¡Hola, bienvenido a un nuevo artículo de potencia cero! Me da bastante gusto tenerte por aquí, espero estés preparado para aprender muchas cosas, porque el tema que veremos hoy es sumamente interesante y lleno de conceptos que quizá sean nuevos para ti, como pudiste percatarte en el título, hoy vamos a conocer a fondo todo lo relacionado con el TRANSFORMADOR DE POTENCIA, un dispositivo muy importante en muchos sistemas eléctricos que sin duda merece que los conozcas de forma detallada.

Como siempre lo hemos hecho en anteriores temas, empezaremos desde lo más básico hasta los detalles; pasaremos de conocer el concepto de transformador de potencia, sus aplicaciones y funciones, a ver aplicado todo lo aprendido en un ejemplo. Podrá sonar difícil en este primer acercamiento, pero te aseguro que será muy sencillo de comprender.

El objetivo final es que logres comprender de buena forma en qué consiste un transformador de potencia, así como reconocer sus características, funcionalidades y demás detalles que conforman a este dispositivo, Todo esto es con el fin de que, si llegas a trabajar con un transformador de este tipo, sepas trabajarlo de forma correcta.

Sin más dilaciones, ¡comencemos a aprender! ⚡

¿Qué es un transformador de potencia?

Podemos definir a un transformador de potencia de la siguiente manera:

“El transformador de potencia es un dispositivo electromagnético pasivo que tiene la capacidad de transferir energía de un circuito a otro con ayuda de un acoplamiento inductivo”.

Este tipo de transformadores funcionan con corriente alterna (CA) y se diferencian mucho de otros transformadores gracias a su uso, pues son muy utilizados en subestaciones que tienen como objetivo concentrar la transformación de energía en media y alta tensión; de hecho, se puede hacer una clasificación de los transformadores de potencia gracias a su rango de funcionamiento. Igualmente, son distribuidos en centrales de generación, subestaciones y empresas que utilizan altos niveles de potencia.

El uso de transformadores de potencia es bastante importante, pues permite reducir las pérdidas de potencia durante la transmisión de energía eléctrica, es por eso que, como te mencioné anteriormente, es utilizado en muchas subestaciones.

Más adelante conoceremos más características de este transformador; mientras tanto, conozcamos cuáles son sus funciones principales.

Compra tu transformador de potencia en línea

Antes de continuar te dejo algunos transformadores de potencia que puedes comprar para tus proyectos.

¿Cuáles son las funciones de un transformador de potencia?

La principal función que tiene un transformador eléctrico de potencia es que transforma la energía eléctrica de corriente alterna de un nivel específico de voltaje a otro nivel, es decir, el transformador de potencia puede variar los valores del voltaje de un circuito de corriente alterna (CA), con la cualidad de que sigue manteniendo intacta la potencia de dicho circuito.

El funcionamiento de los transformadores de potencia se basa enteramente en el fenómeno de inducción electromagnética de Faraday. Para el cumplimiento de esta ley, influye muchísimo el cómo están construidos los transformadores, por lo que es usual encontrar al transformador de potencia equipado con dos tipos de devanados: primario y secundario.

Estos devanados tienen algo en común: un núcleo magnético laminado, ya que esto permite que haya una transferencia de energía de un lado a otro por medio de la inducción mutua.

Otro detalle sobre el funcionamiento de este tipo de transformador es que opera durante cargas altas o pico, pues tiene su máxima eficiencia cuando esta cerca de la carga completa, es por eso que se utiliza muy cerca de las plantas generadoras de electricidad, funcionando las 24 horas del día con una máxima de eficiencia a la mitad de la carga completa.

Al final, debes comprender que, gracias a las funcionalidades de un transformador de potencia, podemos disminuir las pérdidas de energía durante la transmisión eléctrica por parte del proveedor. Sin duda, este tipo de transformadores son esenciales para evitar los desperdicios de energía, los cuales pueden ser carísimos y podrían llegar a afectar seriamente al suministro de energía en nuestros hogares y en las industrias.

Ahora que ya conoces las funciones de un transformador, pasemos a ver cuáles son los tipos de transformadores de potencia que existen.

Tipos de transformadores de potencia

Dentro de la clasificación de los transformadores de potencia, podemos encontrar varios tipos dependiendo del uso que se le dé, el diseño, construcción y demás características; sin embargo, las clasificaciones principales son las siguientes:

• Tipos de transformadores de potencia dependiendo del tipo de conversión de voltaje.
• Tipos de transformadores de potencia dependiendo de su devanado.
• Tipos de transformadores de potencia dependiendo del material de su núcleo.
• Tipos de transformadores de potencia dependiendo del tipo de fase.
• Tipos de transformadores de potencia dependiendo del tipo de aislamiento.
• Tipos de transformadores de potencia dependiendo del tipo de construcción y diseño.

