Los transformadores elevadores y reductores utilizan los mismos principios físicos a través de la inducción electromagnética para alterar la tensión de CA en ellos, pero se encuentran en cada lado de la red eléctrica y son opuestos entre sí en cuanto a las funciones que realizan en términos de voltaje y corriente. Aunque trabajan con el mismo mecanismo, esto no significa que difieran en términos de calidad de construcción. Más bien, toda la diferencia entre ellos radica en el hecho de que un transformador tiene una bobina con más vueltas que el otro y esto determinará cómo el transformador afectará el voltaje y la corriente dependiendo del lugar de instalación y también tendrá una influencia tremenda en el precio de la máquina. Este artículo explica todas las características de los tipos de transformadores y ofrece consejos prácticos a sus compradores.
La respuesta es la siguiente: El transformador elevador está diseñado con más bobinas enrolladas en su secundario que en su primario, lo que resulta en un voltaje más alto en la salida que en la entrada. El mismo principio se aplica para reducir las pérdidas resistivas al transmitir energía a un voltaje más alto utilizando este método. Un transformador reductor tiene menos vueltas en el secundario que en el primario; por lo tanto, produce un voltaje más bajo con un aumento proporcional en la corriente de salida. Ambos tipos de transformadores se basan en la misma ecuación Vs/Vp = Ns/Np; sin embargo, con la corriente siendo inversamente proporcional. Un transformador funcionará como cualquiera de los tipos, si se instala al revés, pero los transformadores reductores pueden no siempre producir su salida nominal cuando se convierten en elevadores debido a la construcción del devanado, el aislamiento y el sistema de refrigeración relacionado con un modo específico de flujo de energía.
Cuáles son los dos tipos
Ambos dispositivos son tipos de máquinas estáticas. Cada uno tiene dos o más devanados en un núcleo magnético. El devanado primario transporta una corriente alterna y produce un flujo cambiante dentro del núcleo magnético. El flujo produce un voltaje inducido en el otro, llamado devanado secundario. Los dos devanados no están conectados eléctricamente entre sí en un transformador de dos devanados. En ambos dispositivos, no hay partes móviles.
La única característica de diseño que separa un transformador elevador de un transformador reductor es la relación de vueltas. En el caso de que el devanado secundario tenga más vueltas que el devanado primario, el voltaje inducido en el devanado secundario se vuelve más alto, y el transformador es un transformador elevador. Si las vueltas en el devanado secundario son menos que en el devanado primario, significa que su voltaje es más bajo y el transformador es un transformador reductor. Todas las demás características de un transformador se refieren a la forma en que se realiza la mencionada relación de vueltas.
Es importante decir que este es el punto exacto de un malentendido bastante extendido. El punto es que un transformador elevador no es más potente que un transformador reductor. El hecho de que un transformador elevador tenga una potencia nominal de 500 kVA no significa que sea una máquina más potente que un transformador reductor de la misma potencia.
Cómo funciona un transformador elevador
El uso de un transformador elevador significa que el suministro de electricidad se alimenta en el devanado que tiene el menor número de vueltas y la utilización se toma del devanado con un mayor número. Si el devanado primario tiene 100 vueltas y el secundario tiene 1,000, entonces la relación de vueltas da 1:10 y la tensión en el punto secundario del transformador debería ser diez veces mayor que en el punto primario, con algunas excepciones relacionadas con pérdidas y regulación.
El punto principal es el efecto sobre la corriente. Dado que un transformador no crea sino que solo transfiere potencia, si la tensión aumenta, la corriente disminuye. Por ejemplo, si un transformador elevador pasa una tensión de 10,000 voltios desde un suministro de 1,000 voltios, la corriente caerá a una décima de la corriente inicial en el devanado primario. Esta relación no es un inconveniente del transformador, sino su objetivo principal en la medida en que queda claro que una mayor tensión significa una menor corriente según la regla física general.
Por lo tanto, se puede encontrar la parte del transformador elevador en todos los sistemas de energía desde el lado de la generación de energía. El generador produce electricidad a una tensión restringida por el aislamiento o más precisamente de 11 kV a 25 kV en grandes generadores. Después de eso, el transformador elevador aumenta esta tensión al valor de transmisión requerido, que puede constituir de 275 kV a 400 kV y más. Los fundamentos de cómo se construyen estas máquinas y dónde se sitúan en una red se establecen en la construcción básica y el papel de los transformadores de distribución, que comparten los mismos principios a una escala más pequeña.
