TRANSFORMADORES
Introducción
El transformador o trafo es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de inducción electromagnética. Este fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831 y está basado fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida. Un transformador está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.
Entre las funciones de los transformadores se encuentran:
• Adaptar la tensión de la red de suministro a las necesidades de los dispositivos eléctricos.
• Reducir las pérdidas producidas en las líneas de transporte (conductores con impedancia provocan perdidas que se manifiestan en forma de calor).
En los siguientes apartados haremos un breve resumen de las partes de los transformadores así como un análisis de su funcionamiento.
Subir
Excitación
La excitación o alimentación no es más que la fuente de corriente con la cual se genera el flujo del circuito. Esta fuente de suministro puede ser de muchos tipos dependiendo de la utilidad del dispositivo. Por lo general se utiliza corriente alterna aunque en algunos casos también la continúa.
Subir
Bobinado
El bobinado rodea el núcleo, tiene forma de solenoide y somete al núcleo a un campo magnético, constante en toda su sección, en una dirección que dependerá de la corriente. Es importante en el bobinado el número de espiras N que determinará la relación de transformación del transformador como se verá en los siguientes apartados.
Figura 1
Un transformador consta de al menos dos bobinados. Uno de ellos, denominado devanado primario, es el que se conecta a la red de suministro. El otro denominado devanado secundario es el que alimenta a los dispositivos. Un transformador es reversible, es decir, el devanado secundario puede conectarse a la red de suministro, pasando a ser el devanado primario y el primerio el secundario.
Subir
Núcleo
El núcleo está diseñado para transportar el flujo creado por la corriente del devanado primario al secundario. Suele estar fabricado con materiales ferromagnéticos que tienen una permeabilidad mucho más alta que el aire o el espacio y por tanto, el campo magnético tiende a quedarse dentro del material. Suele fabricarse con “chapas” para reducir las pérdidas por Foucault.
Figura 2
A la hora de escoger o calcular el núcleo como se verá es importante tanto la sección S como la longitud l.
Subir
Fuerza electromotriz 
La fuerza magneto motriz (F.m.m) es aquella capaz de producir un flujo magnético entre dos puntos de un circuito magnético. La f.m.m se puede deducir de la ley de Ampere expresada en la siguiente ecuación .
 (1)
Donde N es el número de vueltas de la bobina o devanado que alimenta el núcleo, e i la intensidad que circula por dicho devanado.
Sus unidades son Amperios · vuelta (A·v).
Si consideramos el campo constante a lo largo de toda la longitud del circuito:
 (2)
Donde F es el flujo en el núcleo, y  la reluctancia del núcleo. Subir
Reluctancia
La reluctancia magnética de un material, es la resistencia que éste posee al verse influenciado por un campo magnético.
Depende de las características del material, en el caso que nos concierne, del material del núcleo y de su forma. La reluctancia de un circuito magnético viene dada por la siguiente ecuación .
 (3)
Donde l es la longitud del núcleo,  la permeabilidad del material, y S la superficie, perpendicular al flujo, del núcleo. El acoplamiento de la reluctancia en serie y/o paralelo en un núcleo, es idéntico al del acoplamiento de resistencias en un circuito eléctrico.
Si no se tiene acceso a los valores del núcleo también se puede calcular mediante la Ecuación 4.
 (4)
Donde  es la fuerza magneto motriz,  es el flujo en el núcleo, i la corriente en el bobinado de excitación y N el numero de espiras de dicho bobinado.
Subir
Inducción magnética
La intensidad del campo magnético, a veces denominada inducción magnética, se representa por la letra B y es un vector tal que en cada punto coincide en dirección y sentido con los de la línea de fuerza magnética correspondiente. Se puede definir como el número de líneas de flujo por unidad de superficie que existen en el circuito magnético perpendiculares a la dirección del campo.  (5)
Donde es la permeabilidad del núcleo o material en el cual esta aplicado el campo, H es la excitación magnética, S la superficie, perpendicular al flujo, del núcleo y el flujo en el núcleo magnético.
La unidad de la inducción es el Tesla (T).
