Estructura y Principio de Funcionamiento del Transformador

La estructura interna del transformador es compleja, pero en términos de sus componentes, las partes fundamentales son el núcleo y los devanados. Estos dos componentes principales forman el cuerpo activo (núcleo-devanados) del transformador. Dependiendo del tipo de transformador, también puede incluir accesorios como los aisladores, el conservador (depósito de expansión), el relé de gas (Buchholz) y el tubo anti-explosión.

Las partes estructurales básicas del transformador son el núcleo y los devanados, que juntos forman el cuerpo activo del transformador. Para mejorar las condiciones de disipación de calor, el cuerpo activo de transformadores de mediana y gran capacidad se sumerge en un tanque cerrado lleno de aceite para transformadores. Las conexiones de los distintos devanados con el circuito externo se realizan a través de aisladores.

Para garantizar un funcionamiento seguro y fiable del transformador, también se incluyen accesorios como el conservador, el relé de gas y el tubo anti-explosión.

(I) Núcleo

El núcleo sirve tanto como el circuito magnético del transformador como su armazón mecánica. Para mejorar el rendimiento magnético y reducir las pérdidas causadas por el flujo magnético alterno en el núcleo, este se construye apilando chapas de acero eléctrico de 0.35-0.5 mm de espesor. Estas chapas están recubiertas con una capa aislante en ambas caras para proporcionar aislamiento entre ellas. Los transformadores de gran capacidad suelen utilizar chapas de acero eléctrico laminado en frío, de alta permeabilidad magnética y bajas pérdidas.

Los núcleos de los transformadores de potencia suelen tener una estructura tipo núcleo (core-type), que puede dividirse en dos partes: las columnas del núcleo (donde se colocan los devanados) y los culatas (yugos) (que conectan las dos columnas del núcleo). Los devanados se colocan alrededor de las columnas del núcleo, y las culatas cierran el camino magnético entre ellas. Al ensamblar las columnas y las culatas para formar el núcleo completo, a menudo se utiliza un ensamblaje escalonado (superpuesto), de modo que las juntas de las diferentes capas no queden en el mismo lugar, lo que reduce la corriente de excitación, aunque tiene la desventaja de ser un ensamblaje más complejo y que consume más tiempo y mano de obra. En los transformadores comunes, la sección transversal de la columna del núcleo adopta una forma escalonada que circunscribe un círculo. Solo se utiliza una forma cuadrada cuando la capacidad del transformador es muy pequeña.

El flujo magnético alterno induce pérdidas por corrientes parásitas (Foucault) y pérdidas por histéresis en el núcleo, haciendo que se caliente. En los núcleos de transformadores de gran capacidad, a menudo se incorporan canales de aceite. El núcleo está sumergido en aceite para transformadores, y cuando el aceite fluye a través de estos canales, se lleva el calor del núcleo.

(II) Devanados

Los devanados son la parte del circuito eléctrico del transformador, utilizados para transmitir energía eléctrica. Generalmente se dividen en devanado de alta tensión (AT) y devanado de baja tensión (BT). El devanado conectado a un voltaje más alto se llama devanado de alta tensión; el conectado a un voltaje más bajo se llama devanado de baja tensión. Desde la perspectiva de la conversión y transferencia de energía, el devanado conectado a la fuente de alimentación, que absorbe energía de ella, se denomina devanado primario; el devanado conectado a la carga, que suministra energía a la carga, se denomina devanado secundario. Los devanados suelen estar hechos de alambre de cobre aislado. El devanado de alta tensión tiene muchas espiras y una sección transversal del conductor pequeña; el devanado de baja tensión tiene pocas espiras y una sección transversal del conductor grande.

