Nivel intermedio · Conceptual
Un transformador real puede entregar casi toda la potencia que recibe, pero nunca toda. Parte de la energía eléctrica se convierte en calor en los devanados y en el núcleo; en equipos grandes también pueden intervenir pérdidas adicionales y auxiliares.
Entender las pérdidas en un transformador permite interpretar su calentamiento, su rendimiento y por qué la potencia útil de salida siempre es menor que la potencia activa de entrada.
El balance de potencia
La energía no desaparece. En régimen estable, la potencia activa que entra se reparte entre la potencia útil que recibe la carga y las pérdidas internas:
Por tanto, Ppérdidas = Pentrada − Psalida. Este balance se expresa en vatios porque hablamos de potencia activa. La potencia aparente en voltamperios sirve para dimensionar tensión y corriente, pero no debe sustituirse sin más en una fórmula de rendimiento.
Qué es el rendimiento de un transformador
El rendimiento η compara la potencia activa útil de salida con la potencia activa absorbida:
Como existen pérdidas, en un transformador real η es menor que 1, o menor que 100 %. Un valor alto no significa ausencia de calor: incluso un porcentaje pequeño puede representar muchos vatios en una unidad de gran potencia.
Ejemplo: 1000 W de entrada y 950 W de salida
Supongamos que las medidas de potencia activa, tomadas en una condición concreta, indican 1000 W de entrada y 950 W útiles en la carga.
Los 50 W restantes se transforman principalmente en calor. El 95 % solo describe ese punto de funcionamiento; no autoriza a asignar el mismo rendimiento a cualquier carga.
Dónde se producen las pérdidas
Una clasificación útil separa las pérdidas asociadas a la corriente de carga de las que aparecen por mantener el núcleo sometido a flujo alterno. También pueden existir contribuciones adicionales.
| Familia | Origen principal | Dependencia simplificada |
|---|---|---|
| Cobre | Resistencia de los devanados | Crece aproximadamente con I² |
| Núcleo | Histéresis y corrientes parásitas | Ligada sobre todo a tensión, frecuencia y material |
| Adicionales | Flujos dispersos, dieléctricos o auxiliares | Depende del diseño y servicio |
Pérdidas en el cobre de los devanados
El conductor del primario y del secundario tiene resistencia. La potencia disipada por efecto Joule en cada devanado es:
Para ambos devanados, una representación directa es Pcu,total = I1²R1 + I2²R2. Las resistencias pueden referirse a un mismo lado para analizar el circuito, pero físicamente el calor se reparte entre los conductores reales.
Por qué la corriente importa al cuadrado
Si la resistencia permanece aproximadamente constante y la corriente se duplica, la pérdida no se duplica: se multiplica por cuatro. Si la corriente pasa de I a 2I:
Esta dependencia explica por qué una sobrecarga moderada puede aumentar con rapidez el calentamiento. En la realidad, además, la resistencia del conductor suele crecer con la temperatura, lo que refuerza la necesidad de respetar la carga y la refrigeración especificadas.
Ejemplo separado de pérdidas de cobre
Supongamos, solo con fines didácticos, que en cierto punto las pérdidas resistivas del primario son 8 W y las del secundario 12 W. La pérdida total de cobre es 20 W. Si las corrientes de ambos lados se redujeran a la mitad y las resistencias no cambiasen, la aproximación I²R daría 5 W en total, una cuarta parte.
El ejemplo no afirma que los dos devanados deban repartir las pérdidas en esas proporciones. El diseño, la sección del conductor, las longitudes y las corrientes nominales determinan cada contribución.
Pérdidas en el núcleo
El flujo alterno obliga al material magnético a cambiar de estado continuamente y también induce tensiones dentro del propio núcleo. De ahí surgen dos mecanismos principales: histéresis y corrientes parásitas.
En un modelo básico se agrupan como pérdidas del hierro o del núcleo. No deben confundirse con la potencia reactiva necesaria para magnetizarlo: ambas contribuciones participan en la corriente en vacío, pero solo la componente de pérdidas consume potencia activa neta.