Cómo Funciona un Transformador Reductor
En un transformador reductor, el orden de los devanados se invierte, con el suministro aplicado al devanado con el mayor número de vueltas y la carga tomada del devanado con menos vueltas. En el ejemplo de un transformador reductor con una relación de 10:1, cuando se alimenta con 10,000 V, suministrará 1,000 V, mientras que la corriente de salida también aumenta con el mismo factor de 10.
Una de las razones para la existencia de transformadores de reducción de tensión es que hay una gran diferencia entre el voltaje que es eficiente para la transmisión desde el punto de generación hasta el punto de uso. Mientras que para la transmisión a larga distancia se puede emplear un voltaje de transmisión de 275 kV, ningún edificio, equipo o aparato puede conectarse realmente a un voltaje tan alto. El voltaje debe disminuirse gradualmente al nivel que es adecuado para el uso práctico. Para este propósito, puede reducirse en muchas etapas desde la transmisión hasta la subtransmisión, luego la distribución primaria y finalmente hasta el nivel que es aceptable para las instalaciones. Se pueden realizar varias transformaciones de reducción de tensión antes de que se establezca el suministro.
Ciertas características del funcionamiento de un transformador de reducción de tensión deben mencionarse. En primer lugar, si el voltaje disminuye, la corriente lleva un valor mucho más alto en el devanado de bajo voltaje que en el devanado de alto voltaje, y es por eso que el devanado de bajo voltaje debe ser más pesado que su contraparte de alto voltaje; por esta razón, es fácil reconocer el devanado de bajo voltaje del transformador. En segundo lugar, la estabilidad del voltaje se considera más importante en la salida, ya que la instalación solo es tolerable dentro de un cierto rango de voltaje. El conjunto completo de parámetros de placa de identificación y especificación, y cómo cada uno afecta el comportamiento en servicio, se explica en la interpretación de las especificaciones del transformador.
Comparación lado a lado
| Parámetro | Transformador elevador | Transformador reductor |
|---|---|---|
| Relación de vueltas | Devanados secundarios > devanados primarios | Devanados secundarios < devanados primarios |
| Voltaje | Salida mayor que entrada | Salida menor que entrada |
| Corriente | Salida menor que entrada, en proporción inversa | Salida mayor que entrada, en proporción inversa |
| Potencia | Sin cambios aparte de las pérdidas | Sin cambios aparte de las pérdidas |
| Función primaria | Aumentar el voltaje para reducir las pérdidas de transmisión | Reducir el voltaje a un nivel utilizable |
| Ubicación típica | En generación, y en puntos donde el voltaje debe ser elevado para la distribución | En subestaciones, en puntos de suministro de edificios, y en cada punto de uso |
| Pares de voltaje típicos | 11-25 kV a 132-400 kV | 132-400 kV a 11-33 kV, luego a 400 V o 230 V |
| Devanado más pesado | Secundario (alto voltaje), aunque la aislación domina | Secundario (bajo voltaje), porque la corriente es mayor |
| Énfasis en la aislación | Pesado — el devanado de alto voltaje impulsa el diseño y los despejes | Moderado en el lado alto, mínimo en el lado bajo |
| Costo relativo típico a MVA igual | Mayor, debido a los requisitos de aislación y despeje | Menor para la misma potencia aparente nominal |
| Eficiencia | Muy alto, típicamente 98-99% en grandes calificaciones | Muy alto, típicamente 97-99% dependiendo del tamaño |
| Reversible en principio | Sí, si se retroalimenta dentro de los límites de diseño | Sí, si se retroalimenta dentro de los límites de diseño |
Una fila requiere algo de elaboración porque sorprende a los clientes. Si ambos tipos de transformadores manejan la misma potencia, ¿por qué un transformador elevador es más caro que su contraparte? La respuesta está en el sistema de aislamiento. Un transformador diseñado con un secundario de alta tensión debe manejar la tensión en el aislamiento de los devanados, los terminales, las separaciones a tierra y la resistencia a los impulsos. Estos requisitos dependen de la tensión más que de la potencia. Así, un transformador elevador de 50 MVA 11 kV/132 kV sería generalmente grande y con mejor aislamiento y más caro que un transformador reductor de 50 MVA 132 kV/11 kV aunque ambas unidades puedan parecer similares en especificaciones.
