Un transformador de potencia puede llevar cientos de megavatios de un nivel de tensión a otro sin partes giratorias en su principio de funcionamiento y con un rendimiento superior al 99 % a plena carga. Opera de forma continua durante décadas, y por eso es uno de los equipos más fiables de cualquier sistema eléctrico.

Desde el experimento de Michael Faraday con un anillo de hierro, en 1831, hasta las unidades diseñadas para 1 000 kV en corriente alterna, el transformador eléctrico ha sido el componente que permitió transportar energía a grandes distancias con pérdidas aceptables. Sin transformadores, el sistema de corriente alterna tal como existe hoy no sería viable.

Este artículo explica cómo funciona un transformador eléctrico, de qué partes se compone, cómo se calcula (circuito equivalente, regulación de tensión y rendimiento), cómo se comportan los trifásicos y cómo se seleccionan y mantienen, con ejemplos numéricos resueltos.

Tabla de contenido

1. Introducción: qué es un transformador y por qué es indispensable

Un transformador eléctrico es una máquina estática (no tiene partes en movimiento) que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro por inducción electromagnética, conservando la frecuencia y modificando, en general, los valores de tensión y de corriente. Está formado por dos o más devanados acoplados magnéticamente a través de un núcleo de material ferromagnético. Al aplicar una tensión alterna al devanado primario circula una corriente que crea un flujo magnético variable en el núcleo; ese flujo atraviesa el devanado secundario e induce en él una tensión cuyo valor depende del número de espiras.

Un transformador no genera energía: la toma de la red por el primario y la entrega por el secundario, con una pequeña fracción convertida en calor por las pérdidas. Tampoco funciona con corriente continua constante, porque sin variación del flujo no hay tensión inducida. Por eso los transformadores son típicos de los sistemas de corriente alterna.

1.1 Por qué elevar la tensión reduce las pérdidas

La potencia que transporta una línea es proporcional al producto de tensión y corriente. Si se eleva la tensión, para la misma potencia basta una corriente menor, y como las pérdidas por efecto Joule en los conductores dependen del cuadrado de la corriente, la reducción es muy grande. Considérese, en un modelo monofásico simplificado con factor de potencia unitario, una línea de resistencia total R = 0.5 Ω que transporta 10 MW:

Pérdidas en la línea a 10 kV

Fórmula: P_pérd = I²·R, con I = P / V
Sustitución: I = 10 000 000 W / 10 000 V = 1 000 A; P_pérd = (1 000 A)² · 0.5 Ω
Resultado: P_pérd = 500 kW (5.0 % de la potencia transportada)

Pérdidas en la línea a 100 kV

Fórmula: P_pérd = I²·R, con I = P / V
Sustitución: I = 10 000 000 W / 100 000 V = 100 A; P_pérd = (100 A)² · 0.5 Ω
Resultado: P_pérd = 5 kW (0.05 % de la potencia transportada)

Al multiplicar la tensión por 10, las pérdidas se dividen por 100. Esta es la razón técnica y económica que impuso la corriente alterna con transformadores para el transporte de energía a gran escala.

1.2 El transformador en la cadena del sistema eléctrico

Entre la central y el usuario final la energía atraviesa varios niveles de tensión, y entre cada uno hay al menos un transformador:

Generación: los generadores producen la energía en media tensión (típicamente entre 6.6 y 24 kV, según la máquina).
Elevación y transmisión: transformadores elevadores llevan la tensión a niveles de alta y extra alta tensión (por ejemplo, 138, 220 y 500 kV en el sistema de transmisión peruano).
Subtransmisión y distribución primaria: transformadores reductores bajan la tensión a niveles de media tensión (por ejemplo, 10, 13.2 y 22.9 kV).
Distribución secundaria: transformadores de distribución, en postes, casetas o subestaciones, entregan baja tensión al usuario (por ejemplo, 380/220 V trifásico).

Los transformadores de gran potencia son además de las máquinas más eficientes que existen: superan con frecuencia el 99 % de rendimiento a plena carga. Esa combinación de eficiencia, robustez, larga vida útil (décadas) y ausencia de partes móviles explica su papel central en la infraestructura eléctrica.

2. Breve historia del transformador

El transformador es resultado de una cadena de descubrimientos y de mejoras de ingeniería que se extiende por más de un siglo. La Tabla 1 resume los hitos principales.

Tabla 1

Hitos en el desarrollo del transformador

Año	Hito
1831	Michael Faraday descubre la inducción electromagnética con su experimento del anillo de hierro con dos bobinas; Joseph Henry llega de forma independiente a resultados similares.
1830 a 1850	Se desarrollan las bobinas de inducción (entre otros, Nicholas Callan y Heinrich Ruhmkorff), precursoras del transformador, alimentadas con corriente interrumpida.
1882 a 1884	Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs presentan su «generador secundario» (con conexión en serie) en Londres y Turín, primera demostración de distribución en corriente alterna con transformadores.
1885	Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy y Miksa Déri (fábrica Ganz, Budapest) desarrollan transformadores de núcleo cerrado conectados en paralelo, la base del diseño moderno; se atribuye a Bláthy el término «transformador».
1886	William Stanley, con apoyo de George Westinghouse, pone en servicio en Great Barrington (Massachusetts) una red de corriente alterna con transformadores prácticos.
1889 a 1891	Mijaíl Dolivo-Dobrovolski impulsa el sistema trifásico y el transformador trifásico; en 1891 se demuestra la transmisión trifásica Lauffen-Frankfurt (unos 175 km).
c. 1900	Robert Hadfield y colaboradores desarrollan el acero al silicio, que reduce las pérdidas del núcleo.
1934	Norman P. Goss patenta el proceso del acero de grano orientado, que reduce de forma notable las pérdidas y la corriente de excitación.
Décadas de 1980 en adelante	Aparecen los núcleos de metal amorfo en transformadores de distribución y los fluidos aislantes de origen vegetal y sintético.
Actualidad	Transformadores de potencia para 1 000 kV en corriente alterna y de convertidor para enlaces HVDC de ±800 kV y más; monitoreo en línea y diseños digitales.

3. Fundamentos físicos

3.1 Inducción electromagnética: leyes de Faraday y Lenz

La ley de Faraday establece que la tensión inducida en una bobina de N espiras es proporcional a la rapidez de variación del flujo magnético que la atraviesa. La ley de Lenz añade que el sentido de esa tensión es tal que se opone a la variación que la produce, lo que se expresa con el signo negativo:

e(t) = − N · dΦ/dt

Si la tensión aplicada al primario es senoidal, el flujo en el núcleo también lo es, con un desfase de 90° (el flujo atrasa a la tensión). Este hecho es la base de la ecuación de la fuerza electromotriz que se verá en la sección 3.4.

3.2 El circuito magnético: flujo, reluctancia y permeabilidad

El núcleo guía el flujo de un devanado al otro. Su comportamiento se describe con magnitudes análogas a las de un circuito eléctrico: la fuerza magnetomotriz ℱ = N·I (equivalente a la tensión), el flujo Φ (equivalente a la corriente) y la reluctancia ℛ (equivalente a la resistencia). La relación, conocida como ley de Hopkinson, es:

ℱ = N · I = Φ · ℛ, ℛ = l / (μ · A), μ = μ₀ · μ_r

donde l es la longitud media del camino magnético, A la sección del núcleo, μ₀ = 4π × 10^-7 H/m la permeabilidad del vacío y μ_r la permeabilidad relativa del material. En los aceros eléctricos μ_r es del orden de miles a decenas de miles, por lo que la reluctancia del núcleo es muy baja y basta una corriente pequeña (la corriente de magnetización) para establecer el flujo.