Para garantizar que el transformador funcione de forma segura y fiable y tenga una vida útil suficiente, los devanados deben cumplir ciertos requisitos en cuanto a sus propiedades eléctricas, resistencia al calor y resistencia mecánica. Un devanado es una combinación de varias bobinas conectadas según una ley determinada. Según la posición relativa entre los devanados de alta y baja tensión, las configuraciones estructurales de los devanados se pueden dividir en dos tipos: concéntricos y alternados (o de tipo sandwich). En los devanados concéntricos, los devanados de alta y baja tensión se montan concéntricamente alrededor de la columna del núcleo.

Para facilitar el aislamiento, el devanado de baja tensión se coloca directamente contra el núcleo, y el devanado de alta tensión se monta por fuera del de baja tensión. Entre los dos devanados se deja un canal de aceite. Este canal sirve para: 1) proporcionar un espacio de aislamiento entre devanados, y 2) actuar como vía de refrigeración, permitiendo que el aceite fluya y enfríe los devanados. En transformadores monofásicos, los devanados de alta y baja tensión se dividen en dos partes, que se montan en las dos columnas del núcleo; estas dos partes se pueden conectar en serie o en paralelo. En transformadores trifásicos, todos los devanados de alta y baja tensión pertenecientes a la misma fase se montan en la misma columna del núcleo. La estructura de los devanados concéntricos es simple y su fabricación conveniente; los transformadores tipo núcleo suelen emplear esta estructura.

En los devanados alternados (o de tipo sandwich), los devanados de alta y baja tensión se dividen en varios paquetes de bobinas (discos) que se disponen alternativamente a lo largo de la columna del núcleo. Para facilitar el aislamiento y la disipación de calor, se dejan canales de aceite entre los devanados de alta y baja tensión, y los devanados de baja tensión se colocan en las posiciones superior e inferior, cerca de las culatas. Los devanados alternados tienen alta resistencia mecánica y un conexionado más fácil; los transformadores tipo acorazado (shell-type) suelen utilizar esta estructura.

(III) Tanque y Accesorios

1. Tanque: El tanque es la carcasa del transformador sumergido en aceite. Durante el funcionamiento, los devanados y el núcleo generan calor. Para disipar rápidamente este calor al aire circundante, se pueden emplear métodos para aumentar el área de disipación. Los tipos estructurales de tanques de transformadores incluyen principalmente los de paredes lisas y los tubulares (con radiadores).

   Para transformadores de capacidad media, se utilizan tanques tubulares con tubos radiadores soldados en el exterior de las paredes del tanque para aumentar el área de disipación. Cuando el aceite se calienta y se expande, el aceite caliente asciende a la parte superior del tanque, mientras que el aceite enfriado en los tubos desciende al fondo del tanque, creando una circulación natural que disipa el calor al aire circundante.

   Para transformadores de gran capacidad, también se pueden emplear métodos de refrigeración forzada, como ventiladores que soplan sobre los radiadores, para mejorar la disipación de calor. El conjunto formado por los devanados de AT y BT montados en el núcleo se denomina cuerpo activo, que se coloca dentro del tanque, el cual se llena con aceite para transformadores.

2. Aceite para Transformadores: El aceite para transformadores es un aceite mineral con muy buenas propiedades aislantes. El aceite cumple dos funciones principales: ① Actúa como aislante entre los devanados, entre los devanados y el núcleo, y entre los devanados y el tanque, mejorando la resistencia dieléctrica del conjunto, ya que el aceite tiene mejores propiedades aislantes que el aire. ② El aceite para transformadores, al calentarse, genera convección, actuando como medio refrigerante para el núcleo y los devanados del transformador. A través de la convección, el calor de los devanados y del núcleo se transfiere a las paredes del tanque, desde donde se disipa al aire. Los requisitos para el aceite de transformador son: alta rigidez dieléctrica; alto punto de inflamación; baja viscosidad; y el menor contenido posible de agua e impurezas.

