Componentes de un transformador
Núcleo
El núcleo de un transformador es la zona por la que circula el campo magnético entre los devanados primario y secundario. Dependiendo de la finalidad del transformador, puede tener varias formas y estar constituido por diferentes materiales.
El núcleo está formado habitualmente por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las pérdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para reducir las corrientes de Foucault y, consiguientemente, reducir las pérdidas de energía en el núcleo.
Algunos transformadores no tienen núcleo y se les denomina transformadores sin núcleo o con núcleo de aire. Un núcleo de aire es esencialmente un núcleo sin pérdidas por histéresis o corrientes de Foucault. Sin embargo, la inductancia de dispersión es muy alta, siendo inapropiados para la transmisión de potencia. Por el contrario, tienen un ancho de banda muy alto y se emplean frecuentemente en aplicaciones de radiocomunicación. Dentro del concepto de transformadores de núcleo de aire entran también los sistemas de carga inalámbrica y las bobinas de Tesla.
Alrededor de cada columna se arrolla un devanado. Una culata superior y una culata inferior cierran el circuito magnético del núcleo.
Además de las columnas, dos culatas laterales sin devanados se disponen a los lados. Evitan los flujos de dispersión.
El núcleo consiste en un anillo (toroide), normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.
El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas, pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.
En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita "Ferrita (cerámica ferromagnética)") que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.
Bobinas
Las bobinas son generalmente de cobre enrollado en el núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.
El devanado primario y secundario se suelen arrollar uno dentro del otro. La razón es reducir al máximo la inductancia de dispersión y aprovechar al máximo el núcleo magnético disponible. Entre los arrollamientos es necesario una capa aislante, puesto que ambos funcionan a tensiones diferentes. Para evitar tener espesores de capa aislante demasiado gruesos, lo más habitual es encontrar el devanado de baja tensión arrollado sobre el núcleo y el devanado de alta tensión arrollado sobre el devanado de baja tensión.
Aislamiento
Debido a que las diferentes partes eléctricas de un transformador se encuentran a distintas tensiones, es necesario aislarlas entre sí para evitar la aparición de arcos eléctricos y consecuente degradación de los componentes. Existen varios tipos de aislamiento en un mismo transformador.
Otros componentes
Dependiendo del tamaño y finalidad del transformador, también puede tener los siguientes componentes.
El cambiador de tomas o derivaciones es un dispositivo electromecánico que puede ser accionado manualmente para cambiar la relación de transformación en un transformador. Típicamente, son cinco pasos o tomas: uno de ellos es neutral (representa la relación de transformación nominal) y los otros alteran la relación de transformación en más o menos el 2,5 % y más o menos el 5 % respectivamente. Esto ayuda, por ejemplo, a corregir la tensión en el secundario si esta cae demasiado en alguna barra del sistema.
Es un dispositivo mecánico que nivela el aumento de presión del transformador que pueden hacerlo explotar. Sin embargo, existen varios equipos que explotan a pesar de tener este dispositivo. Existen el relé de presión súbita para presiones transitorias y el relé de sobrepresión para presiones más permanentes.
Este accesorio indica la diferencia de presión entre el gas atrapado entre el aceite del transformador y su cuba y la presión atmosférica. Se utiliza exclusivamente con transformadores de tanque sellado en aceite, tipo de transformadores que se utilizan en instalaciones no mayores a 7500 kVA.
La presión en el gas atrapado entre el aceite y la cuba, sufre expansión o contracción debido a las variaciones de volumen en el líquido aislante, variaciones de temperatura ambiente o en la carga propia del transformador. Presiones altas negativas o positivas pueden indicar condiciones anormales en los transformadores, como fuga de gas o ingreso de elementos a la cuba.
Este accesorio es normalmente equipado con alarmas, que permiten detectar valores extremos de presión positiva o negativa.
Permitir presiones extremas en el gas que queda entre el aceite y la cuba puede causar deformaciones o ruptura en la cuba.
Las alarmas de este dispositivo se vinculan normalmente a otros dispositivos de protección de los transformadores como válvulas de alivio.[3].
En transformadores de un cierto tamaño y de refrigeración primaria en baño de aceite, se utiliza un depósito de expansión para absorber el aumento de volumen producido por el calentamiento del refrigerante.
En transformadores de gran tamaño y refrigeración en baño de aceite, se utiliza un relé de Buchholz para detectar fallos del dieléctrico (material aislante entre los arrollamientos). Este tipo de fallos generan un arco eléctrico en el interior del transformador que descomponen el aceite. Producto de dicha descomposición química, se generan gases que se acumulan en el relé de Buchholz, provocando el descenso del nivel de aceite. Un interruptor conectado al nivel de aceite dispara las protecciones y alarmas pertinentes.
Con el advenimiento de la electrónica y de la gran difusión que han tenido los microprocesadores, se encuentran hoy en el mercado distintos dispositivos que permiten realizar la protección de transformadores.