Histéresis: magnetizar no es reversible sin coste
Cuando el campo magnetizante cambia de sentido, la respuesta del material no sigue exactamente el mismo camino de ida y vuelta. El ciclo de histéresis encierra un área asociada a energía disipada por ciclo y por volumen.
La pérdida depende del material, de la frecuencia y del nivel de flujo, entre otros factores. Por eso los núcleos se fabrican con materiales elegidos para la frecuencia y el servicio previstos. Aquí interesa la causa física: reorientar repetidamente los dominios magnéticos requiere energía.
Corrientes parásitas en el propio núcleo
La ley de Faraday no actúa solo sobre el devanado secundario. El flujo variable también puede inducir fuerzas electromotrices dentro de un núcleo conductor, originando bucles de corriente llamados corrientes de Foucault o corrientes parásitas.
Al circular por un material con resistencia, estas corrientes producen calor. Son corrientes internas del núcleo, no una corriente útil entregada a la carga.
Por qué se lamina el núcleo
Dividir el núcleo en chapas delgadas aisladas entre sí dificulta los grandes recorridos de corriente transversal. Los bucles quedan más limitados y aumenta la resistencia efectiva de su trayectoria, reduciendo las pérdidas por corrientes parásitas.
La laminación no elimina la histéresis ni convierte el núcleo en ideal. Es una estrategia de diseño dirigida principalmente a reducir una de las dos familias de pérdidas magnéticas.
Qué cambia cuando aumenta la carga
Bajo una alimentación de tensión y frecuencia aproximadamente constantes, las pérdidas del núcleo suelen tratarse como casi constantes en un primer modelo. Las pérdidas de cobre, en cambio, aumentan con el cuadrado de la corriente de carga.
Esta separación es una aproximación útil, no una ley exacta para todo régimen. La tensión real, la frecuencia, la temperatura, la distorsión, el flujo disperso y el diseño pueden modificar las contribuciones.
Por qué el rendimiento cambia con la carga
En vacío, la potencia útil de salida es cero mientras siguen existiendo pérdidas del núcleo y alguna pérdida en el primario. El rendimiento útil es, por tanto, cero aunque la potencia absorbida sea pequeña.
Al añadir carga, la potencia útil crece y las pérdidas casi constantes se reparten sobre una salida mayor. El rendimiento mejora. A cargas elevadas, las pérdidas I²R crecen con rapidez y el rendimiento puede dejar de aumentar o disminuir.
La forma exacta de la curva depende del transformador. No existe una carga porcentual universal en la que todos alcancen su máximo rendimiento. En el modelo habitual de pérdidas constantes más cobre proporcional al cuadrado de la carga, el máximo se obtiene cerca del punto donde ambas son iguales, pero otras contribuciones pueden desplazarlo.
Un mismo transformador en dos puntos de carga
Consideremos un modelo didáctico con 20 W de pérdidas del núcleo. A cierta carga, las pérdidas de cobre son 5 W y la salida útil 475 W. La entrada es 500 W y el rendimiento, 95 %.
Si la corriente se duplica, las pérdidas de cobre pasan idealmente de 5 W a 20 W. Si la salida útil en ese segundo punto fuese 950 W, la entrada sería 990 W y el rendimiento sería aproximadamente 95,96 %.
No se deduce que duplicar la corriente siempre eleve el rendimiento. Estos valores muestran cómo compiten una contribución aproximadamente constante y otra cuadrática; el límite térmico y la potencia nominal siguen siendo obligatorios.
Vatios y voltamperios no son intercambiables
La placa de un transformador suele expresar capacidad en voltamperios porque el calentamiento de los devanados depende de la corriente y las pérdidas del núcleo dependen de la tensión aplicada. La carga puede tener un factor de potencia distinto de uno.
Para calcular eficiencia energética se comparan potencias activas en vatios. Si solo conocemos V·I, conocemos potencia aparente. En AC sinusoidal, la potencia activa de una carga se obtiene con el factor de potencia apropiado; este concepto se desarrolla en potencia en corriente alterna.
Pérdidas adicionales y consumo auxiliar
El flujo de dispersión puede inducir corrientes en partes metálicas cercanas y aumentar pérdidas adicionales bajo carga. También puede haber pérdidas dieléctricas en el aislamiento. En grandes transformadores, ventiladores o bombas consumen potencia auxiliar.