Cómo se diferencian físicamente
La apariencia externa de un transformador elevador y un transformador reductor con las mismas especificaciones puede ser confusa debido a la construcción similar. Y aun así, hay ciertas características que el transformador tiene que ayudan a determinar su tipo.
- Altura y tamaño del buje. Gracias al devanado de alta tensión, el diseño del buje es diferente. Con esto en mente, es fácil identificar qué lado se utiliza para la transmisión de alta tensión. En un transformador elevador, ese sería el devanado secundario, mientras que en un transformador reductor, sería el primario.
- Sección transversal del conductor del devanado. Si hay una oportunidad para hacer una verificación visual, es posible decir si el devanado pertenece a un transformador elevador o a un transformador reductor por el grosor de los conductores.
- Disposición de enfriamiento. En el caso de las unidades más grandes de ambas especulaciones, hay radiadores, ventiladores o bombas para proporcionar aceite para el enfriamiento, pero no es una característica distintiva para ambos tipos, ya que la clase de enfriamiento se indica en la placa de características.
- Tomacorrientes utilizados en el devanado. El cambiador de tomacorrientes generalmente se instala en el devanado de alta tensión, ya que esta construcción permite un ajuste fino del transformador para el mismo número de vueltas en el devanado.
En todos los casos, la placa de características resulta ser de gran ayuda para decidir qué tipo de transformador está disponible.
Dónde se utiliza cada uno
Los dos tipos ocupan extremos opuestos de una cadena por la que pasa cada unidad de electricidad.
| Etapa | Rol del transformador | Clasificación típica |
|---|---|---|
| Generación | El transformador elevador de generador aumenta la tensión de la máquina al nivel de transmisión | 50-1,000 MVA |
| Transmisión | Elevador y reductor en puntos de interconexión entre niveles de tensión | 100-1,000 MVA |
| Subtransmisión | Reductor de tensión de transmisión a subtransmisión | 20-200 MVA |
| Distribución primaria | Reductor de tensión de subtransmisión a distribución | 5-50 MVA |
| Subestación de distribución | Reductor de tensión a la tensión de utilización para un área o un gran sitio | 5-5 MVA |
| Punto de uso | Reductor de tensión a la tensión de operación de la instalación, o elevador local para una máquina específica | 025-2.5 MVA |
| Uso local especializado | Elevador para un proceso específico o requisito de prueba, como precipitadores electrostáticos o bancos de pruebas | Varía ampliamente |
Se puede inferir de las últimas dos filas que ambas formas de transformaciones pueden ocurrir en la misma instalación industrial. Una fábrica puede recibir electricidad a través del transformador reductor y luego puede tener un pequeño transformador elevador para utilizarla en un proceso específico como precipitadores electrostáticos o conjuntos de pruebas dieléctricas, o equipos especiales que requieren una tensión más alta que la que se suministra a través de la distribución. La dirección de la transformación depende de las necesidades y no del lugar donde se encuentra; así, el problema de dimensionamiento debe resolverse en función de los requisitos en términos de tensión y potencia. Hacer bien esa aritmética es un requisito previo para especificar cualquier cosa correctamente, y el método se establece en el enfoque para el dimensionamiento de transformadores y el cálculo de carga.
Tipos y Configuraciones
La familia de construcción de los transformadores no coincide con la dirección de transformación, ya que tanto los transformadores elevadores como los transformadores reductores pertenecen a la misma familia de construcción.
- Monofásico. Compuesto por dos devanados en un núcleo, ampliamente utilizado para el suministro y distribución de hogares y equipos pequeños, comúnmente utilizado para capacidades más pequeñas.
- Trifásico. Consistente en tres transformadores monofásicos, o un transformador trifásico que tiene tres devanados en el mismo núcleo. El segundo diseño favorece la mayoría de las construcciones de transformadores debido a su capacidad inherente para alimentar transformadores de muy alta potencia y en proporcionar instalación con otros parámetros relacionados con el funcionamiento del transformador.