➤ Tipos de transformadores de potencia según su tipo de conversión de voltaje

• En esta primera categoría, tenemos a los transformadores de potencia elevadores, los cuales tienen la capacidad de aumentar el voltaje que hay en la salida, relacionándolo directamente con el voltaje de entrada. Prácticamente lo que hacen es convertir en voltaje bajo (LV) y la corriente con valor alto que hay en el lado primario del transformador a un voltaje alto (HA) y una corriente de valor bajo en el lado secundario del transformador.
• Otro detalle de suma importancia que debes conocer de este tipo de transformador es que el número de vueltas que tiene el devanado secundario es mayor al número de vueltas que tiene el devanado primario, por eso el voltaje es más alto en el devanado secundario.
• También tenemos al transformador de potencia reductor, el cual se caracteriza por disminuir el voltaje de salida con relación al voltaje de entrada. En esencia, lo que hacen los transformadores de potencia reductores es transformar el alto voltaje (HV) y la baja intensidad de corriente que hay en el devanado primario a un voltaje bajo (LV) y una alta intensidad de corriente en el devanado secundario.
• En este caso, es totalmente distinto a lo que sucede en el transformador elevador, ya que en el reductor encontramos que el devanado primario tiene un mayor número de vueltas que el devanado secundario.

Tipos de transformadores de potencia según su tipo de devanado

• En esta categoría nos encontramos con el transformador de potencia de dos devanados, el cual es el más común de encontrarse. Este tipo de transformador de potencia posee dos devanados: devanado primario y devanado secundario. Como pudiste percatarte en la categoría anterior, los devanados son esenciales para determinar cómo va a trabajar nuestro transformador de potencia.
• En estos transformadores generalmente el devanado primario se conecta a l suministro de corriente alterna (CA), o sea, es la entrada del transformador. Mientras tanto, el devanado secundario está conectado al circuito con el que estamos trabajando o simplemente a la carga El nivel de voltaje que salga por el devanado secundario dependerá de los giros, como mencioné anteriormente. Por último, debes saber que ambos polos están acoplados magnéticamente, pero aislados de forma eléctrica.
• No obstante, aquí no se detiene esta categoría. Pues también debes conocer al transformador de potencia autotransformador, el cual se caracteriza por poseer solo un devanado por fase, y dicho devanado se divide en primario o secundario. Sigamos hablando de este devanado, pues tiene la particularidad de tener tres puntos de derivación, de los cuales dos son fijos y el ultimo es variable. Este último tiene la capacidad de aumentar o disminuir los giros secundarios, llegando tanto a aumentar el voltaje de salida, como disminuirlo.
• Su uso principal de este transformador es cuando se requiere cambiar el valor de un voltaje, pero a niveles muy pequeños. En resumen, este el autotransformador solo posee una bobina, y el voltaje entra a un punto intermedio de esta.

Tipos de transformadores de potencia dependiendo del material de su núcleo

• Podemos encontrar dos tipos de transformadores de potencia según el material con el que esté hecho su núcleo:
  • Transformadores de potencia de núcleo de aire.
  • Transformadores de potencia de núcleo de hierro (ferromagnético).
• El transformador de potencia con un núcleo de aire utiliza el aire o el plástico como material principal de su núcleo. Al existir solo aire en el núcleo, provoca que no exista un enlace de flujo entre las bobinas, por la poca permeabilidad magnética, y algo muy similar pasa si tenemos nuestro núcleo hecho de plástico.
• Otro detalle que tienen los transformadores con un núcleo de aire es que tienen muy poca o nula distorsión en las señales de alta frecuencia y tampoco tienen pérdidas del núcleo, haciendo al transformador de potencia con núcleo de aire ideal para aplicaciones que tengan que ver con corrientes de radiofrecuencia (radios, telecomunicaciones, internet, etc.)
• También tenemos al transformador de potencia de núcleo de hierro o también conocido como transformador de potencia ferromagnético, el cual, de una forma casi obvia, posee un núcleo hecho de hierro o un material ferromagnético. Uno de los usos puntuales que tiene los transformadores ferromagnéticos es el de aumentar el campo magnético en el transformador.
• ¿De qué depende la fuerza del campo magnético? Bueno, en estos transformadores la fuerza del campo magnético esta relacionado con la permeabilidad magnética del material del que esté hecho el núcleo; usualmente encontrarás que el material por defecto del núcleo es el hierro.
• A lo que sería contrario a los transformadores de potencia con núcleo de aire, los transformadores ferromagnéticos son usados para cargas pesadas con baja frecuencia, como en las fuentes de alimentación, por lo que son ideales para aumentar y disminuir los niveles de voltaje de corriente alterna.

