Resumen de transformadores por Carlos Garcia para el Curso de Maquinas en Samaná Caldas

 

Transformadores: una puerta de entrada a las máquinas eléctricas

Los transformadores son dispositivos esenciales en cualquier sistema eléctrico, desde la distribución de energía en ciudades hasta cargadores de celulares. Su principio de operación se basa en la inducción electromagnética: cuando una corriente alterna pasa por una bobina (llamada primario), crea un campo magnético variable que se transfiere a otra bobina (llamada secundario). Ese campo magnético induce un voltaje en el secundario. La relación entre voltaje y número de espiras es directa:

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2}$$

De esta forma, si el secundario tiene más espiras, el voltaje aumenta (transformador elevador), y si tiene menos, el voltaje disminuye (transformador reductor). Esta idea sencilla es la base de toda la transmisión eléctrica moderna.

Los transformadores se clasifican según su uso (de potencia, de distribución, de medición), según su construcción (núcleo tipo columna o tipo acorazado) y según su forma de conexión. Su construcción siempre incluye dos bobinas de cobre aislado y un núcleo de hierro o acero al silicio que guía el flujo magnético. La ecuación fundamental de voltaje inducido en un transformador es:

$$E = 4.44\, f \, N \, \Phi_{\text{max}}$$

donde E es el voltaje inducido, f la frecuencia, N las espiras y Φ el flujo máximo. Esta ecuación permite diseñar transformadores ajustando espiras, frecuencia y tamaño del núcleo.

Para entender cómo se comportan en funcionamiento real, se usa un diagrama de fasores, que muestra la relación en ángulo y magnitud entre voltajes y corrientes. Como los transformadores trabajan en corriente alterna, estos fasores permiten visualizar desfases y pérdidas. A partir de este análisis se obtiene el circuito equivalente, que modela las pérdidas internas. Existen dos tipos principales de pérdidas: pérdidas en el cobre (por calentamiento), que se calculan como $I^2 R$; y pérdidas en el núcleo, que dependen de la histéresis y corrientes parásitas del material. La eficiencia del transformador se define como

$$\eta = \frac{P_{\text{salida}}}{P_{\text{entrada}}} \times 100\%$$

y en transformadores reales suele estar por encima del 95%.

Otro concepto importante es la regulación de voltaje, que indica cuánto cambia el voltaje de salida entre vacío y carga:

$$\text{Regulación} = \frac{V_{\text{vacío}} - V_{\text{carga}}}{V_{\text{carga}}} \times 100\%$$

Una buena regulación significa que el voltaje se mantiene estable aunque la carga cambie. Además, la respuesta en frecuencia explica por qué los transformadores se diseñan para 50 o 60 Hz: fuera de esas frecuencias el núcleo se satura o las pérdidas aumentan demasiado. En laboratorio se realiza el test de polaridad, que permite saber si las bobinas están enrolladas en el mismo sentido para poder conectarlas sin generar cortos.

Existen transformadores especiales como los autotransformadores, donde una misma bobina actúa como primario y secundario, lo que permite dispositivos más pequeños y económicos pero con menor aislamiento. También están los transformadores trifásicos, muy usados en la industria y en redes eléctricas. Estos pueden construirse como tres transformadores monofásicos o como un solo núcleo trifásico. Las conexiones típicas (Δ-Δ, Δ-Y, Y-Y) permiten adaptar tensiones y corrientes según necesidades. Un uso clave es el acople de impedancias, donde un transformador ajusta la impedancia de una carga para que coincida con la fuente, mejorando la transferencia de energía. Finalmente, el aislamiento es vital: el transformador separa eléctricamente dos circuitos, protegiendo equipos y personas.

Los transformadores, aunque parecen simples cajas metálicas, representan una de las invenciones más importantes en la historia de la ingeniería. Su capacidad para elevar y reducir voltajes de manera segura, eficiente y sin partes móviles los convierte en la columna vertebral de todas las máquinas eléctricas y sistemas de energía. Comprenderlos abre la puerta al estudio de motores, generadores, sistemas de potencia e incluso electrónica avanzada. Con fórmulas relativamente sencillas, principios claros y ejemplos prácticos, cualquier estudiante puede entender su papel fundamental dentro del mundo eléctrico.