La densidad de flujo es B = Φ / A. Los materiales ferromagnéticos no responden linealmente: al aumentar B se saturan y su permeabilidad cae. El acero al silicio de grano orientado se satura alrededor de 2 T, y los diseños suelen operar entre 1.5 y 1.8 T para dejar margen frente a sobretensiones y evitar corrientes de excitación elevadas.

3.3 El transformador ideal

Para entender el principio de funcionamiento se parte de un modelo ideal con tres hipótesis: los devanados no tienen resistencia, todo el flujo creado por un devanado enlaza al otro (no hay flujo de dispersión) y el núcleo tiene permeabilidad infinita y no tiene pérdidas. Con ellas, la tensión por espira es la misma en ambos devanados y se cumple:

V₁ / V₂ = N₁ / N₂ = a

N₁·I₁ = N₂·I₂ ⇒ I₁ / I₂ = N₂ / N₁ = 1 / a

S₁ = V₁·I₁ = V₂·I₂ = S₂

El valor a es la relación de transformación. Si a > 1 el transformador es reductor (el secundario tiene menos espiras y menor tensión); si a < 1 es elevador. La potencia aparente se conserva: lo que se gana en tensión se pierde en corriente, y viceversa. La igualdad de amperios-vuelta (N₁I₁ = N₂I₂) expresa que la corriente de carga del secundario es compensada automáticamente por una corriente adicional en el primario.

Otra consecuencia útil es la impedancia reflejada. Una carga Z₂ conectada al secundario se «ve» desde el primario como:

Z’₂ = a² · Z₂

Esto permite trasladar todo el circuito a un solo lado del transformador, lo que simplifica los cálculos, y explica el uso de transformadores para adaptar impedancias en electrónica y comunicaciones.

3.4 Ecuación de la fuerza electromotriz

Si el flujo es senoidal, Φ(t) = Φ_máx · sen(ωt), la ley de Faraday conduce al valor eficaz de la tensión inducida en un devanado de N espiras:

E_ef = (2π/√2) · f · N · Φ_máx ≈ 4.44 · f · N · Φ_máx = 4.44 · f · N · B_máx · A

Esta ecuación es fundamental en el diseño. Muestra que, para una tensión y una frecuencia dadas, el producto N·B_máx·A queda fijado: se puede lograr la tensión con muchas espiras y poca sección de núcleo, o con pocas espiras y mucha sección. También explica por qué un transformador diseñado para 60 Hz y alimentado a 50 Hz con la misma tensión tendría un flujo 20 % mayor (el flujo es inversamente proporcional a la frecuencia) y podría saturarse, mientras que a la inversa funciona sin problema de saturación. A mayor frecuencia, el mismo flujo requiere menos hierro y menos cobre, razón por la cual los transformadores de fuentes conmutadas son tan pequeños.

TE RECOMENDAMOS LEER: Qué son Inductores o bobinas y para qué sirven

Ejemplo 1. Flujo y densidad de flujo en un núcleo

Datos: V₁ = 10 000 V (eficaces), f = 60 Hz, N₁ = 800 espiras, sección del núcleo A = 0.03 m².

Cálculo de Φ_máx y B_máx

Fórmula: Φ_máx = V₁ / (4.44·f·N₁), B_máx = Φ_máx / A
Sustitución: Φ_máx = 10 000 / (4.44 · 60 · 800) = 10 000 / 213 120; B_máx = 0.0469 / 0.03
Resultado: Φ_máx = 0.0469 Wb; B_máx = 1.56 T (valor típico de diseño, por debajo de la saturación)

4. Constitución y partes del transformador

4.1 El núcleo magnético

El núcleo concentra y guía el flujo. Si fuera de hierro macizo, el flujo alterno induciría corrientes circulantes (corrientes de Foucault) que lo calentarían de forma inaceptable. Por eso se construye con láminas delgadas de acero eléctrico aisladas entre sí por un recubrimiento, de espesores típicos entre 0.23 y 0.35 mm. El acero lleva aproximadamente un 3 % de silicio, que aumenta la resistividad eléctrica (reduce las corrientes parásitas) y mejora las propiedades magnéticas.

Acero de grano orientado (GOES): sus cristales se alinean en la dirección de laminación, lo que permite alta permeabilidad y bajas pérdidas si el flujo circula en esa dirección. Es el estándar en transformadores de potencia y distribución.
Juntas escalonadas (step-lap): en las uniones entre columnas y yugos las láminas se solapan de forma escalonada para reducir la reluctancia y las pérdidas en esas zonas.
Metal amorfo y aleaciones nanocristalinas: cintas ultradelgadas sin estructura cristalina, con pérdidas en vacío muy inferiores (reducciones de hasta alrededor de 70 % respecto al acero al silicio convencional en transformadores de distribución), a cambio de mayor costo y menor densidad de flujo de operación.
Ferritas: materiales cerámicos de alta resistividad para altas frecuencias (fuentes conmutadas, comunicaciones).

Según la disposición del núcleo respecto a los devanados se distinguen dos configuraciones básicas (Figura 1). En el tipo núcleo los devanados rodean las columnas del núcleo y el flujo cierra por un único camino; es la disposición habitual en transformadores de potencia y distribución. En el tipo acorazado el núcleo rodea a los devanados, que se sitúan en la columna central; el flujo se reparte en dos caminos de retorno, y se usa en algunos transformadores de potencia, de horno y de baja potencia.

Figura 1

Configuraciones básicas del núcleo: tipo núcleo y tipo acorazado (esquemas ilustrativos)

4.2 Los devanados

Los devanados son bobinas de conductor de cobre o aluminio, de sección circular o rectangular (pletina), aisladas con papel y con barnices o esmaltes. Según la potencia y la tensión se utilizan distintas construcciones: devanados en capas (tensiones bajas y medias), helicoidales (corrientes altas) y en discos (altas tensiones). Se colocan de forma concéntrica alrededor de la columna, con el de menor tensión más cerca del núcleo, ya que requiere menos aislamiento respecto a él, y el de mayor tensión en el exterior. En potencias elevadas se emplean conductores transpuestos continuamente (CTC) para reducir las pérdidas por corrientes parásitas dentro del propio conductor.

4.3 Aislamiento y medio refrigerante

El aislamiento determina la vida útil del transformador. En los diseños sumergidos en líquido se combina papel y cartón prensado (celulosa) con un líquido aislante que cumple dos funciones: aislar eléctricamente y transportar el calor desde el núcleo y los devanados hacia las paredes del tanque y los radiadores. Los líquidos más usados son:

Aceite mineral: el más extendido, de buen comportamiento dieléctrico y térmico; es inflamable (punto de inflamación del orden de 140 a 160 °C).
Ésteres naturales y sintéticos: biodegradables, con puntos de combustión superiores a 300 °C, lo que los clasifica como líquidos de seguridad contra incendio (clase K); se usan donde el riesgo de incendio es crítico.
Siliconas: estables y de baja inflamabilidad, usadas en aplicaciones específicas.

