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Transformador eléctrico estacionario.
¿Qué son los transformadores y para qué sirven?
Los transformadores eléctricos son dispositivos que permiten aumentar o reducir el nivel de tensión de la corriente alterna mediante inducción electromagnética, sin modificar su frecuencia.
Gracias a ellos, la electricidad puede transportarse a largas distancias con menores pérdidas de energía y distribuirse a niveles de tensión seguros y adecuados para utilizarse en hogares, comercios e industrias.
¿Cómo funcionan los transformadores?
El funcionamiento de los transformadores se basa en un principio físico fundamental: la inducción electromagnética, descubierta por Michael Faraday.
Un transformador está formado por dos bobinas de cable enrolladas sobre un núcleo magnético, cuya función es concentrar y guiar el flujo del campo magnético:
- Bobina primaria: por donde entra la corriente.
- Bobina secundaria: por donde sale la corriente transformada.
La relación entre la tensión de entrada y la de salida depende del número de vueltas de cable de cada bobina. Si la bobina secundaria tiene más espiras que la primaria, la tensión aumenta; si tiene menos, menos la tensión se reduce.
En un transformador ideal se cumple:
- V2/V1 = N2/N1 (la tensión es proporcional al número de vueltas).
- I2/I1 = N1/N2 (si sube la tensión, baja la intensidad, y viceversa).
En la práctica, existen pequeñas pérdidas energéticas, por lo que las relaciones con aproximadas.
Gracias a este funcionamiento, los transformadores permiten elevar la tensión para transportar la electricidad a largas distancias, desde las centrales de generación hasta nuestras casas, reduciendo las pérdidas en forma de calor.
Comprender por qué se producen estas pérdidas y cómo influyen en la eficiencia del sistema eléctrico nos lleva a un fenómeno físico clave: el efecto Joule.
Primer plano de una bobina de transformador.
El efecto Joule: por qué se transporta la electricidad a alta tensión
Una de las dudas más habituales es: ¿por qué la electricidad no se transporta a la misma tensión que usamos en casa? La respuesta está en el efecto Joule, un fenómeno físico por el cual parte de la energía eléctrica que circula por un conductor se disipa en forma de calor debido a su resistencia.
Cuanto mayor es la intensidad de la corriente que circula por un conductor, mayor es la pérdida de energía en forma de calor. Esto implica que transportar grandes cantidades de electricidad a baja tensión generaría pérdidas enormes.
Aquí entran en juego los transformadores elevadores. Al aumentar la tensión, se reduce la intensidad necesaria para transportar la misma potencia eléctrica y, como consecuencia, se minimizan las pérdidas asociadas al efecto Joule. Por este motivo, la electricidad se transporta a alta tensión y se reduce posteriormente, mediante otros transformadores, antes de llegar a los puntos de consumo.
Componentes principales de un transformador
A nivel interno, un transformador está formado por elementos que trabajan en conjunto. Los más importantes son:
- Núcleo magnético: canaliza el flujo magnético.
- Bobinas o devanados: conducen la corriente eléctrica.
- Aislamiento: evita cortocircuitos entre bobinas.
- Aceite dieléctrico o sistemas de refrigeración: extraen el calor generado.
- Tanque metálico: protege frente a humedad, polvo y golpes.
- Bujes o pasatapas (bushings): permiten conectar el interior del transformador con el exterior manteniendo el aislamiento.
- Radiadores y, en algunos casos, ventiladores: ayudan a evacuar el calor.
- Cambiador de tomas: ajusta la tensión de salida en pequeños pasos (puede ser en carga o en vacío, según el diseño).
- Elementos de protección en transformadores de aceite, como el relé Buchholz y la válvula de alivio de presión (según el tipo y tamaño).
- Según la aplicación, pueden ser transformadores inmersos en aceite o transformadores secos (por ejemplo, de resina).
¿Cómo nacieron los transformadores eléctricos?
La historia de los transformadores es también la historia de la electricidad moderna. En 1831, Michael Faraday describió el principio de inducción electromagnética, sentando las bases teóricas que harían posible su funcionamiento.
A finales del siglo XIX, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs desarrollaron los primeros transformadores prácticos, capaces de elevar y reducir la tensión en sistemas de corriente alterna. Mas tarde fueron perfeccionados por Károl Zipernowsky, Déri y Miksa Otto Bláthy (Ganz) que también impulsaron diseños clave como el núcleo cerrado y sistemas de corriente alterna más prácticos y eficientes.
