Un ingeniero de mantenimiento técnico de una acería de tamaño mediano se puso en contacto con nosotros la primavera pasada respecto a un problema sin precedentes: un transformador de distribución de 1600 kVA que funciona perfectamente cuando los voltajes en el piso de la fábrica son suficientes se reporta como una violación de los estándares operativos. La causa raíz no se encontró ni en el cambiador de tomas ni en el relé de protección; estaba oculta en el principio de funcionamiento del transformador, que es la inducción electromagnética, que permite que cualquier transformador opere. Una vez que nuestros expertos descubrieron cómo correlacionar el voltaje inducido y las vueltas, la solución, que es hacer un ajuste de relación, tomó horas. La mayor parte de los “misterios” del transformador se resuelven de manera similar: una vez que sabes qué hace la inducción, sabes qué hacer con la máquina.
En este artículo, hemos proporcionado una descripción detallada de cómo funcionan los transformadores. Descubrirás qué es la inducción electromagnética, cómo la ley de Faraday genera corriente, por qué los transformadores no tienen partes móviles y cómo esta comprensión te ayudará a tomar decisiones de compra y mantenimiento.
Respuesta corta: El principio de funcionamiento de los transformadores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética. Según la definición, una corriente eléctrica de CA que fluye en la bobina primaria crea un cambio en el campo magnético en el núcleo del transformador, lo que resulta en la inducción de corriente eléctrica en la bobina secundaria. La ley de Faraday establece que la relación de voltaje eléctrico debe ser igual a la relación de número de vueltas; en el caso de un transformador de 10 kV/0.4 kV necesitamos 25 vueltas de bobinado para crear una caída de voltaje. Vale la pena mencionar que los transformadores que cumplen con los requisitos de la norma IEC 60076 logran una eficiencia de aproximadamente 98-99.7%.
¿Qué es la inducción electromagnética en un transformador?
La inducción electromagnética es el proceso por el cual se crea una fuerza electromotriz (o voltaje) en un conductor debido a un campo magnético dinámico. En los transformadores, la inducción electromagnética ocurre dos veces durante un medio ciclo: la CA que fluye a través de la primera bobina crea el flujo magnético cambiante, que corta la segunda bobina e induce el voltaje en ella. No implica ningún movimiento mecánico; por lo tanto, el transformador causa casi ningún desgaste ya que no hay movimiento involucrado.
Este fenómeno fue descubierto en 1831 por el científico inglés Michael Faraday y se ha utilizado desde entonces en el diseño de transformadores para producir electricidad. De manera similar, dos factores controlan el voltaje inducido (secundario): el número de vueltas y la tasa de cambio del flujo. Una frecuencia más alta significa que el flujo cambia más rápido y el voltaje que induce es mayor, lo que explica por qué los núcleos de transformadores operan a frecuencias de 50 o 60 Hertz.
Cómo opera el principio de funcionamiento del transformador.
Consideremos el arreglo tradicional de dos devanados. En esta configuración, el devanado primario está conectado a la fuente de entrada mientras que el devanado secundario se conecta a la carga. El flujo de corriente alterna (CA) crea un campo magnético en el núcleo del transformador de acero silicio laminado. Dado que la naturaleza de la electricidad es alternante (cambiando), la inducción magnética del núcleo también variará constantemente, resultando en un flujo magnético que sube y baja y cambia de dirección 50 o 60 veces por segundo.
El flujo magnético alternante producido en el núcleo del transformador induce una fuerza electromotriz en los terminales del devanado secundario. Como resultado, la corriente fluirá a través de la carga conectada al devanado secundario y realizará el trabajo necesario. Así, podemos resumir el principio de funcionamiento del transformador en tres pasos:
- La corriente primaria crea un campo magnético alternante;
- El campo atraviesa el núcleo de hierro y vincula dos devanados;
- El campo cambiante induce voltaje en el devanado secundario.
| Cantidad | Lado primario | Lado secundario | Relación |
|---|---|---|---|
| Voltaje (V) | V1 | V2 | V1 / V2 = N1 / N2 |
| Vueltas (N) | N1 | N2 | Determinado en la etapa de diseño |
| Corriente (I) | I1 | I2 | I1 × V1 = I2 × V2 |
| Impedancia (Z) | Z1 | Z2 | Z1 = Z2 × (N1/N2)2 |
| Potencia (S) | Prácticamente igual en ambos lados | S1 ≈ S2 (menos pérdidas) | |
Dado que la potencia se conserva (excepto por pérdidas), aumentar el voltaje secundario disminuye automáticamente la corriente. Un transformador de 1 MVA a 0.4 kV llevará alrededor de 1,443 A en el lado de baja tensión, pero la misma potencia a 33 kV llevará solo alrededor de 17.5 A. Por lo tanto, esta relación inversa entre voltaje y corriente es la razón por la cual las empresas de servicios públicos aumentan el voltaje para la transmisión a largas distancias, ya que una corriente más baja significa menores pérdidas debido a I²R.