Tipos de transformadores de potencia dependiendo del tipo de fase

• En este tipo de transformadores de potencia hacemos cara al transformador de potencia monofásico, el cual de forma clásica posee dos devanados y es usado en aplicaciones simples y monofásicas, como podrían ser los cargadores de teléfono, el tostador, los eliminadores de consolas de videojuegos. Un último detalle de estos transformadores es que poseen dos terminales en cada tipo de devanado: dos terminales de entrada para el devanado primario y dos de salida para el devanado secundario.
• También hacemos cara al transformador de potencia trifásico que, a diferencia del transformador monofásico, este tiene tres devanados primarios y tres devanados secundarios, es decir, posee seis devanados. Respecto a las terminales, este tipo de transformador posee 12 terminales, dos para cada fase en conexión de tipo triángulo y/o estrella.
• Por último, el diseño puede ser muy sencillo, ya que existe la posibilidad de utilizar tres transformadores monofásicos, sustituyendo la complejidad de realizar un transformador trifásico individual. Generalmente encontrarás a estos transformadores trabajando en la distribución de la energía eléctrica para ambos nichos (industrial y doméstico).

Tipos de transformadores de potencia dependiendo del tipo de aislamiento

• En esta clasificación encontramos a los transformadores de potencia según su material de aislamiento. En primer lugar, tenemos a los transformadores de potencia de aislamiento seco, los cuales se caracterizan por no tener ningún tipo de sistema de enfriamiento líquido. En este método de aislamiento, los devanados están cubiertos de resina epoxi antihumedad, siendo el aire el único medio por el cual existe un enfriamiento.
• Este tipo de transformadores tiene la peculiaridad de tener bobinas muy grandes, ya que de alguna forma se debe compensar las altas temperaturas que el aire no alcanza a cubrir. Por lo anterior, no existen transformadores de potencia con aislamiento en seco por encima de 33kV, pues de lo contrario, estos se sobrecalentarían y dejarían de funcionar demasiado rápido. Otro último detalle es que se instalan muy rápido y generalmente esta instalación se realiza en entornos cerrados.
• Otro transformador que podemos ubicar en esta categoría es el transformador de potencia de aislamiento en aceite, el cual como dice su propio nombre, utiliza aceite combustible como técnica principal de enfriamiento. A pesar de parecer lo contrario, el aceite es un muy buen refrigerante, por lo que los transformadores de potencia que utilizan este método de enfriamiento son de alta capacidad y son aplicados a entornos más salvajes.
• Lo malo de esta técnica de enfriamiento es que hace al transformador mucho más grande y no debe instalarse en ambientes encerrados, por el aceite inflamable.

Tipos de transformadores de potencia dependiendo del tipo de construcción y diseño

Por último, tenemos los transformadores de potencia según su construcción y diseño. En esta categoría se enumeran tres transformadores principales:

• Transformador de potencia de tipo núcleo: este tipo de transformadores son los más comunes, y están compuestos por dos extremidades, en donde cada una de estas contiene un devanado: primario y secundario. Respecto a su núcleo.
• Transformado tipo carcasa: aquí podemos encontrar al núcleo en forma de E y de I, formado por laminaciones con tres extremidades. El tipo de núcleo cubre la mayor parte del transformador, rodeando también a los devanados.
• Transformador tipo Berry: es muy parecido al transformador de tipo carcasa, con la peculiaridad de tener dos circuitos magnéticos distribuidos, y el núcleo del transformador es de tipo baya, los cuales utilizan la técnica de enfriamiento en aceite.

Y bueno, estos han sido los principales tipos de transformadores de potencia que existen. Toma en cuenta que muchas veces puedes encontrar en un solo transformador varios tipos de transformador de potencia, es decir, puedes encontrar transformadores de potencia trifásicos y que utilicen enfriamiento en aceite al mismo tiempo. Siempre ten en cuenta tus necesidades de proyecto y las especificaciones que deseas de tu transformador de potencia, si llegas a trabajar con uno.

Ya que hemos pasado por los tipos de transformador de potencia, pasemos a conocer un poco de las características generales de un transformador de potencia.