No todas estas contribuciones son relevantes por igual en cualquier tamaño. Por eso un balance serio debe declarar qué frontera utiliza: si el consumo auxiliar se incluye en el equipo, qué condiciones de temperatura se consideran y dónde se miden entrada y salida.
De la pérdida al calentamiento
Una pérdida expresada en vatios es una tasa de conversión de energía. Si el calor generado supera temporalmente el evacuado, la temperatura aumenta. Finalmente puede alcanzarse un equilibrio térmico, siempre que la carga y la refrigeración sean compatibles con el diseño.
La temperatura no depende solo de los vatios perdidos: también intervienen masa térmica, materiales, superficie, ventilación y ambiente. El artículo sobre energía eléctrica ayuda a distinguir potencia instantánea, energía acumulada y duración.
Cómo se determina el rendimiento
Conceptualmente, puede medirse potencia activa de entrada y salida en un punto de funcionamiento y aplicar η = Psalida/Pentrada. En ingeniería también se emplean ensayos que separan pérdidas de vacío y de cortocircuito bajo procedimientos controlados.
Este artículo no es un procedimiento de ensayo. Las mediciones en transformadores conectados a red o potencia requieren instrumental, protecciones, competencia y normas adecuadas.
En vacío no hay salida útil, pero sí pérdidas
Con el secundario abierto, I2 = 0 y desaparece la pérdida de cobre secundaria. Sin embargo, el primario sigue alimentando el flujo del núcleo, sus pérdidas magnéticas y una pequeña pérdida de cobre debida a la corriente en vacío.
Por eso no es correcto afirmar que un transformador sin carga «no consume». Tampoco debe confundirse la corriente en vacío con potencia activa: una parte importante puede ser magnetizante y estar desfasada respecto a la tensión.
De potencia perdida a energía térmica
Si las pérdidas se mantienen constantes durante un intervalo, la energía convertida en calor es Epérdidas = Ppérdidast. En el ejemplo de 50 W, una hora de funcionamiento convierte 50 Wh, equivalentes a 180 kJ, en energía térmica.
Esta conversión no determina por sí sola la temperatura: el transformador evacúa calor al ambiente mientras funciona. La temperatura resulta del equilibrio dinámico entre generación, almacenamiento térmico y refrigeración.
Pérdidas y regulación no son lo mismo
Las resistencias internas producen simultáneamente pérdida activa y caída de tensión. Las reactancias de dispersión producen caída fasorial, pero idealmente no consumen potencia activa media. Por eso una mala regulación no puede traducirse directamente en el mismo porcentaje de pérdidas.
Rendimiento y regulación describen preguntas diferentes: cuánta potencia útil llega a la salida y cuánto cambia la tensión terminal bajo una carga definida.
Comprueba el balance
Un transformador absorbe 2,0 kW de potencia activa y entrega 1,92 kW a la carga.
Ver cálculo
Las pérdidas son 2,00 − 1,92 = 0,08 kW = 80 W. El rendimiento es 1,92/2,00 = 0,96, es decir, 96 %.
Del fenómeno al circuito
Ya podemos asignar una causa a cada parte del balance: resistencias para las pérdidas I²R, una rama activa para las pérdidas del núcleo y reactancias para efectos que almacenan y devuelven energía sin ser, por sí solos, pérdidas activas.
El siguiente paso es reunirlos en el circuito equivalente de un transformador. Ese modelo permitirá calcular corrientes, caídas y potencia sin dibujar cada fenómeno distribuido dentro del dispositivo.
Resumen de consulta
- Pentrada = Psalida + Ppérdidas.
- η = Psalida/Pentrada.
- Las pérdidas de cobre siguen aproximadamente I²R.
- Las pérdidas del núcleo incluyen histéresis y corrientes parásitas.
- Con tensión y frecuencia fijas, las pérdidas del núcleo se aproximan como constantes; las de cobre cambian con la carga.
- El rendimiento se calcula con potencia activa, no sustituyendo vatios por VA sin justificarlo.
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