La Ley de Faraday y la Relación de Vueltas Explicadas
Según la ley de Faraday, establece que la fuerza electromotriz inducida es la tasa de cambios en la vinculación del flujo magnético cuya fórmula se da como E = −N × dΦ/dt. En el caso de un transformador práctico que opera con voltaje sinusoidal, la ley anterior se aplica.
V ≈ 4.44 × f × N × Φmax
Donde f es la frecuencia que es 50 o 60 Hz, N es el número de vueltas, y Φmax representa el flujo máximo del núcleo. Así, se sigue:
El voltaje está fijado por el número de vueltas. El voltaje se define para un núcleo particular automáticamente y cada vuelta recibe su propio “voltios por vuelta” fijo. Por ejemplo, un secundario recibe un voltaje igual a 400 voltios con 18 vueltas y ubicado junto al primario con 540 vueltas de tal manera que el voltaje es igual a 12 kilovoltios, lo que corresponde a la relación 30:1 requerida por las redes eléctricas.
La relación de vueltas es igual a la relación de voltaje. Un transformador opera en una relación igual a 25:1 cambiando 10 kV en 400 V. La relación se puede encontrar en su placa de identificación que dice 25:1 o 25000/400 V.
La relación de corriente resulta ser inversa. Por lo tanto, el dispositivo que trabaja con esta relación producirá 25 veces más corriente en el lado secundario en comparación con el primario cuando trabaja con la misma potencia.
Esto significa que el “transformador elevador o reductor” es en realidad el mismo dispositivo que simplemente se utiliza al revés. Un transformador generador cambia 11 kV a 220 kV, mientras que el mismo grupo de bobinado combinado con el lado secundario diferente convertirá 220 kV de nuevo a 11 kV.
Componentes del núcleo que hacen posible la inducción
| Componente | Material / Forma | Papel en la inducción |
|---|---|---|
| Núcleo | Acero silicio orientado al grano, laminaciones de 0.23–0.35 mm | Proporciona un camino magnético de baja reluctancia; la laminación reduce las pérdidas por corrientes de Foucault |
| Bobinado primario | Conductor de cobre o aluminio, aislado | Crea el flujo magnético alterno a partir de la corriente de suministro |
| Bobinado secundario | Conductor de cobre o aluminio, aislado | Intercepta el flujo y entrega voltaje inducido a la carga |
| Sistema de aislamiento | Papel kraft + aceite (inmerso en aceite) o resina epóxica (tipo seco) | Aísla eléctricamente los devanados y el núcleo; el aceite también transfiere calor |
| Cambiador de tomas | Fuera de circuito o en carga, ±5% típicamente | Ajusta la relación de vueltas efectiva para coincidir con el voltaje del sistema |
| Tanque / recinto | Acero soldado con conservador o sistema N2 | Protege el ensamblaje de núcleo y bobina y el líquido dieléctrico |
Hay dos aspectos que son dignos de mención. El primero es que el núcleo está laminado en lugar de sólido, ya que un núcleo sólido funcionaría como un devanado en cortocircuito y generaría calor debido a las corrientes inducidas durante la operación. El segundo es que el cobre se utiliza como material de devanado en la mayoría de los modelos de alta eficiencia. Un transformador con una capacidad de 1,000 kVA utiliza alrededor de 800-1,000 kg de cobre en el devanado y esta es la razón por la cual el precio del cobre influye directamente en el precio de los transformadores.
