¿Cómo reduce un transformador de potencia el voltaje?

Esta es una de esas preguntas que suena casi demasiado básica, hasta que te paras frente a un transformador y te preguntas por qué los números no coinciden con la placa de identificación. Llevo años suministrando transformadores de potencia y todavía encuentro valioso volver a los primeros principios. Porque cuando comprendes cómo funciona realmente la reducción, dejas de cometer errores que cuestan tiempo y dinero.

Repasemos esto.

Principios básicos: lo que realmente está sucediendo en el interior

Un transformador reduce el voltaje mediante inducción electromagnética. Esa es la respuesta del libro de texto y es correcta. Pero esto es lo que los libros de texto no siempre enfatizan: el transformador no "crea" ni "consume" energía en ningún sentido significativo. Transforma el voltaje y la corriente manteniendo la potencia del producto aproximadamente constante, menos las pérdidas.

El principio básico es simple. Una corriente alterna en el devanado primario crea un campo magnético que cambia continuamente en el núcleo. Ese campo cambiante se vincula al devanado secundario e induce un voltaje. La relación entre el voltaje primario y el voltaje secundario está determinada por la relación de vueltas en los dos devanados.

Esa es la física. La ingeniería está en los detalles.

La proporción de turnos: donde sucede la magia

La relación es sencilla:

Vp/Vs = Np/Ns

Para un transformador reductor, el secundario tiene menos vueltas que el primario. Si el primario tiene 1000 vueltas y el secundario tiene 100 vueltas, el voltaje disminuye en un factor de 10. Una entrada de 1000 V da una salida de 100 V.

Pero esto es lo que veo que se malinterpreta con mayor frecuencia: la relación de vueltas no es algo que puedas cambiar arbitrariamente en el campo. Está solucionado por el diseño del transformador. Cuando se compra un transformador con una tensión nominal específica, digamos de 13,8 kV a 480 V, esa relación está integrada en la unidad. No es posible ajustarlo excepto a través de cambiadores de tomas, que proporcionan pequeñas variaciones porcentuales para tener en cuenta las condiciones del sistema.

Lo que realmente disminuye: los componentes en acción

1. Núcleo de hierro. Esto no es sólo un trozo de metal. Es un conjunto cuidadosamente diseñado de laminaciones de acero al silicio de grano orientado, cada una recubierta con una capa aislante. Las laminaciones son necesarias porque un núcleo sólido actuaría como una espira en cortocircuito, con corrientes circulantes masivas -corrientes parásitas- que sobrecalentarían y destruirían el transformador. Las finas laminaciones interrumpen esos caminos actuales. La función del núcleo es proporcionar un camino de baja reluctancia para el flujo magnético, concentrándolo de modo que enlace ambos devanados de manera eficiente.
2. Los devanados. En un transformador reductor, el devanado primario está conectado al voltaje más alto. Debido a que el voltaje es mayor, la corriente es menor para la misma potencia. Esto significa que el conductor primario puede tener una sección transversal más pequeña que el conductor secundario. El secundario, que transporta mayor corriente a menor voltaje, necesita conductores más grandes, a menudo múltiples hilos en paralelo o incluso devanados de láminas para corrientes muy altas.

   Esto no es sólo teoría. He visto a técnicos abrir un transformador defectuoso e identificar inmediatamente qué devanado falló según el tamaño del conductor. El secundario es siempre el más fornido.

3. Aislamiento. La diferencia de voltaje entre los devanados y entre los devanados y tierra puede ser sustancial. Los sistemas de aislamiento están diseñados para soportar esas tensiones de forma continua además de las sobretensiones transitorias provocadas por conmutación y rayos. El papel, el cartón prensado, el epoxi y el aceite trabajan juntos para mantener el voltaje al que pertenece.

Cómo se desarrolla el paso hacia abajo en aplicaciones reales

Los transformadores reductores se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde electrodomésticos hasta distribución de energía industrial.

1. Servicio Residencial.El transformador de polo fuera de una casa reduce el voltaje de distribución (generalmente 7,2 kV o 14,4 kV) a 120/240 V para uso doméstico. Ese transformador tiene un primario con muchas vueltas de cable relativamente fino y un secundario con menos vueltas de cable mucho más pesado para manejar la alta corriente cuando todos los electrodomésticos de la casa están funcionando.
2. Energía industrial.Una gran planta de fabricación podría entrar en servicio a 13,8 kV y reducirse a 480 V para los centros de control de motores. El transformador reductor aquí no es solo un cambiador de voltaje. También proporciona una referencia a tierra del sistema a través de su configuración de devanado: generalmente primario en delta, secundario en estrella con el neutro conectado a tierra.
3. Integración Renovable.En una granja solar, el inversor genera un voltaje de 480 V o 690 V. Un transformador elevador (tenga en cuenta la dirección) lo eleva a 34,5 kV para la recolección. Pero dentro de la planta, transformadores reductores más pequeños suministran cargas auxiliares: iluminación, controles, refrigeración. Esas son unidades reductoras que hacen el mismo trabajo que el transformador de polo, solo que a diferentes escalas.