Los transformadores secos no usan líquido: el aislamiento es sólido (resina epoxi encapsulada, o impregnación al vacío y presión, VPI) y se enfrían por aire. Son frecuentes en edificios, hospitales, minería subterránea y lugares donde se quiere evitar el riesgo de incendio o derrame.

4.4 Componentes de un transformador sumergido en aceite

Tanque o cuba: contiene el núcleo, los devanados y el líquido; en potencias medias lleva radiadores o aletas para disipar calor.
Conservador de aceite y respirador (con sílica gel): absorben la expansión del aceite y secan el aire que ingresa; algunos transformadores son herméticos y no tienen conservador.
Aisladores pasantes (bushings): atraviesan la tapa y conectan los devanados con la red de forma aislada.
Cambiador de tomas (tap changer): permite variar la relación de transformación (típicamente en pasos de 2.5 %) para compensar la tensión de la red; puede ser de operación sin tensión (desenergizado) o bajo carga (OLTC).
Relé Buchholz: dispositivo de protección que detecta gases y flujos anormales de aceite producidos por fallas internas, en transformadores con conservador.
Dispositivos de protección y medición: termómetros de aceite y de punto caliente del devanado, indicador de nivel, válvula de alivio de presión y, en equipos grandes, sensores en línea.

5. El transformador real: pérdidas, circuito equivalente, ensayos, regulación y rendimiento

5.1 Pérdidas

Un transformador real tiene pérdidas que se agrupan en dos familias. Las pérdidas en vacío (o pérdidas en el hierro, P_Fe) existen siempre que el transformador está energizado, aun sin carga, y dependen de la tensión y la frecuencia; las pérdidas con carga (en el cobre, P_Cu) dependen del cuadrado de la corriente.

Pérdidas por histéresis: cada ciclo de magnetización recorre un lazo B-H (Figura 2) cuya área es la energía disipada por unidad de volumen. Según la expresión empírica de Steinmetz, P_h = k_h · f · B_máxⁿ, con n entre 1.6 y 2.5 según el material.
Pérdidas por corrientes parásitas (de Foucault): para láminas delgadas, P_e = π² · σ · t² · f² · B_máx² / 6 por unidad de volumen, donde σ es la conductividad y t el espesor de la lámina. Reducir el espesor a la mitad divide estas pérdidas por cuatro, de ahí el laminado del núcleo.
Pérdidas en el cobre: P_Cu = I₁²R₁ + I₂²R₂ (efecto Joule en los devanados), incrementadas por corrientes parásitas en los conductores.
Pérdidas adicionales: debidas al flujo de dispersión en estructuras metálicas, tanque y conexiones.

Figura 2

Lazo de histéresis de un material ferromagnético (esquema ilustrativo)

5.2 Circuito equivalente

Para calcular el comportamiento de un transformador real se representa con un circuito equivalente (Figura 3) que añade al transformador ideal los elementos que modelan sus imperfecciones: la resistencia R₁ y la reactancia de dispersión X₁ del primario; la resistencia R₂ y la reactancia de dispersión X₂ del secundario (referidas al primario: R’₂ = a²R₂, X’₂ = a²X₂); y una rama de excitación en paralelo, con R_c (pérdidas en el hierro) y X_m (magnetización del núcleo), que conduce la corriente de vacío I₀.

Figura 3

Circuito equivalente exacto del transformador, con parámetros del secundario referidos al primario

En la práctica, como la corriente de vacío es pequeña (del orden de 0.5 % a 3 % de la nominal en los transformadores de distribución y menos en los grandes), la rama de excitación se traslada a los terminales del primario y se obtiene el circuito equivalente aproximado, con una impedancia serie equivalente: R_eq = R₁ + R’₂ y X_eq = X₁ + X’₂.

5.3 Ensayos para determinar los parámetros

Los parámetros del circuito equivalente se obtienen con dos ensayos sencillos:

Ensayo de vacío (circuito abierto): se aplica la tensión nominal a un devanado (normalmente el de baja tensión, por seguridad y facilidad) con el otro abierto. La potencia medida es esencialmente P_Fe, y de la corriente de vacío se obtienen R_c y X_m.
Ensayo de cortocircuito: se cortocircuita un devanado y se aplica al otro una tensión reducida (típicamente 4 % a 10 % de la nominal) hasta que circule la corriente nominal. La potencia medida es esencialmente P_Cu nominal y permite obtener R_eq y X_eq. La tensión aplicada, expresada como porcentaje de la nominal, es la tensión de cortocircuito o impedancia porcentual z %.

R_c = V₁² / P₀, R_eq = P_cc / I_n², Z_eq = V_cc / I_n, X_eq = raíz(Z_eq² − R_eq²)

Una impedancia porcentual baja mejora la regulación de tensión pero aumenta la corriente de cortocircuito; una alta limita las corrientes de falla pero empeora la regulación. Valores típicos: 4 % a 6 % en transformadores de distribución y 8 % a 15 % o más en transformadores de potencia.

5.4 Regulación de tensión

La regulación de tensión mide cuánto cambia la tensión del secundario al pasar de vacío a plena carga con el primario a tensión constante:

ε % = (V_2,vacío − V_2,carga) / V_2,carga × 100

Para una carga de factor de potencia cos φ y fracción de carga x = S/S_n, una aproximación muy usada (válida si ε es pequeña) es:

ε % ≈ x · (R_eq% · cos φ ± X_eq% · sen φ)

con signo positivo para cargas inductivas (corriente en retraso) y negativo para cargas capacitivas (corriente en adelanto). Esto explica un hecho importante: con cargas inductivas la tensión cae, pero con cargas capacitivas puede incluso subir respecto a la de vacío (regulación negativa).

5.5 Rendimiento

El rendimiento es la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Con una fracción de carga x y factor de potencia cos φ:

η = x · S_n · cos φ / (x · S_n · cos φ + P_Fe + x² · P_Cu,n)

Como P_Fe es constante y P_Cu crece con x², el rendimiento alcanza un máximo cuando ambas pérdidas se igualan, es decir, cuando:

x_{η máx} = raíz(P_Fe / P_Cu,n)

Los transformadores de distribución, que permanecen energizados las 24 horas pero trabajan con carga variable y a menudo baja, se diseñan de modo que ese máximo ocurra a cargas moderadas (entre 40 % y 70 % de la nominal). Para ellos resulta más representativo el rendimiento energético diario (energía de salida sobre energía de entrada en 24 horas) que el rendimiento a plena carga.

5.6 Ejemplo completo de cálculo

Ejemplo 2. Transformador monofásico de 50 kVA

Datos: S_n = 50 000 VA; V₁/V₂ = 10 000/400 V; f = 60 Hz; z = 4 %.

Ensayo de vacío (lado de alta): P₀ = 300 W, I₀ = 0.1 A. Ensayo de cortocircuito: P_cc = 900 W a corriente nominal.