Transformador elevador vs transformador reductor: Invirtiendo la Inducción
Cada red eléctrica tiene ambos aspectos funcionales incrustados en sí misma. La generación aumenta el voltaje mientras que la distribución lo disminuye, por lo tanto, el proceso de definir cuál es necesario debe comenzar con la determinación de su área de servicio.
| Escenario | Lado de entrada | Lado de salida | Unidad típica |
|---|---|---|---|
| Exportación de parque solar / eólico | Salida del inversor de 0.4–0.8 kV | Bus colector de 10–35 kV | Transformador elevador, 0.5–10 MVA |
| Transmisión de utilidad | 11–66 kV | 110–765 kV | Transformador GSU, 50–1,000 MVA |
| Subestación a consumidores | 10–35 kV | 4 kV | Unidad de distribución reductor, 100–2,500 kVA |
| Servicio de planta industrial | 33 kV | 6 / 11 kV | Transformador principal, 2–40 MVA |
Un error frecuente en el dimensionamiento es olvidar recordar que la relación de voltaje del transformador no es la historia completa. El transformador con una relación de 35 kV/0.4 kV también tiene una clasificación KVA fija y cierta tensión de impedancia (generalmente de 4-8%) y grupo vectorial (más comúnmente Dyn11 para servicio de distribución). El principio de inducción muestra la relación, pero la clasificación muestra el hierro, el cobre y el enfriamiento utilizados. Pedir el transformador solo por voltaje es lo mismo que comprar una bomba solo por el tamaño de la tubería, porque el flujo (KVA) es igualmente importante.
Eficiencia y Pérdidas en Transformadores Prácticos
Debido al hecho de que la inducción es solo una interconexión electromagnética, la eficiencia teórica de los transformadores puede ser bastante alta. Los transformadores reales que fueron construidos de acuerdo con la IEC 60076 tienen eficiencias que varían del 98% al 99.7%, y se sabe que los grandes transformadores de potencia tienen las tasas de eficiencia más altas entre las máquinas rotativas y estáticas. Las pérdidas se pueden dividir en dos grandes categorías:
Pérdidas en vacío: pérdidas por histéresis y corrientes parásitas, que se pueden encontrar en el hierro siempre que el transformador esté funcionando. Las pérdidas en vacío representan el 0.1-0.5% de la clasificación.
Pérdidas de carga: las pérdidas de cobre. La pérdida de calor durante la función de las bobinas del transformador se puede calcular utilizando la fórmula I²R y se divide en dos categorías. En caso de que la carga sea 1.5 veces mayor que la carga nominal, las pérdidas de potencia aumentarán significativamente; por ejemplo, un transformador de 1000 kVA que tiene una cierta clasificación pierde 8.5 kW, puede perder casi 19 kW cuando está sobrecargado por 150%.
El diseño eficiente de un transformador de 1,000 kVA garantiza pérdidas entre 1.4 y 2.4 kW en vacío y pérdidas entre 8 y 13 kW cuando los transformadores están energizados. La importancia de las pérdidas se puede explicar por el hecho de que los transformadores funcionan durante todo el año y, por lo tanto, incluso la pequeña caída de 1 kW en las pérdidas durante el proceso de operación del transformador ahorrará 876 dólares estadounidenses al año.
Tipos de transformadores de potencia construidos sobre el mismo principio
El mecanismo de inducción es universal, pero la construcción varía enormemente según el uso. Las principales familias son:
| Tipo | Refrigeración / aislamiento | Clasificación típica | Dónde se utilizan |
|---|---|---|---|
| Transformador sumergido en aceite | ONAN / ONAF | 50 kVA–1,000+ MVA | Utilidades, subestaciones industriales |
| Transformador seco | Epoxi fundido o VPI | 100–10,000 kVA | Edificios de gran altura, metro, offshore |
| Transformador de distribución | Montaje en poste o en base ONAN | 5–5,000 kVA | Conversión de voltaje de última milla |
| Transformador de potencia / GSU | ONAN/ONAF/OFAF | 10–1,000 MVA | Transmisión y generación |
| Transformador de núcleo amorfo | Sumergido en aceite, acero amorfo | 50–2,500 kVA | Aplicaciones de baja pérdida en vacío |
| Especialidad (rectificador, horno, desplazamiento de fase) | Aceite o seco | 1–200 MVA | Cargas de procesos industriales |
Especificaciones típicas de transformadores basados en inducción
Al referirse al principio de funcionamiento, la placa de identificación revela toda la información sobre cómo se ha diseñado el dispositivo de inducción. Un sistema de distribución estándar de 1,000 kVA, 10/0.4 kV tiene estos valores:
| Parámetro | Valor común | Referencia estándar |
|---|---|---|
| Potencia nominal | 100–2,500 kVA (por pedido) | IEC 60076-1 |
| Relación de voltaje | 10 kV / 0.4 kV (ejemplo) | IEC 60076-1 |
| Grupo vectorial | Dyn11 | IEC 60076-1 |
| Voltaje de impedancia | 4–6% a corriente nominal | IEC 60076-5 |
| Pérdida en vacío | 4–2.4 kW | IEC 60076-1 / Clases de energía ISO |
| Pérdida de carga a 120 °C | 8–13 kW | IEC 60076-1 |
| Rango de toma | ±2×2.5% o ±5% | IEC 60076-1 |
| Clase de refrigeración | ONAN (aumento de 50–63 °C) | IEC 60076-2 |
Principales marcas y rangos de precios para transformadores de potencia
En el mercado, solo hay unas pocas empresas reconocidas a nivel mundial que crean productos asombrosos. ABB (actualmente ABB Ltd) y Hitachi Energy tienen la ventaja en el diseño de generadores y transformadores HVDC; Siemens Energy y GE Vernova son conocidos por sus sistemas de ultra alta tensión y gran potencia; Schneider Electric y Eaton se concentran en la industria de distribución y transformadores de tipo seco. Sus dispositivos suelen costar más y tener tiempos de finalización más largos. En este contexto, los fabricantes de China están ganando altas cuotas en el mercado global de distribución y equipos de potencia media, aprovechando los beneficios que surgen debido al cumplimiento de las normas IEC 60076 y menores costos de producción.