- Autotransformador. Un transformador con un solo devanado en derivación que tiene acoplamiento electromagnético de circuitos. Es la solución más rentable en comparación con un transformador de dos devanados para un propósito similar.
- Transformador de aislamiento. Un transformador con dos devanados y una relación de vueltas 1:1 diseñado para necesidades específicas de aislamiento galvánico.
- Tipos secos y llenos de aceite. Su distinción radica en el lugar donde se utilizan: el tipo seco puede trabajar en espacios cerrados y los llenos de aceite se emplean principalmente para transformadores que son lo suficientemente grandes y tienen capacidades más altas, ya que la refrigeración por aceite es más efectiva que la del aire.
- Transformadores montados en base y montados en poste, o transformadores en subestaciones. Se preocupan más por los métodos de instalación que por el principio de funcionamiento de los transformadores.
Para el trabajo realizado en tres fases, la forma en que se conectan los devanados —ya sea a través de delta o estrella— afecta significativamente cómo trabajan juntas las fases primaria y secundaria, junto con la presencia de un neutro y cómo se manejan las cargas desbalanceadas y los armónicos triplenos por el transformador. Un ejemplo sería una conexión delta-estrella que ofrece un neutro en la secundaria y bloquea la corriente de secuencia cero de pasar a través de ella. Las implicaciones prácticas de cada combinación son lo suficientemente significativas como para impulsar la especificación, y un ejemplo representativo de cómo se presenta una unidad trifásica para adquisición es el nuestra gama de transformadores trifásicos, donde la relación de voltaje, el grupo de conexión, la impedancia y la clase de refrigeración aparecen juntas porque deben seleccionarse juntas.
Precios y factores de costo
La fijación de precios de los transformadores está condicionada por factores similares en la dirección opuesta, donde la dirección de la unidad instalada no importa tanto como la clase de voltaje o la clasificación de voltaje.
| Factor de costo | Efecto en el precio | Por qué |
|---|---|---|
| Potencia nominal (kVA o MVA) | Factor dominante; el precio aumenta más rápido que la clasificación | Más acero en el núcleo, más cobre, más aceite, tanque más grande |
| Clase de voltaje | Factor principal, especialmente en el lado de alta tensión | Los costos de aislamiento, separaciones y bujes escalan abruptamente con el voltaje |
| Clase de refrigeración (ONAN, ONAF, OFAF) | Moderado | Radiadores, ventiladores y bombas añaden costo pero aumentan la clasificación utilizable |
| Especificación de impedancia | Moderado | La baja impedancia cuesta más en material; afecta el nivel de falla y la regulación |
| Cambiador de tomas (fuera de circuito o en carga) | Significativo para en carga | Los cambiadores de tomas bajo carga son mecanismos complejos con sus propios controles |
| Especificación de pérdidas | Significativo | Los diseños de baja pérdida utilizan más material activo para reducir el costo operativo |
| Grupo de conexión y disposición del neutro | Menor a moderado | Afecta la configuración del devanado y cualquier buje neutro |
Para el comprador, los factores clave son que al comparar ofertas de precios de múltiples proveedores, se debe tener en cuenta una especificación del producto, ya que, después de todo, un precio barato a menudo se traduce en una clase de voltaje más barata, un pequeño margen de enfriamiento o mayores pérdidas que en un buen trato; y que el precio del producto es solo una parte del costo total, ya que las pérdidas se pagan durante toda la vida útil del producto. Conciliar el costo de capital con el costo de energía a lo largo de la vida útil es el ejercicio central en la adquisición de transformadores, y los rangos de precios realistas para cada clasificación y clase se establecen en la estructura de costos para transformadores eléctricos.
¿Se puede usar un transformador reductor como un transformador elevador?
En teoría, es posible. Un transformador es un dispositivo reversible y dirigir la alimentación hacia lo que se llama su secundario significará que el voltaje en lo que se llama primario será más alto de lo esperado. En algunas ocasiones, esto se hace a propósito en caso de emergencia.