(Valores ilustrativos, elegidos para fines didácticos.)

a) Relación de transformación y corrientes nominales

Fórmula: a = V₁/V₂; I_1n = S_n/V₁; I_2n = S_n/V₂
Sustitución: a = 10 000/400; I_1n = 50 000/10 000; I_2n = 50 000/400
Resultado: a = 25; I_1n = 5.0 A; I_2n = 125 A (comprobación: I_2n/I_1n = 25 = a)

b) Parámetros de la rama serie (referidos al lado de alta)

Fórmula: Z_eq = V_cc/I_1n; R_eq = P_cc/I_1n²; X_eq = raíz(Z_eq² − R_eq²)
Sustitución: V_cc = 0.04 · 10 000 = 400 V; Z_eq = 400/5; R_eq = 900/5²; X_eq = raíz(80² − 36²)
Resultado: Z_eq = 80.0 Ω; R_eq = 36.0 Ω; X_eq = 71.4 Ω

c) Parámetros de la rama de excitación (lado de alta)

Fórmula: R_c = V₁²/P₀; I_Fe = P₀/V₁; I_μ = raíz(I₀² − I_Fe²); X_m = V₁/I_μ
Sustitución: R_c = 10 000²/300; I_Fe = 300/10 000; I_μ = raíz(0.1² − 0.030²); X_m = 10 000/0.0954
Resultado: R_c = 333 333 Ω; I_Fe = 0.030 A; I_μ = 0.0954 A; X_m = 104 828 Ω

d) Parámetros en por unidad

Fórmula: Z_base = V₁²/S_n; R% = R_eq/Z_base × 100; X% = X_eq/Z_base × 100
Sustitución: Z_base = 10 000²/50 000 = 2 000 Ω; R% = 36.0/2 000; X% = 71.4/2 000
Resultado: R% = 1.80 %; X% = 3.57 % (z = raíz(R%² + X%²) = 4 %)

TE RECOMENDAMOS LEER: Qué es un Fusibles y cómo funciona | Tipos, partes y aplicaciones

e) Regulación a plena carga, cos φ = 0.8

Fórmula: ε % ≈ R% · cos φ ± X% · sen φ
Sustitución: inductiva: 1.80·0.8 + 3.57·0.6; capacitiva: 1.80·0.8 − 3.57·0.6
Resultado: inductiva: ε ≈ 3.58 %; capacitiva: ε ≈ −0.70 % (la tensión de salida sube)

f) Rendimiento a plena carga

Fórmula: η = S_n·cos φ / (S_n·cos φ + P₀ + P_cc)
Sustitución: cos φ = 0.8: 40 000/(40 000 + 300 + 900); cos φ = 1: 50 000/(50 000 + 300 + 900)
Resultado: η = 97.09 % (cos φ = 0.8); η = 97.66 % (cos φ = 1)

g) Carga de rendimiento máximo

Fórmula: x_{η máx} = raíz(P₀/P_cc); η_máx = x·S_n·cos φ / (x·S_n·cos φ + 2P₀)
Sustitución: x = raíz(300/900); pérdidas totales = 300 + x²·900 = 600 W
Resultado: x = 0.577 (28.9 kVA); η_máx = 97.47 % (cos φ = 0.8), 97.96 % (cos φ = 1)

h) Corriente de cortocircuito (fuente de potencia infinita)

Fórmula: I_cc = I_n / z (z en por unidad)
Sustitución: lado de alta: 5.0/0.04; lado de baja: 125/0.04
Resultado: I_cc,1 = 125 A; I_cc,2 = 3 125 A (25 veces la corriente nominal)

Las Figuras 4 y 5 muestran, para este transformador, cómo varían el rendimiento y la regulación con la carga. Obsérvese que el rendimiento es máximo cerca del 58 % de la carga nominal y que la curva es muy plana entre 30 % y 100 %, y que la regulación depende fuertemente del factor de potencia.

Figura 4

Rendimiento del transformador del Ejemplo 2 en función de la carga

Figura 5

Regulación de tensión del transformador del Ejemplo 2 en función de la carga y del factor de potencia

6. Clasificación de los transformadores

Los transformadores pueden clasificarse según varios criterios; los más usados se resumen en la Tabla 2.

Tabla 2

Criterios de clasificación de los transformadores

Criterio	Tipos	Comentario
Función	Elevadores, reductores, de aislamiento (a = 1)	El de aislamiento separa galvánicamente dos circuitos y mejora la seguridad.
Aplicación	De potencia, de distribución, de medida (TC y TP), de horno, de rectificador, de tracción, de soldadura, de impulsos y de fuentes conmutadas	Cada uso impone requisitos de impedancia, armónicos, sobrecargas y aislamiento.
Número de fases	Monofásicos y trifásicos	Un banco de tres monofásicos puede sustituir a una unidad trifásica.
Número de devanados	De dos devanados, de tres devanados (con terciario), autotransformadores	El terciario en delta mejora el comportamiento ante armónicos y desbalances.
Núcleo	Tipo núcleo, tipo acorazado, de núcleo enrollado	El enrollado se usa en distribución y en transformadores pequeños.
Medio aislante y refrigerante	Sumergidos en líquido (aceite mineral, éster, silicona) y secos (resina encapsulada, VPI)	Determinan ubicación, riesgo de incendio y mantenimiento.
Instalación	Interior, intemperie, tipo poste, tipo pedestal, subterráneo, sumergible	Cada tipo exige un grado de protección (IP) y una construcción distinta.

En términos generales, los transformadores de distribución son los de menor potencia (desde pocos kVA hasta algunos MVA) y los más numerosos, y los transformadores de potencia son los de mayor tamaño, usados en centrales y subestaciones de transmisión.

6.1 Designación del sistema de refrigeración

La norma IEC 60076-2 designa el método de refrigeración con cuatro letras: la primera indica el refrigerante interno (O: aceite mineral; K: líquido de punto de combustión mayor a 300 °C; L: líquido sin punto de combustión medible); la segunda, su circulación (N: natural; F: forzada; D: forzada y dirigida); la tercera, el refrigerante externo (A: aire; W: agua); y la cuarta, la circulación del externo (N o F). En los transformadores secos se usa AN (aire natural) o AF (aire forzado). La Tabla 3 muestra los casos más comunes.

Tabla 3

Designaciones de refrigeración más comunes

IEC	Significado	Uso típico
ONAN	Aceite natural, aire natural	Distribución y potencias medias; el más sencillo y de menor mantenimiento.
ONAF	Aceite natural, aire forzado (ventiladores)	Aumenta la potencia en una segunda etapa de refrigeración.
OFAF	Aceite forzado (bombas), aire forzado	Transformadores de gran potencia.
ODAF	Aceite forzado y dirigido por los devanados, aire forzado	Mayor capacidad de enfriamiento en unidades muy grandes.
OFWF	Aceite forzado, agua forzada	Centrales y sitios con agua de refrigeración disponible.
AN / AF	Seco, aire natural / aire forzado	Transformadores secos.

7. Transformadores trifásicos

La energía eléctrica se genera, transporta y distribuye en sistemas trifásicos, por lo que la mayoría de los transformadores de potencia y distribución son trifásicos. Pueden construirse de dos formas: un banco de tres transformadores monofásicos (flexible, con una unidad de reserva más barata, usado en potencias muy grandes o donde hay limitaciones de transporte) o una unidad trifásica con núcleo de tres columnas (más compacta, económica y eficiente, y la solución habitual). En el núcleo de tres columnas los tres flujos, desfasados 120°, suman cero en cada instante, de modo que no se necesita una columna de retorno.