En paralelo Nikola Tesla y George Westinghouse impulsaron la adopción industrial de la corriente alterna, demostrando su viabilidad frente a otros sistemas.
Gracias a estos avances, los transformadores se convirtieron en una pieza esencial para el transporte de electricidad a largas distancias y la consolidación de las redes eléctricas modernas.
Tipos de transformadores y aplicaciones más habituales
Transformadores de potencia
Se usan para elevar o reducir la tensión en las redes eléctricas, facilitando tanto el transporte como la distribución de la electricidad.
- Elevadores: aumentan la tensión. Se utilizan principalmente en centrales de generación para enviar la energía eléctrica a larga distancia con menos pérdidas.
- Reductores: disminuyen la tensión. Son los que permiten que la electricidad llegue a nuestros hogares con niveles de tensión seguros.
- Autotransformadores: cambian la tensión, cuando la diferencia entre el nivel de entrada y salida es relativamente peque. Son más compactos y eficientes porque usan una sola bobina.
- Trifásicos: empleados en redes transporte eléctrico y entornos industriales. Están diseñados para trabajar con sistemas trifásicos y resultan más compactos y eficientes que el uso de varios transformadores monofásicos independientes.
Transformadores de medida
Sirven para medir corrientes y tensiones altas con seguridad.
- Transformadores de intensidad: reducen corrientes muy altas a valores normalizados para que los instrumentos puedan medirlas sin riesgo.
- Transformadores de potencial: reducen tensiones muy elevadas a niveles seguros y manejables para su medición y control.
Para qué se usan en el día a día
En la red eléctrica, los transformadores permiten transportar la energía a largas distancias y adaptarla para que podamos utilizarla de forma segura. Además, casi todos los dispositivos electrónicos incorporan sistemas que ajustan la tensión de la red a los valores que necesitan para funcionar correctamente. También están presentes en elementos de seguridad del hogar. Por ejemplo, el interruptor diferencial utiliza un transformador de medida para detectar fugas de corriente y cortar el suministro antes de que puedan producirse daños.
Del sistema eléctrico a los cargadores del móvil
Aunque solemos asociarlos a grandes infraestructuras, los transformadores están presentes en muchos objetos cotidianos: electrodomésticos, equipos electrónicos, sistemas de climatización, instalaciones solares, vehículos eléctricos y, por supuesto, en los cargadores de móvil.
La misma lógica que permite transportar electricidad a largas distancias está también presente en muchos dispositivos de uso cotidiano.
¿El transformador del cargador del móvil funciona igual que los grandes transformadores?
Los cargadores de móvil cumplen la misma misión general (adaptar la energía para que el dispositivo se cargue con seguridad).
Un cargador debe reducir los 230 V de la red a valores entre 5 y 12 V (o incluso variar según el protocolo de carga). Los primeros cargadores utilizaban transformadores pequeños similares a los industriales, pero hoy predominan las fuentes conmutadas, más compactas y eficientes.
En una fuente conmutada, primero se rectifica la corriente alterna de la red a corriente continua, luego se conmuta a alta frecuencia y se usa un transformador pequeño (normalmente de ferrita) para bajar la tensión y mantener el aislamiento. Después se vuelve a rectificar y se regula la salida para entregar la tensión que necesita el móvil.
Aun así, siguen cumpliendo la función básica asociada a un transformador: adaptar la tensión y, en muchos casos, aislar eléctricamente para que la carga sea segura.
Q&A
El zumbido procede de la magnetoestricción, pequeñas vibraciones del núcleo metálico cuando la corriente alterna cambia de sentido 50 veces por segundo. Es un fenómeno normal. Además, suele percibirse mucho el componente de 100 Hz, porque el ciclo de magnetización “se repite” dos veces por cada periodo de la red.
Un fallo puede provocar la interrupción del suministro en la zona afectada. Las causas suelen ser sobrecargas, problemas de aislamiento o sobrecalentamientos. Las redes eléctricas cuentan con sistemas de protección y de respaldo para minimizar estos efectos.
Sí, presenta las llamadas pérdidas en vacío. Se deben sobre todo a pérdidas en el núcleo (histéresis y corrientes parásitas) y a la corriente de magnetización necesaria para crear el campo magnético.
Cuando trabaja con carga aparecen además pérdidas en los devanados (pérdidas en cobre), que aumentan con la intensidad de corriente (I²R).
Depende del tamaño y el uso, pero normalmente oscila entre 25 y 40 años. Los transformadores de potencia incluyen sistemas de monitorización para prever fallos y prolongar su vida útil.