Una empresa llamada Jiangsu Subian Electric Power está entre tales fabricantes. Produce transformadores tanto sumergidos en aceite como de tipo seco con potencias que van desde 10 kVA hasta decenas de MVA, que cumplen con los requisitos de IEC 60076. La empresa suministra productos a más de 40 países en todo el mundo. Los clientes contactan directamente a las fábricas para resolver preguntas relacionadas con transformadores como grupos vectoriales, rangos de tomas, pérdidas o diseño de refrigeración. Como resultado, en el caso de que la teoría de inducción no esté sujeta a negociaciones, pero el presupuesto esté fijo, Subian puede ofrecer producción verificada respaldada por aportes de ingeniería y monitoreo. Los precios se muestran en la tabla a continuación.
| Marca | Fuerza | Rango de precios típico (escala de distribución) |
|---|---|---|
| ABB | Líder global en ingeniería de potencia | $15,000–$80,000+ |
| Hitachi Energy | Especialista en GSU y HVDC | $20,000–$150,000+ |
| Siemens Energy | Capacidad de ultra alta tensión | $18,000–$120,000+ |
| Schneider Electric | Distribución de tipo seco y inteligente | $10,000–$45,000 |
| Eaton | Unidades de distribución e industriales | $8,000–$30,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Fábrica IEC 60076, precios competitivos | $4,000–$60,000 (típico), los precios varían según la especificación y la región |
Los precios son rangos FOB indicativos para unidades de 250–5,000 kVA y varían con la clasificación, el precio del cobre, el tipo de refrigeración y el destino.
Cómo elegir un transformador utilizando el principio de funcionamiento
- Es importante verificar los requisitos de la relación de vueltas del sistema. Verifique lo que se indica en el acuerdo de conexión de la utilidad relacionado con el voltaje de entrada y salida y también para el rango de tomas aceptable (±5%).
- kVA de referencia con carga real. Sume las cargas conectadas, aplique diversidad (0.6—0.9 en promedio) y aumente el resultado en 10—20% para tener en cuenta el crecimiento futuro. Un sobredimensionamiento inadecuado aumenta las pérdidas en vacío. Un dimensionamiento insuficiente resulta en la reducción de la expectativa de vida del equipo.
- Seleccione el núcleo y el devanado según sus requisitos de eficiencia. El acero silicio orientado de grano de alta calidad y los devanados de cobre de mayor precio incurren en costos de desarrollo más altos, pero resultan en una reducción de la pérdida.
- Confirme la impedancia así como el grupo vectorial con el ingeniero del sistema. Un fasor o impedancia incorrectos resultan en problemas con la operación en paralelo y la configuración de protección.
- Verifique las normas aplicables. Puede solicitar informes de prueba que confirmen el cumplimiento con IEC 60076 en términos de relación, impedancia, pérdidas, pruebas dieléctricas, etc.
- Haga comparaciones en términos del costo total de propiedad en lugar del precio. Para ello, compare el valor presente de las pérdidas futuras durante 20-30 años contra las tarifas locales antes de tomar una decisión entre las cotizaciones.
Consejos de mantenimiento relacionados con la física de la inducción
- Monitoree la corriente de excitación. Una corriente creciente en voltaje de no carga indica que hay degradación del núcleo magnético o que un devanado puede estar roto; debe investigarse de inmediato antes de que ocurra una falla.
- Monitoree la temperatura del aceite y el nivel de gas disuelto. DGA indica sobrecalentamiento de los devanados aislados incluso antes de que ocurra una ruptura; es suficiente revisar el aceite una vez al año para unidades con capacidad superior a 1 MVA.