7.1 Relaciones entre magnitudes de línea y de fase

Según la conexión de los devanados en estrella (Y) o en triángulo (Δ), las magnitudes de línea y de fase se relacionan así:

Tabla 4

Magnitudes de línea y de fase según la conexión

Conexión	Tensión de línea	Corriente de línea
Estrella (Y)	V_L = √3 · V_fase	I_L = I_fase
Triángulo (Δ)	V_L = V_fase	I_L = √3 · I_fase

Por tanto, la relación de transformación de línea depende de la conexión: en una conexión Δ-Y, por ejemplo, la relación entre tensiones de línea es la relación de espiras dividida entre √3. Las potencias trifásicas se calculan con S = √3 · V_L · I_L.

Corrientes de línea y relaciones de un transformador trifásico Dyn11 de 250 kVA, 22.9/0.38 kV

Fórmula: I_L = S / (√3 · V_L); a_línea = V_H/V_B; a_espiras = V_fase,H/V_fase,B

Sustitución: I_H = 250 000/(√3 · 22 900); I_B = 250 000/(√3 · 380); a_línea = 22 900/380; V_fase,B = 380/√3 = 219.4 V; a_espiras = 22 900/219.4

Resultado: I_H = 6.30 A; I_B = 379.8 A; a_línea = 60.26; a_espiras = 104.4 (= √3 · a_línea)

7.2 Conexiones más usadas

Tabla 5

Conexiones trifásicas habituales

Conexión	Características	Uso típico
Yy	Sencilla; permite neutro en ambos lados. Si no hay neutro conectado ni terciario en delta, las cargas desequilibradas y los armónicos de tercer orden producen distorsión y desplazamiento del neutro.	Poco usada sola; se acompaña de terciario en delta o neutro sólidamente aterrado.
Dyn	El triángulo del primario circula los armónicos de tercer orden y soporta cargas desequilibradas del secundario; el neutro del secundario alimenta cargas monofásicas.	Distribución en baja tensión (muy común: Dyn11 y Dyn5).
Yd	Estrella en alta (permite aterrar el neutro, reduce aislamiento) y triángulo en baja.	Transformadores elevadores de centrales y subestaciones.
Dd	Sin desfase entre primario y secundario; permite operar con dos transformadores (conexión V-V) si falla uno de los tres.	Industria, cargas medias.
Yz (zig-zag)	El secundario en zig-zag reparte mejor las cargas desequilibradas.	Distribución, donde se esperan grandes desequilibrios de cargas monofásicas.

En la conexión V-V (delta abierta) dos transformadores monofásicos de potencia S cada uno entregan √3 · S, es decir, el 57.7 % de la potencia que daría un banco completo de tres unidades y el 86.6 % de la capacidad instalada. Es una solución de emergencia o de baja carga, pero no es recomendable de forma permanente.

7.3 Índice horario y desfase

Entre los fasores de tensión del primario y del secundario puede haber un desfase en múltiplos de 30°. Se expresa con el índice horario, que usa como analogía la esfera de un reloj: el fasor de alta tensión se coloca en las 12 y el de baja en el número que corresponde, contando 30° por hora en sentido de retraso. Así, Dyn11 significa que la tensión de baja adelanta 30° a la de alta, y Dyn5 que la atrasa 150°. El grupo de conexión es un dato esencial de la placa de características y debe coincidir para operar transformadores en paralelo.

7.4 Operación en paralelo

Dos o más transformadores pueden operar en paralelo para aumentar la capacidad de suministro o dar redundancia, si cumplen estas condiciones:

Misma relación de transformación (en caso contrario circularía corriente entre ellos aun sin carga).
Mismo grupo de conexión (mismo desfase) y misma secuencia de fases.
Misma frecuencia.
Impedancias porcentuales similares (recomendable una diferencia no mayor a aproximadamente 10 %), y relaciones R/X semejantes.

Si las impedancias no coinciden, la carga se reparte en proporción inversa a la impedancia porcentual (referida a la potencia de cada unidad), y el transformador de menor impedancia se carga más en términos relativos y alcanza antes su límite.

Ejemplo 3. Dos transformadores en paralelo

Datos: A: 500 kVA, z = 4 %. B: 1000 kVA, z = 6 %.

Capacidad máxima del conjunto sin sobrecargar ninguna unidad

Fórmula: s_A/s_B = z_B/z_A (cargas en por unidad); S_B = s_B · S_n,B; S_total = S_A + S_B

Sustitución: s_A/s_B = 0.06/0.04 = 1.50; la unidad A (menor z) llega primero a s_A = 1 pu (500 kVA); s_B = 1/1.50 = 0.667 pu; S_B = 0.667 · 1000

Resultado: S_B = 666.7 kVA; S_total,máx = 500 + 666.7 = 1166.7 kVA (frente a 1500 kVA de capacidad instalada, 77.8 %)

8. Operación en condiciones especiales

8.1 Corriente de energización (inrush)

Al conectar un transformador a la red, el flujo inicial depende del instante de cierre y del flujo remanente del núcleo. Si el flujo resultante supera el de saturación, la corriente de magnetización crece de forma brusca y puede alcanzar varias veces la corriente nominal (comúnmente de 5 a 10 veces, o más), con una duración de varios ciclos a segundos antes de decaer. Esta corriente es muy rica en segundo armónico, característica que usan los relés de protección diferencial para distinguirla de una falla interna y no disparar de forma incorrecta. En el diseño de las protecciones y la selección de fusibles debe tenerse en cuenta este fenómeno.

8.2 Sobrecarga y envejecimiento térmico del aislamiento

La vida útil de un transformador sumergido en aceite está dominada por el envejecimiento térmico del papel aislante. Este envejecimiento depende de la temperatura del punto más caliente del devanado (hot spot) y se acelera de forma exponencial: según la guía IEC 60076-7, para el papel convencional la temperatura de referencia del punto caliente es de 98 °C, y la velocidad relativa de envejecimiento se duplica aproximadamente por cada 6 °C de aumento. Las guías de carga (IEC 60076-7 e IEEE C57.91) permiten sobrecargas temporales, ya que la masa térmica del transformador amortigua los aumentos de temperatura, pero cada sobrecarga consume parte de la vida útil. Por eso conviene monitorear la temperatura del aceite y del punto caliente.

8.3 Altitud de instalación

Las condiciones normalizadas de servicio de las normas IEC e IEEE suponen una altitud de hasta 1 000 m sobre el nivel del mar. A mayor altitud disminuye la densidad del aire, y esto tiene dos efectos:

Peor refrigeración: hay menos masa de aire para extraer calor de radiadores y aletas, por lo que los límites de calentamiento admisibles (o la potencia utilizable) deben reducirse según la norma aplicable y el sistema de refrigeración.
Menor rigidez dieléctrica del aire externo: los pasatapas, las distancias en aire y los aisladores deben dimensionarse para un nivel de aislamiento mayor. El aislamiento interno, sumergido en aceite, no se ve afectado.

