Un transformador transfiere energía eléctrica entre circuitos mediante inducción electromagnética. Su función práctica es cambiar el voltaje y la corriente a niveles que hagan que la generación, transmisión, distribución y el uso final de la energía sean seguros y eficientes. Comprender la relación entre los transformadores y los sistemas de potencia ayuda a los ingenieros a seleccionar la relación de voltaje, la capacidad, el aislamiento y la protección adecuados. Esta guía explica qué hacen los transformadores eléctricos, cómo funcionan, los principales tipos de transformadores y la información que los compradores deben definir antes de seleccionar equipos para un proyecto real.
Para proyectos industriales y de servicios públicos, “transformador” puede significar cualquier cosa, desde un pequeño transformador de control hasta una unidad de subestación de varios megavoltiamperios. Se aplica el mismo principio físico, pero la construcción, el aislamiento, el método de refrigeración, el esquema de protección, el entorno de instalación y los requisitos de adquisición pueden ser muy diferentes.
¿Qué hace un transformador?
Un transformador cambia el voltaje de corriente alterna mientras mantiene la frecuencia de suministro esencialmente sin cambios. En un transformador ideal, la potencia que entra al devanado primario es igual a la potencia que sale del devanado secundario. Un transformador real tiene pérdidas, por lo que la potencia de salida es ligeramente menor que la potencia de entrada.
La relación entre voltaje y espiras se expresa comúnmente como:
V1 / V2 = N1 / N2
Aquí, V es el voltaje y N es el número de espiras en cada devanado. Si el secundario tiene más espiras que el primario, la unidad es un transformador elevador. Si tiene menos espiras, es un transformador reductor.
Los cambios de corriente ocurren en dirección opuesta. Cuando se eleva el voltaje, la corriente se reduce para aproximadamente el mismo nivel de potencia. Por esta razón se utiliza alto voltaje para la transmisión a larga distancia: una menor corriente reduce las pérdidas en los conductores. Cerca de la carga, los transformadores de distribución reducen el voltaje al nivel requerido por fábricas, edificios comerciales, plantas de energía renovable y redes de distribución locales.
Cómo funciona un transformador eléctrico
Un voltaje de CA aplicado al devanado primario produce un flujo magnético alterno en el núcleo laminado o enrollado. Ese flujo variable enlaza el devanado secundario e induce un voltaje. Los dos devanados están eléctricamente separados en la mayoría de los diseños, pero están acoplados magnéticamente a través del núcleo.
El núcleo proporciona un camino controlado para el flujo magnético. El acero eléctrico de grano orientado se utiliza ampliamente porque reduce las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas. Los conductores de los devanados son normalmente de cobre o aluminio. El aislamiento entre espiras, devanados, núcleo y tanque debe soportar la tensión de servicio, el estrés de conmutación, la temperatura y el entorno de servicio previsto.
Un transformador requiere un flujo magnético variable, por lo que un transformador de potencia convencional no funciona con corriente continua (CC) constante. Aplicar CC a un transformador de CA puede causar corriente excesiva, sobrecalentamiento y daños. Los convertidores de CC electrónicos pueden utilizar transformadores de alta frecuencia internamente, pero primero convierten la CC en una forma de onda variable.
Clasificaciones principales de transformadores que los compradores deben entender
kVA o MVA
La capacidad del transformador se mide en voltiamperios en lugar de vatios porque el calentamiento depende de la tensión y la corriente, mientras que la carga conectada determina el factor de potencia. Un transformador de 1.000 kVA no suministra automáticamente 1.000 kW. Con un factor de potencia de 0,90, la carga de potencia real correspondiente es de aproximadamente 900 kW antes de considerar otros márgenes de diseño.
Voltaje primario y secundario
Tanto la tensión nominal del sistema como la clase de tensión del equipo requerido son importantes. Una solicitud como “un transformador de 35 kV” está incompleta sin la salida de baja tensión, la frecuencia del sistema, el nivel de aislamiento, el método de puesta a tierra y la disposición de las conexiones.
Monofásico y trifásico
Los transformadores monofásicos son comunes para cargas más pequeñas y algunas aplicaciones de distribución de servicios públicos. Un transformador trifásico alimenta sistemas de energía trifásicos en fábricas, subestaciones, centros de datos, instalaciones de energía renovable e infraestructura comercial. Tres unidades monofásicas también pueden formar un banco, pero un transformador trifásico diseñado para tal fin suele ofrecer una instalación más compacta.
Frecuencia
Un transformador debe diseñarse para la frecuencia especificada, comúnmente 50 Hz o 60 Hz. Operar una unidad a una frecuencia más baja sin reducir el voltaje puede aumentar el flujo del núcleo y el riesgo de sobrecalentamiento.