- Verifique la relación después de cada cambio en el tap. La relación de transformación del transformador debe verificarse nuevamente después de que se cambie el tap; el cambio de relación de 2.5% resulta en cambios inmediatos en las lecturas.
- Haga posible un enfriamiento efectivo. La pérdida de inducción debe ser eliminada del sistema de enfriamiento; de lo contrario, los radiadores obstruidos o los ventiladores rotos aumentarían la temperatura en los devanados por encima de los criterios de 65–70 °C, lo que resulta en un aumento doble en el proceso de envejecimiento por cada aumento anormal de 8–10 °C en la temperatura.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué funciona un transformador solo con CA y no con CC?
Para que ocurra la inducción electromagnética, es necesario tener un flujo magnético variable. La corriente continua proporciona un flujo magnético constante y el voltaje secundario cae a cero inmediatamente después de aplicar la CC. Si la corriente de CC se aplica continuamente a un transformador, el núcleo del transformador se saturará y se extraerá una corriente alta.
¿Cuál es la relación voltios por vuelta en la práctica?
El voltaje promedio para un núcleo de distribución de circuito es aproximadamente 5–15V por cada devanado. En un sistema secundario de 400V, se necesitan alrededor de 30-80 devanados, mientras que una utilización de 10kV del mismo núcleo puede requerir alrededor de 25 veces más devanados o alrededor de 750-2000 devanados. Los sistemas que necesitan un voltaje más alto colocarán más devanados en el mismo núcleo, lo que obviamente requerirá más aislamiento también.
¿Cómo verifico la relación del transformador antes de la compra?
El informe de prueba de rutina debe ser solicitado según IEC 60076-1, que contiene un resumen de la prueba de relación de vueltas en todos los taps. Puede verificar esto al momento de la entrega utilizando un medidor de relación portátil, que requerirá investigación si excede la placa de identificación de 0.5%.
¿Por qué es mayor la eficiencia en clasificaciones más altas?
Las pérdidas en el estator, que están relacionadas con la superficie dimensional y el área del conductor principal, en lugar del volumen total del generador, superan las pérdidas relacionadas con la potencia. Así, la eficiencia del generador clasificado en 100 kVA puede ser igual a 97%, mientras que la del generador que supera los 100 MVA puede ser igual a aproximadamente 99.6%.
¿Se puede utilizar el mismo transformador como elevador y reductor?
Ciertamente, desde la perspectiva eléctrica, los devanados pueden ser intercambiables, pero el rango de tomas, el grupo vectorial y el diseño de protección están establecidos para operar en una sola dirección. Aunque es posible operar la unidad de distribución en reversa (energizando el lado de 0.4 kV), solo es práctico en una clasificación reducida y se recomienda un estudio de ingeniería de la unidad antes de considerar esta opción.
Referencias
- IEC — Comisión Electrotécnica Internacional — editor de la serie de transformadores de potencia IEC 60076 que rige el diseño y las pruebas.
- IEEE — fuente de normas de transformadores y prácticas operativas, incluyendo la serie IEEE C57 para transformadores de potencia y distribución.
- NEMA — normas de equipos eléctricos de América del Norte, incluyendo clasificaciones de transformadores y eficiencia.
- Administración de Información Energética de EE. UU. — datos públicos sobre el uso de energía de transformadores y eficiencia de transmisión.
- DOE de EE. UU. — Programas de eficiencia de transformadores — orientación sobre evaluación de pérdidas y selección de transformadores energéticamente eficientes.
- Electrical4U — referencias educativas sobre la ley de Faraday, relación de transformadores y teoría de la inducción.
Conclusión
El funcionamiento del transformador se basa en el principio de una teoría sofisticada de inducción electromagnética — este es un concepto aplicable en el ámbito de la generación de energía. La ley de Faraday informa sobre las relaciones de vueltas, ecuaciones de voltaje y dependencias de corriente; posteriormente, todo lo demás es simplemente la interpretación ingenieril de la teoría física. Es esencial verificar la relación del transformador en función de los requisitos de la red, la demanda real de potencia de la carga y las pérdidas estimadas. Al decidir comprar un transformador, la mejor idea es optar por uno fabricado de acuerdo con las normas de IEC 60076 con la prueba de certificación correspondiente. Visite www.subian-electric.com con los detalles de su voltaje y carga, y el equipo de ingeniería de la fábrica le ayudará a dimensionar el transformador correcto para su sitio.