Sin embargo, en realidad, los siguientes cuatro puntos definen la razón por la cual esta es una mala idea a menos que se haga como parte de una elección de ingeniería racional. Por lo general, se instalan en el devanado de alta tensión, lo que implica que la alimentación inversa del transformador los situará en lugares inadecuados para el ajuste de voltaje. El aislamiento y las distancias se hicieron con la suposición de que la alta tensión aparecerá en un cierto devanado, pero la alimentación inversa puede exponer esta tensión a una disposición de cableado no conveniente para ella. Los parámetros para el enfriamiento y las clasificaciones de corriente se establecieron con una cierta distribución de corriente a través de los devanados asumida, que ahora cambiará cuando el flujo de potencia se invierta. El sistema de protección y puesta a tierra que normalmente se diseñaría para una dirección particular del flujo de potencia no será adecuado para el flujo inverso tampoco.
Para resumir, la inversión es teóricamente posible de hacer, puede ser apropiada en ciertas situaciones, pero es mejor aclararla con el fabricante en lugar de asumirla. Si se requiere ambas direcciones en el sitio, usar un transformador correctamente seleccionado para el trabajo sería un enfoque mucho más inteligente que comprometerse usando cualquier transformador que uno tenga a mano.
Cómo saber cuál tienes
Cuatro pruebas en un orden de fiabilidad.
- Verifica la placa de características. Indica el voltaje nominal de cada devanado según lo identificado por las marcas de terminales, así como la potencia nominal, tipo de grupo de conexión, impedancia y la clase de enfriamiento. Esta es la prueba más precisa y se puede realizar en segundos. Si no es posible identificar la placa de características debido a su ilegibilidad o ausencia, entonces otras pruebas se convertirán en solo aproximaciones.
- La siguiente prueba consiste en hacer una comparación de los terminales y la separación. El lado de alta tensión se identifica por el lado donde los terminales son más grandes y la separación y el espacio hacia la tierra son más amplios.
- Verifique el tamaño de los conductores siempre que sea posible verlo. El conductor más pesado pertenece al devanado con la corriente más alta y el voltaje más bajo.
- Rastrear la conexión. Siga la línea de suministro para averiguar cuál devanado es el primario y compárelo con el voltaje nominal del devanado que se está investigando.
Hay dos observaciones sobre la identificación en el campo. Si un transformador tiene una relación de 1:1, por ejemplo, que es el transformador de aislamiento, no aumenta ni disminuye el voltaje y un intento de identificar el transformador por la dirección solo dará un resultado incorrecto. Además, un transformador que tiene muchos tomas puede conectarse de tal manera que cambie su relación nominal. Así, lo que se muestra en la placa puede no reflejar la situación real.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre transformadores elevadores y transformadores reductores?
La diferenciación reside en el número de bobinas en el devanado. Un transformador elevador tiene un mayor número de bobinas en el devanado secundario, por lo que el voltaje de salida es mayor que el de entrada, así como la corriente es menor proporcionalmente. El propósito del transformador elevador es aumentar el nivel de voltaje para garantizar la eficiencia de la transmisión de energía. Mientras tanto, un transformador reductor disminuye el número de bobinas en su devanado secundario, lo que lleva a la disminución del voltaje y al aumento de la corriente en proporción. El transformador reductor se utiliza para bajar el voltaje a un nivel apropiado. Aunque ambos transformadores operan al mismo nivel de eficiencia, la siguiente ecuación es válida para ambos tipos de transformadores Vs/Vp = Ns/Np.
¿Cuál es la desventaja de un transformador elevador?
Hay tres desventajas que deben tenerse en cuenta. Para empezar, con la misma potencia nominal, los costos tienden a ser más altos que para los transformadores reductores, ya que el devanado de alta tensión utiliza partes aisladas y materiales de separación que están relacionados con los parámetros de voltaje en lugar de la salida de potencia. A continuación, viene el riesgo asociado con la posible falla de los sistemas de aislamiento debido a la mayor potencia de posibles fallas en el caso de utilizar equipos de alta tensión. En tercer lugar, cuando se utiliza un transformador elevador que suministra un cable largo, es necesario abordar el aumento de voltaje en los extremos del cable debido a las condiciones de carga de bajo voltaje. A pesar de que los transformadores elevadores son bastante confiables en condiciones normales, todos los factores indicados afectan el proceso de su especificación y protección.