Subir
Excitación magnética H
Causa imanadora o excitación magnética por unidad de longitud del circuito magnético. Para su cálculo partiremos de la ley de ampere que establece que la circulación del vector H a través de un camino cerrado es igual al sumatorio de las corrientes que encierra dicha curva. En el caso de un circuito magnético tenemos la Ecuación 6 .  (6)
Si consideramos el campo constante a lo largo de todo el circuito tenemos:
 (7)
Donde l es la longitud del circuito magnético, i la intensidad que circula por la bobina y N el número de espiras de dicha bobina.
Las unidades de la excitación magnética son el amperio-vuelta por metro (A·v/m).
Subir
Intensidad i
Es la intensidad que recorre los devanados del transformador.La intensidad del devanado primario la aporta la fuente de alimentación. Es la encargada de generar el campo magnético que origina el flujo en el núcleo del circuito. La intensidad del secundario la origina el flujo variable del núcleo como se verá en el apartado de funcionamiento del transformador.
Las unidades de la intensidad son el Amperio (A). Subir
Flujo
Es el producto vectorial de la inducción o campo generado por el devanado primario y el vector superficie del núcleo:  (8)
Este flujo, en su mayoría queda confinado en el núcleo del transformador.
Se denomina flujo disperso o simplemente dispersión Fd al flujo que no queda confinado en el núcleo del circuito magnético, es decir, aquel flujo que en lugar de cerrarse por el núcleo se cierra por el aire.
Aunque para cálculos exactos es necesario tenerlo en cuenta, para muchos cálculos se desprecia dicho flujo.
En el Sistema Internacional, se mide en Weber (Wb). 1 Wb = 1 T·m2
Subir
Superficie S
Figura 3
Es la superficie del núcleo perpendicular al campo generado por la bobina. Se mide en m 2 .En ocasiones es necesario su cálculo para dimensionar el núcleo de las maquinas, para ello se emplea la Ecuación 9 .
 (9)
En ocasiones se dan los parámetros de forma del núcleo, en este caso el cálculo de la superficie se hará teniendo en cuenta estos parámetros. Subir
Longitud del circuito l
Figura 4
Es la longitud total del recorrido del campo, depende de la forma del núcleo al igual que la superficie, pero, si no nos dan los valores geométricos del núcleo podemos emplear la Ecuación 10
 (10)
Subir
Numero de espiras N1 y N2
Es el número de vueltas que tiene el devanado primario (N1) y el secundario (N2).
Figura 5.
Subir
Relación de transformación m
Es la relación existente entre el número de espiras del devanado primario y el secundario:
 (11)
Esta relación determina a su vez la relación entre las corrientes y tensiones del devanado primario y el secundario Ecuación 12.
 (12)
Subir
Funcionamiento
Se ha visto en las leyes del electromagnetismo que un flujo variable puede inducir una corriente en un conductor. También se ha visto que una corriente variable crea un flujo variable.
Un transformador no es más que una máquina o dispositivo electromagnético que utiliza estas propiedades del flujo y las corrientes para convertir la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión.
Su funcionamiento es el siguiente, sobre un núcleo como el de la Figura 6 se enrollan dos devanados (uno primario y otro secundario), al suministrar una tensión variable sobre uno de ellos, el primario, se originara en el interior del bobinado un campo magnético y como consecuencia de este, un flujo también variable que, dada la alta permeabilidad del núcleo, quedará encauzado en el mismo (salvo una pequeña parte llamada flujo disperso que se cerrará por el aire, y que en este caso se desprecia considerándolo un transformador ideal, es decir, sin pérdidas). 
Figura 6
Este flujo variable recorre el núcleo pasando por el interior del devanado secundario y cerrándose otra vez por el interior del primario. En su paso por el devanado secundario este flujo induce una tensión en el devanado secundario que viene dada por la Ecuación 13.
 (13)
Un t ransformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado.
Si se supone que el transformador es ideal. (La potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, es decir, se desprecian las pérdidas por calor y otras), entonces:
Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps) (14)
Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un transformador, se puede averiguar su potencia usando la siguiente fórmula:
P = V x I (W) (15)
La única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa. Entonces:
 (16)
Que no es más que la relación de transformación m.
Así, por ejemplo para conocer la corriente en el secundario (Is) se utiliza siguiente fórmula:
 (17)
Subir
|