Para el aislamiento externo, IEC 60071-2 propone el factor de corrección:

$$K_a = e^{\frac{m \cdot H}{8150}}$$

donde $H$ es la altitud de la instalación sobre el nivel del mar, en metros, y $m$ es un exponente que depende del tipo de tensión soportada ($m = 1$ para impulso tipo rayo). La tensión soportada requerida a nivel del mar es la tensión requerida en el sitio multiplicada por $K_a$.

TE RECOMENDAMOS LEER: El Diodo: Fundamentos, Funcionamiento y Aplicaciones

Cuando el equipo se especifica como apto para operar hasta 1 000 m (criterio habitual de IEC 62271-1 y de las normas de transformadores), la corrección se aplica solo a la altitud que excede 1 000 m:

$$K_a = e^{\frac{m \cdot (H – 1000)}{8150}}$$

Ambos criterios son válidos, pero responden a referencias distintas (nivel del mar o 1 000 m), por lo que no deben mezclarse en un mismo cálculo. Esto es especialmente relevante en zonas andinas del sur del Perú, donde muchas instalaciones superan los 3 000 m s. n. m.

Ejemplo: corrección del nivel de aislamiento externo a 3 400 m s. n. m. (impulso tipo rayo, $m = 1$, tensión base de 125 kV)

Criterio A, referido al nivel del mar (IEC 60071-2)

Fórmula:$K_a = e^{\frac{H}{8150}}$; $U_{req} = U_n \cdot K_a$
Sustitución:$K_a = e^{\frac{3400}{8150}}$; $U_{req} = 125\text{ kV} \cdot 1.518$
Resultado:$K_a = 1.518$; $U_{req} = 189.7\text{ kV}$ (nivel equivalente a nivel del mar)

Criterio B, referido a 1 000 m

Fórmula:$K_a = e^{\frac{H – 1000}{8150}}$; $U_{req} = U_n \cdot K_a$
Sustitución:$K_a = e^{\frac{2400}{8150}} = e^{0.2945}$; $U_{req} = 125\text{ kV} \cdot 1.342$
Resultado:$K_a = 1.342$; $U_{req} = 167.8\text{ kV}$ (nivel equivalente a 1 000 m)

En ambos casos debe especificarse el siguiente nivel normalizado de tensión soportada por encima del valor calculado.

8.4 Cortocircuitos y esfuerzos electrodinámicos

Un cortocircuito en la red conectada al transformador produce una corriente que, limitada básicamente por la impedancia del propio transformador y de la fuente, puede ser de 10 a 25 veces la nominal o más. Estas corrientes provocan dos efectos: térmico (calentamiento rápido de los devanados, normalmente limitado a pocos segundos) y mecánico, ya que las fuerzas entre conductores son proporcionales al cuadrado de la corriente y al valor de cresta de la corriente asimétrica de falla (que puede alcanzar del orden de 2.5 veces el valor eficaz simétrico). Los devanados deben diseñarse y sujetarse para resistir estas fuerzas, que tienden a comprimir el devanado interior y expandir el exterior. Las normas (IEC 60076-5, IEEE C57.12.00) exigen demostrar la capacidad de resistir cortocircuitos por cálculo, o mediante ensayo en laboratorio.

8.5 Armónicos y cargas no lineales

Las cargas con electrónica de potencia (rectificadores, variadores de velocidad, fuentes conmutadas, inversores) producen corrientes armónicas que aumentan las pérdidas por corrientes parásitas en los devanados y el calentamiento de las estructuras metálicas. Estas pérdidas crecen con el cuadrado de la frecuencia armónica. Para estas aplicaciones se emplean transformadores con factor K (por ejemplo, K-4 o K-13) o se reduce la potencia utilizable, y se usan conexiones que atrapan los armónicos de tercer orden (delta).

8.6 Protección del transformador

Fusibles de media tensión o relés de sobrecorriente (funciones 50/51) para sobrecargas y cortocircuitos.
Protección diferencial (87T) para fallas internas en transformadores de potencia media y grande.
Relé Buchholz, válvula de alivio y detector de presión súbita para fallas internas en equipos con aceite.
Imagen térmica y sensores de temperatura para proteger el aislamiento contra sobrecalentamiento.
Pararrayos (descargadores de sobretensión) para limitar las sobretensiones atmosféricas y de maniobra en los bornes.

9. Autotransformadores y transformadores especiales

9.1 Autotransformador

El autotransformador tiene un único devanado con una toma intermedia: una parte del devanado es común a primario y secundario. Por esa parte común circula solo la diferencia de corrientes, y por eso el autotransformador necesita menos cobre y menos hierro que un transformador de dos devanados de la misma potencia, con menor tamaño, pérdidas y costo. La potencia que realmente se transfiere por inducción (potencia propia o de diseño) es una fracción de la potencia total:

S_diseño = S_n · (1 − V_B / V_A)

con V_A la tensión mayor y V_B la menor. La ventaja es mayor cuanto más cercanas están las dos tensiones. Su principal desventaja es que no hay aislamiento galvánico: una falla en el lado de alta puede transmitirse al de baja, y la conexión del neutro debe ser sólidamente aterrada. Se usa en interconexión de redes de alta tensión, en arranque de motores y en reguladores de tensión.

Potencia de diseño de un autotransformador 220/138 kV de 100 MVA

Fórmula: S_diseño = S_n · (1 − V_B/V_A)

Sustitución: S_diseño = 100 MVA · (1 − 138/220)

Resultado: S_diseño = 37.3 MVA (aprox. 37.3 % de la potencia total)

9.2 Transformadores de medida

Los transformadores de medida alimentan instrumentos y relés de protección con magnitudes reducidas y aisladas de la alta tensión. Se rigen por la serie IEC 61869.

Transformador de corriente (TC): conectado en serie con la línea, reduce la corriente primaria a valores normalizados de secundario (1 A o 5 A). Su secundario nunca debe quedar en circuito abierto cuando hay corriente en el primario, ya que aparecen tensiones peligrosas y puede dañarse el núcleo y el aislamiento.
Transformador de tensión (TP o TT): conectado en paralelo, reduce la tensión a valores normalizados de secundario (por ejemplo, 110 V o 110/√3 V). Su secundario nunca debe cortocircuitarse.
Clases de exactitud: de medida (por ejemplo, 0.2 o 0.5 para facturación) y de protección (por ejemplo, 5P o 10P), que garantizan precisión hasta valores elevados de sobrecorriente.

9.3 Otros transformadores especiales

De tres devanados: con un terciario (a menudo en delta) para alimentar servicios auxiliares, compensación reactiva o estabilizar el sistema.
Reguladores de tensión: autotransformadores con cambio de tomas automático bajo carga, usados en líneas de distribución largas.
De horno y de rectificador: diseñados para corrientes muy altas y fuerte contenido de armónicos, con tensiones secundarias bajas.
De tracción: alimentan locomotoras y sistemas ferroviarios, con cargas monofásicas fuertemente variables.
De soldadura: de alta corriente y baja tensión, con impedancia elevada para limitar la corriente de arco.
De aislamiento: con relación 1:1, y con pantalla electrostática para reducir interferencias; usados en seguridad y en equipos médicos.
De alta frecuencia: con núcleos de ferrita, usados en fuentes conmutadas, conversores y comunicaciones.
De convertidor HVDC: soportan tensiones continuas superpuestas a las alternas y corrientes con armónicos intensos.