3. Conservador (Depósito de Expansión): El aceite para transformadores se expande al calentarse, por lo que el tanque principal no puede estar sellado. Para reducir el área de contacto entre el aceite y el aire, los transformadores están equipados con un conservador. El conservador se fija en la parte superior del tanque y se conecta directamente a él mediante una tubería. La parte superior del conservador tiene una válvula de llenado para agregar aceite al transformador, y la parte inferior del tanque tiene una válvula de drenaje para evacuar el aceite.

   El conservador aísla el interior del tanque del aire exterior, reduciendo el área de oxidación del aceite y de absorción de humedad. El nivel de aceite dentro del conservador se mantiene dentro de un rango específico. Cuando el aceite se expande por el calor, una parte es impulsada hacia el conservador, haciendo que el nivel suba; cuando el aceite se contrae por el frío, esta parte del aceite regresa al tanque principal, haciendo que el nivel baje. El tamaño del conservador debe ser tal que, ante cualquier temperatura de funcionamiento posible, la subida y bajada del nivel de aceite se mantenga siempre dentro de los límites del conservador. En un lateral del conservador hay un indicador de nivel de aceite para visualizar los cambios en el nivel.

   Además, el conservador está equipado con un respirador (desecante), que es un dispositivo de filtrado de aire. El aire exterior pasa a través del respirador, donde se seca, antes de poder entrar en el conservador, evitando así que el aceite del tanque se deteriore o contamine fácilmente.

4. Relé de Gas (Buchholz): Se instala en la tubería que conecta el tanque principal y el conservador. Es un dispositivo de protección principal. Internamente, tiene un flotador con interruptores de mercurio y una placa deflectora que puede accionar otro interruptor de mercurio. Cuando ocurre una falla menor en el transformador, el gas generado se acumula en la parte superior del relé de gas, el nivel de aceite desciende, el flotador se hunde y activa un interruptor de mercurio, enviando una señal de alarma. Cuando ocurre una falla grave, el flujo de aceite impulsa la placa deflectora, cuyo movimiento acciona un mecanismo que cierra otro interruptor de mercurio, enviando una señal y provocando el disparo (desconexión) del transformador, cortando su alimentación.

5. Tubo Anti-Explosión (o Válvula de Alivio de Presión): Los transformadores de gran capacidad también tienen un tubo anti-explosión en la tapa del tanque. Es un tubo de acero largo conectado por su parte inferior al tanque y que en su extremo superior tiene una membrana de ruptura. Si ocurre una falla interna grave que genere una gran cantidad de gas, la presión dentro del tanque aumenta rápidamente, rompiendo la membrana del tubo anti-explosión y liberando gas y aceite, aliviando la presión y evitando una explosión del tanque.

6. Conmutador de Derivaciones (Taps): En los sistemas eléctricos, para mantener el voltaje de salida del transformador dentro de un rango permitido, se requiere que el número de espiras del devanado primario sea ajustable dentro de ciertos límites. Por lo tanto, el devanado primario generalmente tiene tomas o derivaciones. Al conectar el conmutador a diferentes derivaciones, se puede cambiar el número de espiras del devanado primario, logrando el objetivo de regular el voltaje. Los conmutadores de derivaciones se dividen en conmutadores bajo carga (que permiten el cambio durante el funcionamiento) y conmutadores sin carga (que requieren que el transformador esté desenergizado).

7. Aisladores (Bujías): Se montan en la tapa del tanque del transformador. Su función es sacar los terminales de conexión de los devanados fuera del tanque, proporcionando aislamiento eléctrico entre los conductores y el tanque (puesto a tierra). Para tensiones inferiores a 1 kV, se utilizan aisladores cerámicos; para tensiones de 10-35 kV, se utilizan aisladores rellenos de gas o aceite; y para tensiones superiores a 110 kV, se utilizan aisladores capacitivos.

8. Dispositivo de Medición de Temperatura: Supervisa la temperatura del aceite en la parte superior del tanque. Los transformadores sumergidos en aceite de pequeña capacidad utilizan termómetros de mercurio, mientras que los transformadores más grandes utilizan termómetros de presión a distancia.