Impedancia
La impedancia porcentual afecta a la caída de tensión, a la corriente de falta y al funcionamiento en paralelo. No es simplemente una cifra en la que cuanto menor sea, mejor. El valor correcto depende del estudio de cortocircuito del sistema, de la coordinación de protecciones, del comportamiento de la carga y de los equipos conectados aguas abajo.
Grupo vectorial
El grupo vectorial describe la conexión de los devanados y el desfase. Las opciones comunes incluyen las disposiciones Dyn11, Yyn0 y YNd, pero la selección correcta debe coincidir con la puesta a tierra del sistema, el comportamiento armónico, la protección y cualquier transformador destinado a funcionar en paralelo.
Principales tipos de transformadores de potencia
Transformadores de potencia
Los transformadores de potencia se utilizan generalmente a nivel de generación y transmisión o para grandes cargas industriales. Están diseñados en torno a la alta tensión, alta capacidad, confiabilidad del sistema, eficiencia y el perfil de carga esperado. LBAJI suministra configuraciones tales como el transformador de potencia en baño de aceite de 35 kV y el Transformador con cambiador de tomas bajo carga SFZ11 de 35 kV para proyectos que requieren transformación y regulación de voltaje.
Transformadores de distribución
Un transformador de distribución abastece a los usuarios finales en las etapas finales del sistema eléctrico. Debido a que muchas unidades de distribución permanecen energizadas continuamente, las pérdidas en vacío pueden ser tan importantes como la eficiencia a plena carga. La capacidad, la curva de carga diaria, las expectativas de sobrecarga, los armónicos, la temperatura ambiente, los límites de ruido y la expansión futura deben revisarse conjuntamente.
Transformadores sumergidos en aceite
En un transformador sumergido en aceite, el líquido aislante proporciona tanto aislamiento eléctrico como transferencia de calor. Estas unidades se utilizan ampliamente al aire libre y en subestaciones porque ofrecen un fuerte rendimiento de refrigeración y amplias opciones de capacidad. El tanque puede estar herméticamente sellado o utilizar un sistema de conservador, según el diseño y los requisitos del proyecto.
El equipo lleno de aceite requiere planificación del sitio para la seguridad contra incendios, contención de aceite, ventilación, acceso y condiciones ambientales. De LBAJI Serie de transformadores sumergidos en aceite S-M es relevante para aplicaciones de distribución general, mientras que los diseños más grandes de 35 kV se adaptan a subestaciones industriales y de servicios públicos.
Transformadores de tipo seco
Los transformadores de tipo seco utilizan aislamiento sólido y aire para la refrigeración en lugar de aceite aislante. Se seleccionan frecuentemente para instalaciones en interiores, edificios comerciales, fábricas, hospitales, instalaciones de transporte y otros lugares donde el comportamiento ante incendios y la planificación del mantenimiento favorecen los equipos libres de aceite. Para una comparación a nivel de proyecto, consulte nuestra guía sobre transformadores de tipo seco frente a transformadores sumergidos en aceite.
El tipo seco no significa que sea libre de mantenimiento ni apto para todos los entornos. La protección de la carcasa, la ventilación, la contaminación por polvo, la humedad, la condensación, la altitud, el aumento de la temperatura y el nivel de ruido siguen siendo importantes. Para una discusión separada del término “triplex seco”, confirme la configuración real del cableado y los dibujos del proveedor en lugar de inferir la construcción a partir del etiquetado; consulte nuestra Guía del transformador triplex de tipo seco. LBAJI ofrece Serie de transformadores secos aislados en resina SC(B) y el Transformador tipo seco ecológico SG(B) para requisitos de distribución en interiores.
Transformadores elevadores y reductores
Un transformador elevador aumenta la tensión, como entre un generador o un sistema inversor de energía renovable y una red de media tensión. Un transformador reductor reduce la tensión para la distribución y utilización. El mismo transformador puede comportarse como elevador o reductor dependiendo de qué devanado esté energizado, pero la operación inversa segura no es automática. Se deben verificar las derivaciones, la puesta a tierra, la coordinación del aislamiento, la protección, la corriente de irrupción y la aprobación del fabricante.
Transformadores de aislamiento
Un transformador de aislamiento comúnmente tiene una relación de voltaje de 1:1 y separa el circuito de origen de la carga. Puede respaldar objetivos de seguridad, control de ruido y puesta a tierra. No elimina todos los riesgos de descarga eléctrica y su disposición de puesta a tierra secundaria debe diseñarse para la aplicación.