10. Selección y dimensionamiento

Elegir un transformador implica definir su potencia y sus características eléctricas y constructivas de acuerdo con la carga, la red de alimentación y el entorno. Los criterios principales son:

Potencia nominal (kVA): debe cubrir la máxima demanda con un margen para crecimiento y un nivel de carga razonable (con frecuencia, 70 % a 80 % de la nominal a demanda máxima), de modo que opere cerca de su zona de mejor rendimiento y sin envejecimiento acelerado.
Tensiones nominales y derivaciones (tomas): tensión primaria de la red, tensión secundaria requerida y rango de regulación.
Frecuencia: 60 Hz en el Perú; debe coincidir con la de diseño.
Grupo de conexión: de acuerdo con el tipo de red, aterramiento y cargas (por ejemplo, Dyn11 en distribución).
Impedancia de cortocircuito: compromiso entre regulación de tensión y limitación de corrientes de falla.
Tipo de refrigeración y aislante: aceite mineral, éster o seco, según riesgo de incendio, ubicación y mantenimiento.
Condiciones ambientales: altitud, temperatura ambiente, contaminación, humedad y sismicidad.
Eficiencia y normativa: cumplimiento de normas de fabricación y de límites de pérdidas.

Las potencias normalizadas de distribución siguen una serie preferente (en kVA: 25, 50, 75, 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1 000, 1 250, 1 600, 2 000 y 2 500, entre otras), de modo que el resultado del cálculo se redondea al valor comercial inmediato superior.

Ejemplo 4. Selección de un transformador de distribución

Fórmula: S = P / cos φ; S_nom ≥ S / (nivel de carga objetivo)

Sustitución: S = 180 kW / 0.9 = 200 kVA; S_nom ≥ 200 / 0.8

Resultado: S_nom ≥ 250 kVA ⇒ se selecciona la unidad normalizada de 250 kVA (si resultara un valor intermedio, se toma la inmediata superior)

10.1 Eficiencia y costo total de propiedad

Como un transformador permanece energizado durante toda su vida (30 a 40 años), el costo de sus pérdidas puede igualar o superar el precio de compra. Por eso se evalúa el costo total de propiedad (TOC), que suma el precio de compra y el valor presente de las pérdidas:

TOC = C_compra + A · P_Fe + B · P_Cu,n

donde A y B son los factores de capitalización (en moneda por vatio) de las pérdidas en vacío y con carga, calculados con el costo de la energía, las horas de uso, el factor de carga, la tasa de descuento y la vida útil. Una unidad más cara pero con menores pérdidas puede resultar la opción más económica. Varios países regulan los límites de pérdidas; por ejemplo, el Reglamento (UE) n.º 548/2014 de ecodiseño (con exigencias más estrictas desde 2021) y las normas del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE).

10.2 Normas de referencia

IEC 60076 (serie): transformadores de potencia (generalidades, calentamiento, niveles de aislamiento, cortocircuito, guía de carga, entre otros).
IEEE C57.12.00 y serie IEEE C57: requisitos generales y guías para transformadores sumergidos en líquido; IEEE C57.91 para guía de carga; IEEE C57.104 para interpretación de gases disueltos.
IEC 61869 (serie): transformadores de medida.
Normativa nacional aplicable, incluido el Código Nacional de Electricidad del Perú, en la instalación y operación de subestaciones.

11. Mantenimiento, diagnóstico y fallas

11.1 Mantenimiento preventivo y predictivo

El mantenimiento de un transformador busca detectar a tiempo el deterioro del aislamiento y de los componentes, evitar fallas severas y prolongar su vida útil. Incluye inspecciones visuales periódicas (fugas de aceite, nivel, estado de pasatapas y sílica gel, ruido y vibraciones anormales), termografía infrarroja de conexiones y radiadores, revisión del sistema de refrigeración y de los dispositivos de protección y ensayos eléctricos y de aceite.

11.2 Ensayos de diagnóstico

Ensayos al aceite: rigidez dieléctrica (por ejemplo, IEC 60156 o ASTM D1816), contenido de agua (Karl Fischer), acidez, tensión interfacial y color; en conjunto indican la humedad, la oxidación y los contaminantes presentes.
Análisis de gases disueltos (DGA): técnica más poderosa para detectar fallas incipientes internas; se interpreta con guías como IEC 60599 e IEEE C57.104, y con herramientas como el triángulo de Duval.
Resistencia de aislamiento e índice de polarización: estiman la humedad y el estado del aislamiento sólido.
Factor de potencia (tan δ) y capacitancia de devanados y pasatapas: detectan deterioro del aislamiento y humedad.
Relación de transformación (TTR) y resistencia de devanados: detectan espiras en cortocircuito, malos contactos y problemas en el cambiador de tomas.
Respuesta en frecuencia (FRA): detecta deformaciones mecánicas de devanados y núcleo, por ejemplo, después de un cortocircuito o del transporte.
Descargas parciales: señal de defectos en el aislamiento antes de la falla.
Compuestos furánicos (2-FAL): indicadores del grado de degradación del papel (celulosa).

Tabla 6

Interpretación simplificada de gases disueltos en aceite mineral (referencial)

Gas clave	Falla asociada típica
Hidrógeno (H₂)	Descargas parciales (corona) y, en menor medida, otras fallas
Metano (CH₄) y etano (C₂H₆)	Fallas térmicas de baja temperatura
Etileno (C₂H₄)	Fallas térmicas de alta temperatura
Acetileno (C₂H₂)	Arcos eléctricos y descargas de alta energía
Monóxido y dióxido de carbono (CO, CO₂)	Degradación térmica del papel aislante (celulosa)

11.3 Fallas más comunes

Deterioro del aislamiento por envejecimiento térmico, humedad u oxidación del aceite.
Sobrecargas prolongadas que aceleran el envejecimiento del papel.
Cortocircuitos pasantes que deforman los devanados y reducen su capacidad de resistir nuevas fallas.
Sobretensiones atmosféricas o de maniobra, que perforan el aislamiento.
Fallas del cambiador de tomas bajo carga y de los pasatapas, que figuran entre las principales causas de salidas de servicio según encuestas internacionales de confiabilidad (por ejemplo, de CIGRE).
Contaminación y humedad, mantenimiento deficiente o fugas de aceite.

11.4 Aspectos ambientales y fin de vida útil

Hasta la década de 1980 se usaron bifenilos policlorados (PCB) en algunos aceites aislantes por su estabilidad e ininflamabilidad, pero son contaminantes orgánicos persistentes, tóxicos y bioacumulables. El Convenio de Estocolmo establece eliminar el uso de equipos con PCB a más tardar en 2025 y gestionar los residuos de forma ambientalmente racional antes de 2028; se consideran contaminados los líquidos con más de 50 ppm de PCB. Por ello es necesario analizar el aceite de transformadores antiguos antes de manipularlo. Al final de su vida útil, el aceite se puede regenerar o disponer mediante empresas autorizadas, y el cobre, el aluminio y el acero se reciclan.