Características generales de un transformador de potencia

Conocer las características generales de los transformadores de potencia es esencial para saber cómo elegir este tipo de sistemas y como aplicarlos. Saber bajo qué parámetros funciona y tener en mente los requerimientos de tu aplicación te brindarán una ventaja enorme y ahorras mucho tiempo. Es por esto y más que te traigo algunas características generales que poseen los transformadores de potencia, y con ellas podrás saber seleccionar u operar un transformador de potencia.

• Voltaje primario: es el voltaje con el que se debe alimentar el transformador, es decir, el voltaje con el que debes alimentar el devanado primario o los devanados primarios, si el transformador tiene más de uno. Generalmente este voltaje en transformadores de potencia es de 22.9kV.
• Voltaje secundario: el voltaje secundario es el voltaje nominal del devanado secundario, muchas veces el devanado de salida. Generalmente será de unos 3.3 hasta de 6.6kV.
• Voltaje máximo de servicio: es el máximo de voltaje con el que puede funcionar el transformador. Generalmente encontrarás su valor entre 23.9 y 19.9kV.
• Grupo de conexión: esta característica indica la forma de conexión del devanado primario con el devanado secundario. Para indicar esto, se utilizan dos letras: una mayúscula para el devanado primario y otra minúscula para el devanado secundario. La conexión estrella muchas veces se indica con una D, la conexión en triángulo se indica con una Y y la conexión en zig-zag se indica con una Z.
• Relación de transformación: es un valor que es resultado de dividir el voltaje primario entre el voltaje secundario.
• Frecuencia: la frecuencia de los transformadores de potencia va de los 50 a los 60Hz.

Estas son las características generales más importantes de los transformadores de potencia. Puede que existan más, pero sin duda conocer estas es esencial y te permitirá identificar con seguridad a los transformadores de potencia y trabajar de forma óptima con ellos.

¿Qué hay de la capacidad de estos transformadores? ¿Cuál es el valor máximo? Respondamos estas preguntas en el siguiente y último apartado.

Capacidad de un transformador de potencia

La capacidad nominal de un transformador, independientemente de que sea de potencia o no, son los kilovoltamperes (kVA). Quizás te estés preguntando que por qué no se mide la capacidad en kW (kilowatts), como hemos visto en otros casos de medición; esto se debe principalmente a las cargas reactivas, ya que, si hay una carga reactiva, hay probabilidad de que tengamos una alta corriente con kVA en valores alto y un kW con valores bajos. Si llegas a presenciar el caso en que la impedancia de la carga es resistiva, los kW serán iguales a los kVA.

Los transformadores de potencia están diseñados para tener una capacidad que van desde los 500 kVA, 750 kVA, 1000 kVA, 2000 kVA, 30 kVA, 12,000 kVA, hasta los 1.25 MVA o 500 MVA para transformadores monofásicos y 650 MVA para transformadores trifásicos. Como puedes ver, son capacidades muy grandes, y se debe más que nada a las aplicaciones que tiene como destino.

Hemos llegado al final de la sección teórica. Ahora que ya conocemos los conceptos más importantes de los transformadores de potencia, pasemos a aprender un poco más de este interesante sistema analizando un ejemplo práctico. ¡Vamos allá!

Ejemplo: transformador de potencia

Imagina que te encuentras configurando un transformador de potencia que, en la entrada, es decir, en el devanado primario, se están introduciéndose 1000 V a 60 Hz en corriente alterna, pero deseas que en la salida salgan solo 120v con la potencia y la frecuencia intacta, ¿Qué es lo que podrías hacer?

Aquí lo primero que podríamos plantear es la idea de utilizar un transformador de potencia reductor, pues podemos ver que intentamos reducir un voltaje alto a un voltaje bajo con un valor específico. Recuerda que, en este caso, el devanado primario tiene un mayor número de vueltas que el devanado secundario.

Recordemos que la relación de transformación depende mucho del número de espiras en cada devanado, con lo que nos lleva a determinar el voltaje primario o secundario.

¿Cómo podríamos realizar esto? Muy sencillo: calculando la inductancia del devanado secundario, ajustarlo y que nos arroje 120v de salida. La fórmula para realizar este cálculo es el siguiente:

Donde:

• Ls = inductancia de la bobina secundaria en Henrios (H).
• Vout = voltaje de salida en el devanado secundario (V).
• Vin = voltaje de entrada en el devanado primario (V).
• Lp = inductancia de la bobina primaria, que en este caso tiene un valor de 1H.

Esto aplica para el transformador de potencia tipo reductor, pero si deseas elevar un voltaje (transformador tipo elevador), se emplea la fórmula contraria:

Para que quede mucho más claro, vamos a simularlo:

Ahora ajustemos el voltaje de entrada a 1000 V a 60 Hz.