Conceptos erróneos comunes con los que me encuentro

"El transformador reduce el voltaje, por lo que debe reducir la potencia". No. La potencia entrante es igual a la potencia saliente menos las pérdidas. Si el voltaje baja, la corriente aumenta proporcionalmente.

"Una relación de vueltas más alta significa un mejor transformador". No. La proporción está determinada por lo que necesita la aplicación. Un transformador de 13,8 kV a 120 V tiene una relación mucho mayor que una unidad de 13,8 kV a 4160 V. Ninguno de los dos es "mejor": solo son para trabajos diferentes.

"Los grifos me permiten cambiar el voltaje a lo que quiera". No precisamente. Los grifos normalmente proporcionan ajustes de ±2,5% o ±5%, no cambios importantes en la proporción. Son para realizar ajustes, no para reutilizar el transformador para una clase de voltaje diferente.

Por qué los tipos de transformadores son importantes para las aplicaciones reductoras

1. Transformadores montados en postesson los caballos de batalla de la distribución residencial. Están llenos de aceite, autoenfriados y diseñados para un mantenimiento mínimo. Su relación de reducción está fijada por el voltaje del sistema de la empresa de servicios públicos y los requisitos de servicio del cliente.
2. Transformadores tipo pedestalatender cargas comerciales e industriales ligeras. También están llenos de aceite, pero en una carcasa a prueba de manipulaciones adecuada para instalación a nivel del suelo. La función de reducción es la misma, pero la construcción incluye características para la terminación de cables subterráneos.
3. Transformadores de resina fundidase utilizan en interiores o en ambientes sensibles. Los devanados están moldeados al vacío en epoxi, lo que elimina la necesidad de aceite. Son comunes en edificios donde los códigos contra incendios restringen los equipos llenos de líquido. La relación de reducción está integrada en el casting; no puede cambiarla, pero tampoco es necesario mantenerla.

Eficiencia: lo que se pierde en el proceso

Ningún transformador es 100% eficiente. Las pérdidas se dividen en dos categorías.

1. Pérdidas centralesEsto sucede cada vez que el transformador está energizado, independientemente de la carga. El campo magnético alterno hace circular constantemente el material del núcleo, y cada ciclo cuesta una pequeña cantidad de energía. Un mejor núcleo de acero y densidades de flujo optimizadas reducen esto.

   Pérdidas de bobinadodepende de la carga. La corriente a través de la resistencia de los conductores genera pérdidas de calor-I²R. En un transformador reductor, el secundario transporta mayor corriente, por lo que su contribución a las pérdidas del devanado es mayor. Por eso los conductores secundarios tienen un tamaño generoso.

Los transformadores modernos alcanzan eficiencias superiores al 98% a plena carga. Las pérdidas son pequeñas pero no nulas y se acumulan con el tiempo. Por eso las especificaciones de eficiencia son importantes en instalaciones grandes.

Lo que les digo a los clientes sobre los transformadores reductores

Si está especificando un transformador reductor, esto es en lo que quiero que piense:

Primero, conozca sus voltajes exactamente. Ingrese el máximo, la producción requerida y cualquier variación que necesite acomodar. Eso determina la relación y el rango de toma.

En segundo lugar, comprenda su carga. ¿Es continuo? ¿Tiene armónicos? ¿Corrientes de arranque? La impedancia y la construcción del transformador deben coincidir con lo que alimentará.

En tercer lugar, piense en dónde vive. ¿Interior o exterior? ¿Ventilado o sellado? ¿Aceite o resina fundida? El entorno determina el cerramiento y el sistema de aislamiento.

El principio de reducción es simple. Aplicarlo correctamente requiere atención a los detalles.

Si está trabajando en una aplicación de transformador y desea analizar las opciones, estaré encantado de poder ayudarle. Vemos muchos proyectos y los detalles siempre importan más de lo que sugieren los catálogos.

Referencias

• IEC 60076-1, Transformadores de potencia – Parte 1: Generalidades.
• IEEE Std C57.12.00, Requisitos generales estándar para transformadores de distribución, potencia y regulación sumergidos en líquido.
• Fitzgerald, AE, Kingsley, C. y Umans, SD, Maquinaria eléctrica.