Transformador Monofásico: Construcción, Principio de Funcionamiento y Fasores

Conversión Estática de Voltaje CA mediante Inducción Mutua

Un transformador monofásico es un dispositivo estático de 2 puertos que transfiere energía entre circuitos a la misma frecuencia, cambiando niveles de voltaje/corriente mediante un flujo magnético compartido. Sin partes móviles. Alta eficiencia (95–99.7%).

Detalles de Construcción

1. Núcleo Magnético

• Material: Acero al Silicio Orientado en Grano en Frío (CRGO / M4–M6). Alta permeabilidad, baja pérdida por histeresis.
• Láminas: 0.23–0.35 mm de espesor, aisladas (óxido / barniz / recubrimiento C5). Reduce corrientes parásitas (∝ espesor²).
• Tipos de Núcleo:
  • Tipo Núcleo (Core-Type): Las bobinas rodean los miembros del núcleo (LV concéntrico interior, HV exterior). Mejor refrigeración, más fácil reparación. Estándar para distribución.
  • Tipo Carcaza (Shell-Type): El núcleo rodea las bobinas (sándwich: LV-HV-LV). Mejor resistencia mecánica (cortocircuito), menor reactancia de fuga. Usado para gran potencia, horno, tracción.
• Escalones del Núcleo: Cruciforme / multi-escalonado aproxima círculo → reduce longitud media de espiras → menos pérdida en cobre.

2. Bobinas

• Conductor: Cobre (estándar) o Aluminio (costo/peso). Redondo (pequeño), Rectangular (grande), CTC (Cable Transpuesto Continuo - muy grande).
• Aislamiento: Esmalte (alambre de bobinado), Papel (Kraft, Nomex), Separadores de Tablero Prensado, conductos.
• Arreglo: Concéntrico (LV interior, HV exterior) minimiza espesor de aislamiento y holgura. Entrelazado para baja fuga (transformadores de instrumento).
• Tomas: Fuera de carga (DETC - Cambiador de Tomas Desenergizado) ±2×2.5% o ±5%. Bajo carga (OLTC) para regulación de voltaje (unidades grandes).

3. Sistema de Aislamiento

• Aislamiento Mayor: HV-a-LV, HV-a-Tierra, LV-a-Tierra. Aceite + Tablero Prensado + Barreras de Distancia de Fuga.
• Aislamiento Menor: Espira-a-espira (esmalte), Capa-a-capa (papel), Bobina-a-bobina.
• Borneras: Porcelana / Epoxy / RIP (Papel Impregnado con Resina). Grado condensador (capas de capacitancia) para HV. CTs a menudo integrados en la bornera HV.

4. Tanque y Accesorios (Inmerso en Líquido)

• Tanque: Acero, soldado. Sellado (hermético) o tipo Conservador.
• Fluido de Refrigeración: Aceite Mineral (NAPTA), Éster Natural (FR3 - biodegradable, alto punto de inflamación), Silicona.
• Conservador: Depósito de expansión. Vejiga (N₂) o Respiración Libre + Secador de Gel de Sílice.
• Radiadores / Refrigeración: ONAN (Natural), ONAF (Aire Forzado), OFAF (Aceite/Aire Forzado), OFWF (Aceite/Agua Forzado). Clase K para Éster.
• Dispositivos de Protección: Relé Buchholz (gas/flujo), Válvula de Alivio de Presión (PRV), Indicadores de Temperatura de Aceite/Bobina (OTI/WTI), Indicador Magnético de Nivel de Aceite (MOG).

Principio de Funcionamiento: Ley de Faraday en Acción

1. Excitación: V₁ aplicado al Primario (N₁ espiras). La corriente de magnetización I₀ fluye → crea flujo Φ_m en el núcleo.
2. FEM Autoinducida (Primario): E₁ = -N₁ dΦ/dt ≈ 4.44 f N₁ Φ_m (RMS). V₁ ≈ E₁ (pequeña caída I₀R₁).
3. Inducción Mutua (Secundario): El mismo Φ_m enlaza el Secundario (N₂ espiras). E₂ = -N₂ dΦ/dt = 4.44 f N₂ Φ_m.
4. Relación de Voltaje: V₂/V₁ ≈ E₂/E₁ = N₂/N₁ = a (Relación de Espiras).
5. Corriente de Carga: I₂ fluye en el Secundario → FMM N₂I₂ se opone a Φ_m (Lenz).
6. Respuesta del Primario: El Primario absorbe corriente adicional I₂' = I₂/a para cancelar N₂I₂. FMM neto ≈ N₁I₀ (mantiene Φ_m).
7. Relación de Corriente: I₁/I₂ ≈ N₂/N₁ = 1/a.
8. Balance de Potencia: V₁I₁cosφ₁ ≈ V₂I₂cosφ₂ (despreciando pérdidas).

Circuito Equivalente (Referido al Primario)

 R1 Xl1 R2' Xl2' V1 ──[====]──[===]───┬───[====]──[===]───┐── V2' | │ | │ (Rc) (Xm) | | | │ | │ GND GND GND GND 

• R₁, X_l1: Resistencia y reactancia de fuga del primario.
• R_c, X_m: Pérdida en el núcleo (histeresis+parásitas) y reactancia de magnetización.
• R₂', X_l2': Valores secundarios referidos (× a²).

Pérdidas y Eficiencia

• Pérdida en Vacío (Núcleo) P₀: Histeresis + Corriente parásita. Constante (dependiente del voltaje). ~0.1–0.5% del kVA nominal.
• Pérdida en Carga (Cobre) P_k: I²R (Primario + Secundario). ∝ Carga². ~0.5–2% del kVA nominal.
• Pérdida Parásita: Parásita en tanque, abrazaderas, bornes. Pequeña.
• Eficiencia η = P_out / (P_out + P₀ + P_k). Máxima η cuando P₀ = P_k (típicamente 50–70% de carga).
• Eficiencia de Todo el Día: Energía salida / Energía entrada en 24h. Crítico para transformadores de distribución (cargado ligero promedio).

Regulación de Voltaje

%Reg = (V_nl - V_fl) / V_fl × 100%. Depende del factor de carga. PF retardado → mayor reg. PF adelantado → reg negativa (subida de voltaje).

Pruebas (IEC 60076 / IEEE C57.12)

• Relación y Polaridad (Medidor de Relación de Espiras).
• Resistencia de Bobinado (Puente Kelvin).
• Pérdida y Corriente en Vacío (Prueba de Circuito Abierto).
• Pérdida en Carga y Voltaje de Impedancia (Prueba de Cortocircuito).
• Resistencia de Aislamiento (Megger), PI, DAR.
• Resistencia Dielectrica (Voltaje Aplicado, Voltaje Inducido).
• DGA (Análisis de Gas Disuelto) - Monitoreo de condición.

Resumen: El transformador monofásico es una obra maestra del diseño magnético—comerciando cobre, acero y aislamiento para escalado de voltaje eficiente e aislado. Su simplicidad oculta la precisión de su gestión de pérdidas y capacidad mecánica de resistencia.