Ya que hemos establecido el voltaje, veamos que lectura nos dan los voltimetros simulados:

En este ejercicio, la lectura nos arroja un voltaje de 707 V teniendo aplicado un voltaje de 1000 V. En la fórmula el voltaje de entrada los vamos a sustituir por los 707 V, pues es el voltaje real del circuito.

Obtenemos el valor de la inductancia secundaria para ajustarla al transformador:

Ahora ajustamos en el transformador esa inductancia para el devanado secundario:

Finalmente, podemos ver que en la salida obtenemos nuestros 120v:

Como puedes ver en la imagen, obtenemos el voltaje reducido a 120v, manteniendo la potencia intacta. Esto mismo lo puedes realizar con otro tipo de transformadores más complejos y puedes realizar tanto reducción como elevación de voltaje, solo ten cuidado con la lectura de tu voltaje a la hora de simularlo, utiliza la lectura que te da el voltímetro de simulación.

Elegí este ejercicio porque es de lo más simple que puedes aplicar y te da una idea de cómo funcionan los transformadores de potencia. A partir de aquí, puedes seguir explorando más conocimiento y ejercicios que se derivan de este.

Ahora que ya hemos acabado con la parte teórica, no nos queda más que conocer cuáles son las aplicaciones de estos transformadores, lo cual veremos en el siguiente y último apartado.

Aplicaciones de un transformador de potencia

Como te había mencionado en un principio, los transformadores de potencia son aplicados en las líneas de transmisión de alto voltaje para aumentar o reducir el voltaje que se transmite, sin tocar el valor de la potencia. Bajo este contexto, debes saber que este tipo de transformadores se usan para transmisiones de cargas muy pesadas, por lo que suelen ser equipos muy pesados y grandes, o al menos lo son si los comparamos con otros transformadores, como los de distribución.

Otro detalle que debes saber sobre la aplicación de estos transformadores es que no se utilizan directamente por los consumidores, por lo que también están presentes en redes de transmisión y tiene variaciones de cargas menores.

Además de su presencia en líneas de transmisión, también puedes encontrar a los transformadores de potencia enfocados a la reducción de voltaje alto o aumento en voltajes muy bajos, en el control de aplicaciones donde se va a consumir energía eléctrica a largas distancias, la reducción de desperdicio eléctrico, en sistemas de aislamiento, como transformadores de parques eólicos y parques solares fotovoltaicos.

Conclusiones

Si has llegado hasta este punto, quiero felicitarte por todo el esfuerzo que haces para aprender y seguir este camino conmigo, estoy muy agradecido por eso.

Como pudiste darte cuenta a través de todo el artículo, los transformadores de potencia forman una parte muy esencial de como hoy en día la energía eléctrica se nos suministra, y nos permite utilizar todo tipo de dispositivos eléctricos que hay en nuestro día a día. A pesar de que este tipo de transformador muchas veces solo se encuentra en las subestaciones, es importante conocerlo a detalle, pues en conjunto con otros transformadores y equipos, nos dan una idea de cómo funciona nuestra electricidad.

Existen varios tipos de transformadores de potencia, pero sin duda los más comúnes que te puedes encontrar, son los reductores y relevadores, ya que son simples y tienen como objetivo el reducir o aumentar el voltaje de corriente alterna sin afectar tanto la potencia. Generalmente encontrarás a estos transformadores en un sistema de enfriamiento de tipo aceite, situación que los hace unos transformadores muy grandes y toscos.

Podemos irnos también recordando que una de las ventajas mayores que representa el uso de transformadores de potencia, es que evitan que se desperdicie mucha energía eléctrica, evitando también problemas en el suministro de eléctricidad comercial y doméstica.

Otra cosa que hay que destacar, es que este conocimiento se ve apoyado e impulsado por otros temas que tiene que ver con la potencia, como el estudio de los transformadores de distribución, la ley de Watt, los tipos de potencia que existen y la teoría que hay detrás de la inductancia en bobinas o devanados. Con esto te quiero decir que teniendo la base del funcionamiento de los transformadores, puedes navegar hacía otros concimientos más avanzados del tema, haciendote aún más sabio en la rama.

Así es como hemos llegado al final de este artículo sobre los transformadores de potencia. No olvides compartir esta información con tus familiares, amigos, o simplemente con alguien quien creas que le ayudará mucho leer esta información; lo estarías apoyando a el o ella, y a mi también.

Tampoco olvides nunca parar de aprender y tratar siempre de aplicar lo aprendio. Nos vemos en otros conocimientos.

¡Hasta pronto!