Autotransformadores y transformadores reductor-elevadores
Un autotransformador utiliza un devanado común, lo que puede reducir el tamaño, el material y el coste cuando la relación de tensión es relativamente pequeña. El inconveniente es que no proporciona la misma protección contra la interferencia que un transformador de dos devanados. Los transformadores de tipo buck-boost realizan correcciones de tensión modestas y son útiles cuando la tensión de los equipos difiere ligeramente de la fuente de alimentación disponible. Para el cálculo de la corrección en VA y los límites de selección, consulte nuestra Guía del transformador buck-boost.
Transformadores de montaje en pedestal y de montaje en poste
Un transformador de montaje en superficie se instala a nivel del suelo en un gabinete cerrado y resistente a manipulaciones, y se usa comúnmente con sistemas de distribución subterránea. Un transformador instalado en poste se instala en la parte superior de un poste de servicios públicos, típicamente para distribución local. La selección depende del diseño de la red, la capacidad nominal, el acceso, la seguridad pública, la disposición de los cables, el entorno y la práctica de la empresa de servicios públicos.
Transformadores de medida
Los transformadores de corriente (CT) y los transformadores de tensión o potencial (VT/PT) reducen la corriente o la tensión del sistema a valores medibles para los medidores y los relés de protección. No se trata de transformadores de carga-alimentación. Los circuitos secundarios de los CT nunca deben permanecer abiertos mientras la corriente fluye a través del primario, ya que puede producirse una tensión peligrosa. Para la detección de fallas residuales o de tierra con todos los conductores activos que atraviesan un solo núcleo, consulte nuestra sección dedicada a ello. Guía del transformador de corriente de balanceo central.
Transformadores con núcleo arrollado tridimensional
Un diseño de núcleo bobinado tridimensional utiliza un circuito magnético simétrico destinado a reducir las diferencias de trayectoria magnética y favorecer un rendimiento de bajas pérdidas y bajo ruido. El transformador delta tridimensional LBAJI S-M-L es una opción para los compradores que comparan el rendimiento energético del ciclo de vida y los requisitos acústicos con los diseños convencionales de núcleo apilado.
Métodos de refrigeración de transformadores
El diseño de refrigeración determina cómo se transfiere el calor desde los devanados y el núcleo hacia el entorno circundante. Las denominaciones comunes sumergidas en aceite incluyen ONAN, donde el aceite y el aire circulan de forma natural, y ONAF, donde los ventiladores aumentan la disipación de calor. Las unidades más grandes pueden utilizar circulación de aceite forzada e intercambiadores de calor dedicados.
Los transformadores de tipo seco comúnmente utilizan enfriamiento por aire natural o ventiladores de aire forzado. Los ventiladores pueden proporcionar capacidad adicional en diseños clasificados para ese modo de operación, pero también añaden elementos de mantenimiento y no corrigen una ventilación inadecuada de la sala.
Pérdidas y eficiencia en transformadores
Las pérdidas en vacío se producen en el núcleo siempre que el transformador está energizado. Las pérdidas con carga son producidas principalmente por la resistencia de los devanados y los efectos parásitos, y aumentan con la corriente. El precio de compra más bajo puede no producir el costo de vida útil más bajo, especialmente para transformadores de distribución energizados continuamente.
Los compradores deben comparar las pérdidas garantizadas en las condiciones de referencia especificadas, no solo un porcentaje de eficiencia principal. La evaluación debe considerar el perfil de carga previsto, el precio de la energía, la vida útil, la temperatura, la norma de eficiencia aplicable y el método de capitalización.
Protección y operación segura
La protección de transformadores es un sistema, no un solo accesorio. Dependiendo de la potencia nominal y la aplicación, puede incluir fusibles, interruptores automáticos, relés de sobrecorriente y falla a tierra, protección diferencial, dispositivos de temperatura, alivio de presión, protección accionada por gas, indicación de nivel de líquido, pararrayos y medidas de detección de incendios.
La puesta a tierra y la conexión equipotencial deben seguir el diseño del sistema y las normativas locales. La protección primaria y secundaria debe coordinarse con la corriente de irrupción del transformador y las fallas aguas abajo. La instalación, las pruebas, la energización y el mantenimiento deben ser realizados por personal eléctrico calificado bajo procedimientos aprobados.
Cómo seleccionar un transformador para un proyecto
- Define el sistema eléctrico: tensión primaria, tensión secundaria, fases, frecuencia, puesta a tierra, nivel de cortocircuito y grupo de conexión.
- Calcula la carga: kVA conectado, factor de demanda, factor de potencia, arranque de motores, cargas no lineales, ciclo de carga, redundancia y expansión planificada. Utilice un documento cálculo de dimensionamiento de kVA del transformador en lugar de seleccionar la capacidad únicamente a partir de la carga conectada.