¿Se puede utilizar un transformador reductor como un transformador elevador?
En términos de funcionalidad, el transformador puede operar en modo inverso, ya que hay situaciones en las que esto se hace en situaciones de emergencia. Sin embargo, un dispositivo que ha sido construido intencionalmente para usarse como transformador de reducción generalmente no podrá alcanzar su plena capacidad cuando esté conectado a la línea en modo inverso debido a numerosos factores, incluyendo pero no limitado a, el diseño del transformador en términos de construcción de bobinas, número de tomas en uso y disposiciones de enfriamiento. En operación inversa, las tomas generalmente permanecerán en el lado primario (alta tensión), lo cual puede considerarse inapropiado para la operación. Siempre es recomendable verificar la opción de reversibilidad con el fabricante y los dispositivos que están hechos específicamente para este propósito deben ser instalados en lugar de recompletar el que no fue hecho para operación inversa.
¿Cómo saber si es un transformador elevador o reductor?
Examine la placa de características, que proporciona la tensión nominal para cada bobina y es concluyente. En ausencia de la placa de características, compare los terminales; el lado con los terminales más grandes, mayor separación y mayor distancia de tierra se dice que es el lado de alta tensión, lo que significa que es el lado al que el transformador eleva y reduce. En casos donde los conductores son visibles, notar los tamaños de los conductores es la segunda pista; ya que el conductor más grande se utiliza para la bobina con mayor tensión y menor corriente. Luego, siga la línea de suministro para averiguar cuál de las bobinas es en realidad la primaria, ya que los transformadores con varias tomas pueden no estar siempre instalados en las configuraciones que resultan en que la relación efectiva sea la misma que en las especificaciones de la placa de características.
¿Qué transformador se utiliza en una subestación?
En ambos casos, la subestación cumple la función recíproca. En la subestación primaria, la tensión de transmisión se reduce al nivel de tensión de distribución. Por lo tanto, todos los transformadores en este tipo de subestación se llaman transformadores reductores. En una instalación de generación, la subestación cumple un propósito diferente, ya que eleva la tensión producida por el generador al nivel de tensión de transmisión utilizando un transformador elevador. En lo que respecta a las subestaciones de interconexión, pueden funcionar en ambos modos, ya que pueden contener tanto unidades elevadoras como reductoras dependiendo de la dirección en la que fluya la electricidad con mayor frecuencia y cambiar el flujo si este no cambia en los puntos de generación y demanda.
Referencias
- Comisión Electrotécnica Internacional — IEC 60076 Transformadores de Potencia
- IEEE — Conexiones de Transformadores, Regulación de Tensión y Guías de Carga
- ANSI — ANSI C57 Serie Transformadores de Potencia, Reguladores y Reactores
- NFPA — Código Eléctrico Nacional, Artículo 450 Transformadores y Cámaras de Transformadores
- Departamento de Energía de EE. UU. — Eficiencia de Transformadores y Pérdidas en el Sistema de Distribución
Conclusión
Los transformadores elevadores y reductores son dos caras de la misma moneda. La única diferencia es el número de vueltas en cada transformador. En los transformadores elevadores, el devanado secundario tiene más vueltas que el devanado primario; por lo tanto, el transformador aumenta la tensión y reduce la corriente. La transmisión de electricidad a alta tensión es mucho más efectiva que hacerlo a baja tensión, que es la razón por la cual se inventó el transformador elevador en primer lugar. El transformador reductor, por otro lado, tiene menos vueltas en el devanado secundario y reduce la tensión mientras aumenta la corriente. Básicamente, no existe un transformador que pueda conectarse a la línea de transmisión. Ambos transformadores transfieren la misma cantidad de potencia, excepto por las pérdidas involucradas, y obedecen la misma fórmula Vs/Vp=Np/Ns. Se construyen de la misma manera; lo único que los diferencia es su posición en el sistema de transmisión de energía eléctrica y eso hace que las unidades elevadoras y reductoras tengan precios diferentes. La unidad reductor puede usarse como un transformador elevador, pero su eficiencia será la más baja porque está diseñada para funcionar solo en una dirección.