento ni pérdida de eficiencia. Los diseñadores calculan la capacidad nominal utilizando la carga máxima esperada y la diversidad de carga. Sobredimensionar la capacidad nominal puede reducir la eficiencia a cargas más bajas. Por eso la optimización es clave para el costo del ciclo de vida.
• Pérdidas en transformadores:El diseño del transformador debe disminuir las pérdidas en el núcleo y 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 la eficiencia.
• Tensión de cortocircuito:La tensión de cortocircuito (porcentaje de la tensión nominal) es crítica para la tolerancia a fallas y la estabilidad del sistema. Afecta la reactancia de fuga y la regulación de tensión. Los diseñadores deben confirmar que admite la impedancia de la red y los requisitos de nivel de falla.
• Aumento de temperatura:El aumento de temperatura es el aumento de temperatura permitido del bobinado o del núcleo bajo carga. El diseño de refrigeración del transformador mejora utilizando el modelado térmico. Controlar 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 al 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, amigables, inteligentes, de baja descarga parcial, seguras y confiables, cumple plenamente con los requisitos de los usuarios.