- Defina la instalación: ubicación interior o exterior, temperatura ambiente, altitud, humedad, contaminación, condiciones sísmicas, grado de protección, aire de refrigeración, ruido y espacio ocupado.
- Elija aislamiento y refrigeración: sumergido en aceite o de tipo seco, clase de aislamiento, aumento de temperatura, método de refrigeración y requisitos ambientales o de protección contra incendios.
- Especificar rendimiento: impedancia, pérdidas garantizadas, norma de eficiencia, nivel de ruido, regulación de tensión, régimen de sobrecarga y rango de derivaciones. Revisión impedancia del transformador y requisitos de cortocircuito con el estudio de protección del sistema.
- Especificar interfaces: conexiones por cable o barra colectora, orientación de los terminales, disposición del neutro, accesorios, tensión de control, comunicación y monitoreo.
- Definición de verificación: normas aplicables de la CEI, del IEEE o locales; pruebas de rutina, de tipo y especiales; planos; certificados; inspección; y requisitos de aceptación en fábrica.
Para los proyectos de distribución empaquetados, un transformador también puede integrarse con equipos de media y baja tensión. El de LBAJI subestación tipo caja modular YB27-12 y subestación preinstalada YBM-12 combinar funciones de transformación y distribución en un recinto coordinado.
Información para incluir en una solicitud de cotización (RFQ) de transformadores
Una solicitud de presupuesto útil debe incluir al menos:
- Potencia nominal en kVA o MVA
- Voltajes primarios y secundarios y clase de voltaje
- Fase y frecuencia
- Grupo vectorial y requisitos de puesta a tierra
- Tipo de cambiador de tomas, rango de tomas y tamaño de paso
- Impedancia y nivel de falla del sistema
- Método de refrigeración y límites de calentamiento
- Requisitos de instalación y envolvente para interiores o exteriores
- Temperatura ambiente, altitud, humedad y nivel de contaminación
- Normas aplicables y requisitos de eficiencia
- Requisitos de pérdida, sonido, accesorio, protección, monitoreo y prueba
- Disposición de la terminal, límites dimensionales, restricciones de envío y documentos requeridos
Proporcionar esta información con antelación reduce las revisiones de diseño y ayuda al fabricante a comparar opciones sobre la misma base técnica.
Para una revisión de adquisiciones documento por documento, utilice el lista de verificación de RFQ para transformadores de potencia. Después de la entrega, una estructura programa de mantenimiento preventivo ayuda a preservar el estado del aislamiento y la fiabilidad a largo plazo.
Preguntas frecuentes
¿Un transformador crea electricidad?
No. Transfiere energía eléctrica entre circuitos y cambia las relaciones de voltaje y corriente. La energía de salida es menor que la energía de entrada en la cantidad de pérdida del transformador.
¿Puede un transformador convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC)?
No. Un transformador cambia el voltaje de CA. Se requiere un rectificador para convertir CA a CC, aunque ambos componentes pueden estar integrados en una sola fuente de alimentación.
¿Por qué los transformadores se clasifican en kVA?
La carga térmica del transformador está relacionada principalmente con el voltaje y la corriente. La carga conectada determina el factor de potencia, por lo que el equipo se califica en potencia aparente.
¿Qué es un transformador verde?
La frase se refiere generalmente a diseños que reducen el impacto ambiental del ciclo de vida mediante menores pérdidas, materiales responsables, líquidos aislantes biodegradables, menor ruido o mejor reciclabilidad. No es una única clase técnica universal, por lo que los compradores deben solicitar valores de rendimiento mensurables.
¿Cuánto dura un transformador?
La vida útil depende del envejecimiento térmico, la carga, el estado del aislamiento, la humedad, el mantenimiento, los eventos del sistema, la calidad de fabricación y el entorno. La especificación correcta y una temperatura de operación controlada son fundamentales para la fiabilidad a largo plazo.
Conclusión
Los fundamentos de los transformadores son simples a nivel de principio, pero muy específicos de la aplicación en la práctica. La relación entre los transformadores y la distribución de energía debe evaluarse en todo el sistema, no solo a partir de la capacidad de la placa de características. La unidad correcta debe coincidir con el sistema eléctrico, la carga, el entorno, la filosofía de protección, el objetivo de eficiencia y las restricciones de instalación. Una especificación completa es el mejor punto de partida para una operación segura y una cotización confiable.
LBAJI fabrica transformadores de potencia sumergidos en aceite, transformadores tipo seco ecológicos y con aislamiento de resina, transformadores de núcleo bobinado tridimensional y subestaciones integradas. Comparta su diagrama unifilar, datos de carga, requisitos de voltaje, condiciones del sitio y la norma aplicable con el equipo de ingeniería de LBAJI para desarrollar una configuración de transformador específica para el proyecto.