12. Tendencias y tecnologías emergentes

Transformadores de estado sólido (SST): combinan convertidores de electrónica de potencia con un transformador de media o alta frecuencia. Ofrecen menor tamaño y peso, control de flujo de potencia, conexión directa a redes de corriente continua y mejor calidad de energía, pero tienen menor eficiencia y mayor costo y complejidad que los transformadores convencionales; se investigan para tracción ferroviaria, centros de datos, cargadores de vehículos eléctricos y redes inteligentes.
Materiales de núcleo de mayores prestaciones: acero de grano orientado refinado con láser, metales amorfos y aleaciones nanocristalinas, que reducen las pérdidas en vacío.
Fluidos aislantes alternativos: ésteres naturales y sintéticos, de alta seguridad contra incendio y biodegradables, con aceptación creciente.
Transformadores digitales y monitoreo en línea: sensores de temperatura, gases disueltos, humedad y descargas parciales que alimentan sistemas de mantenimiento predictivo.
Integración con energías renovables: transformadores elevadores para parques eólicos y solares, con exigencias especiales de armónicos, ciclos de carga variables y pérdidas bajas.
Transformadores superconductores de alta temperatura: aún en desarrollo, prometen muy bajas pérdidas y menor tamaño, a cambio de refrigeración criogénica.
Eficiencia y sostenibilidad: normas de eficiencia cada vez más exigentes y diseños pensados para reducir las emisiones durante su vida útil.

13. Conclusiones

El transformador, basado en la inducción electromagnética descrita por Faraday en 1831, es el elemento que hizo posibles los sistemas eléctricos de corriente alterna modernos. Su principio es simple: dos devanados acoplados por un núcleo transfieren potencia cambiando tensión y corriente en proporción inversa, y la relación de transformación se fija con el número de espiras.

Para su análisis práctico se emplea el circuito equivalente, cuyos parámetros se obtienen con ensayos sencillos de vacío y de cortocircuito. Con ellos se calculan la regulación de tensión, el rendimiento, la corriente de cortocircuito y la distribución de carga en paralelo. El rendimiento máximo se alcanza cuando las pérdidas en el hierro igualan a las pérdidas en el cobre, y el comportamiento trifásico depende de la conexión de los devanados y del grupo horario.

En la práctica, una buena selección considera potencia, grupo de conexión, impedancia, refrigeración, condiciones ambientales (en particular la altitud) y el costo total de propiedad, no solo el precio de compra. Un mantenimiento basado en el análisis del aceite, los ensayos eléctricos y el monitoreo de la temperatura permite aprovechar su larga vida útil. Hacia adelante, nuevos materiales, fluidos aislantes, monitoreo digital y la electrónica de potencia seguirán ampliando las prestaciones de esta máquina de más de 140 años.

Referencias

Chapman, S. J. (2012). Máquinas eléctricas (5.ª ed.). McGraw-Hill Interamericana.

Fitzgerald, A. E., Kingsley, C., Jr., & Umans, S. D. (2003). Electric machinery (6th ed.). McGraw-Hill.

Guru, B. S., & Hiziroglu, H. R. (2001). Electric machinery and transformers (3rd ed.). Oxford University Press.

Heathcote, M. J. (2007). J & P transformer book (13th ed.). Newnes.

Institute of Electrical and Electronics Engineers. (2011). IEEE guide for loading mineral-oil-immersed transformers and step-voltage regulators (IEEE Std C57.91-2011).

Institute of Electrical and Electronics Engineers. (2019). IEEE guide for the interpretation of gases generated in mineral oil-immersed transformers (IEEE Std C57.104-2019).

Institute of Electrical and Electronics Engineers. (2021). IEEE standard for general requirements for liquid-immersed distribution, power, and regulating transformers (IEEE Std C57.12.00-2021).

International Electrotechnical Commission. (2011). Power transformers. Part 1: General (IEC 60076-1:2011).

International Electrotechnical Commission. (2018). Power transformers. Part 7: Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers (IEC 60076-7:2018).

International Electrotechnical Commission. (2006). Insulation co-ordination. Part 2: Application guidelines (IEC 60071-2).

Kulkarni, S. V., & Khaparde, S. A. (2013). Transformer engineering: Design, technology, and diagnostics (2nd ed.). CRC Press.

Comisión Europea. (2014). Reglamento (UE) n.º 548/2014 por el que se desarrolla la Directiva 2009/125/CE en lo relativo a los transformadores de potencia pequeños, medianos y grandes. Diario Oficial de la Unión Europea.

Secretaría del Convenio de Estocolmo. (2001). Convenio de Estocolmo sobre contaminantes orgánicos persistentes. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente.

Anexo A. Resumen de fórmulas

Tabla 7

Fórmulas principales de transformadores

Concepto	Expresión
Ley de Faraday	e = − N · dΦ/dt
Relación de transformación (ideal)	a = V₁/V₂ = N₁/N₂ = I₂/I₁
Impedancia reflejada	Z’₂ = a² · Z₂
Fuerza electromotriz (senoidal)	E_ef = 4.44 · f · N · Φ_máx = 4.44 · f · N · B_máx · A
Pérdidas por histéresis (Steinmetz)	P_h = k_h · f · B_máxⁿ
Pérdidas por corrientes parásitas	P_e = π² · σ · t² · f² · B_máx² / 6 (por unidad de volumen)
Parámetros de ensayos	R_c = V₁²/P₀; R_eq = P_cc/I_n²; Z_eq = V_cc/I_n; X_eq = √(Z_eq² − R_eq²)
Regulación de tensión	ε % ≈ x · (R% · cos φ ± X% · sen φ)
Rendimiento	η = x · S_n · cos φ / (x · S_n · cos φ + P_Fe + x² · P_Cu,n)
Carga de rendimiento máximo	x = √(P_Fe/P_Cu,n)
Corriente de cortocircuito	I_cc = I_n / z (z en por unidad)
Trifásico	S = √3 · V_L · I_L
Reparto en paralelo	Cargas relativas inversamente proporcionales a z (por unidad de cada transformador)
Autotransformador	S_diseño = S_n · (1 − V_B/V_A)
Corrección por altitud (IEC 60071-2)	K_a = e^{m · H / 8150}

Anexo B. Glosario

Amperios-vuelta: Producto de la corriente por el número de espiras (fuerza magnetomotriz).
Bushing (pasatapas): Aislador que permite atravesar la tapa del tanque con un conductor.
Cambiador de tomas: Dispositivo que modifica el número de espiras en servicio para variar la relación de transformación.
DGA: Análisis de gases disueltos en aceite aislante.
Grupo de conexión: Combinación de conexiones de devanados y desfase horario de un transformador trifásico.
Impedancia de cortocircuito (z %): Tensión (en % de la nominal) necesaria para hacer circular la corriente nominal con el secundario en cortocircuito.
Núcleo: Estructura de acero laminado que conduce el flujo magnético.
Punto caliente (hot spot): Zona del devanado con mayor temperatura; define el envejecimiento del aislamiento.
Regulación de tensión: Variación de la tensión secundaria entre vacío y carga.
Reluctancia: Oposición de un circuito magnético al paso del flujo.
Saturación: Estado del material magnético en que el aumento del campo ya no incrementa de forma apreciable el flujo.