Notas de aplicación de los transformadores de aislamiento

Un transformador es un dispositivo eléctrico que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro. La transferencia, o acoplamiento, viene acompañada usando inducción. Una corriente en los devanados primarios crean un flujo magnético diverso en el núcleo del transformador y- así crea un campo magnético diverso en los devanados del secundario. Aparte de algunos casos especiales, no hay conexión entre los primeros devanados, el primario, y los devanados secundarios.

Los transformadores pueden hacer algo más que transferir energía de un voltaje a otro. Los transformadores de separación, transformadores de aislamiento y transformadores de aislamiento extra juegan un papel principal en la protección de personas y equipos.

En muchos casos, la propiedad (capacidad) de transferir energía eléctrica se usará para obtener un nivel más alto o más bajo de voltaje.

Los transformadores se fabrican en diferentes tipos y rangos de potencia, desde unos pocos VA a unos pocos MVA. Aunque generalmente son más caros que los autotransformadores o transformadores con devanados separados convencionales, pueden ser más útiles en muchos modos, por ejemplo:

• Proteger a las personas contra choques eléctricos.
• Evitar las pérdidas de potencia después de un primer fallo de aislamiento.
• Proteger equipos sensibles del ruido eléctrico.
• Crear un punto de estrella para un equipo.

El voltaje inducido en los devanados del secundario está en proporción directa con el voltaje primario y viene determinado por el ratio del número de vueltas en el secundario (ns) respecto al número de vueltas en el primario (np) como sigue:

Los transformadores eléctricas pueden ser configurados como monofásicos o trifásicos; dispositivos de tipo seco o rellenos de aceite. Se usan para aplicaciones muy diferentes, incluyendo control, distribución, instrumentación, corriente y transformadores de potencia entre otros. Hay también muy diferentes posibilidades de montaje.

El caso especial donde hay conexión entre los devanados primario y secundario se denomina autotransformador. Hay sólo un devanado, y una parte de este devanado es común tanto en los circuitos primarios como secundarios.

El autotransformador generalmente se usará como una conversión de voltaje de la alimentación local a otro valor de voltaje que se requiere para una pieza o equipo particular (step-up o step-down).

Aunque hay algunos beneficios en el uso del autotransformador, es obvio que hay también muchas desventajas, tales como el hecho de que no hay aislamiento entre los devanados primario y secundario y tampoco hay aislamiento para las perturbaciones o interferencias que vienen del primario.

Transformadores de aislamiento

Usualmente los transformadores eléctricos se usan para transformar el voltaje desde un nivel más alto a un voltaje más bajo. Hacen poco para atenuar el paso de ruido o transitorios desde el primario al secundario.

Los transformadores pueden también usarse para cambiar la impedancia del circuito eléctrico para reducir la corriente de cortocircuito o proporcionar aislamiento galvánico entre dos sistemas.

En teoría, la definición del “transformador de aislamiento” se aplica a cualquier transformador donde no hay conexión directa entre los devanados primario y secundario. Los devanados se conectan sólo por el núcleo magnético en el núcleo.

Sin embargo, cuando sólo hay una separación básica entre los devanados primarios y secundarios, hablaremos de transformador de separación.

El aislamiento entre los devanados primario y secundario proporciona un grado de protección contra el choque eléctrico que es equivalente a un aislamiento básico.

El aislamiento básico es el aislamiento requerido para asegurar la operación apropiada del equipo de las instalaciones eléctricas y para la protección fundamental contra el choque eléctrico.

Esta separación limitará los riesgos en el caso de contacto simultáneo accidental con la parte conductiva expuesta y las partes vivas o partes metálicas que pueden llegar a ser vivas en el evento de un fallo de aislamiento.

Ventajas de los transformadores de aislamiento

Los transformadores de aislamiento pueden ser usados para proteger a las personas contra los peligros de los choques eléctricos. Los transformadores de aislamiento pueden bloquear la transmisión de señales de corriente continua de un circuito a otro, pero permiten pasar las señales AC. También bloquean la interferencia causadas por los bucles de tierra. Los transformadores de aislamiento con pantallas electrostáticas se usan para suministrar potencia a equipos sensibles tales como los equipos médicos, ordenadores o instrumentos de medición de laboratorios de precisión.

Hay dos formas de introducir el equivalente del doble aislamiento:

• Poniendo una pantalla de seguridad metálica (usualmente cobre) entre los devanados primario y secundario y conectándolo a tierra (tierra de protección). Éste puede ser otro devanado o una lámina metálica rodeando el devanado. Si el aislamiento se rompe, la electricidad fluye a la tierra, proporcionando la seguridad requerida. La pantalla atenuará o filtrará los golpes de voltaje y en gran manera reducirá el acoplamiento de ruido en modo común disminuyendo el acoplamiento capacitivo.
• Usando aislamiento reforzado. Este tipo de aislamiento está hecho de múltiples capas. Todas las capas deben pasar pruebas requeridas por los estándares establecidos. Si una capa se rompe, la siguiente capa proporciona la seguridad requerida.

Normalmente, estos transformadores tienen una corriente de pérdidas más baja que la usada en una pantalla.

Ruido eléctrico:

Modo común: Entre el conductor que transporta corriente y tierra, incluyendo el neutro.

Modo normal: Entre los dos constructores transportando corriente, incluyendo línea a neutro.

Los transformadores de aislamiento se usan mayormente en un ratio uno-a-uno (el valor de voltaje primario es igual al valor de voltaje secundario). Los dos devanados tendrán el mismo número de vueltas. Puede haber una diferencia ligera en el número de vueltas para compensar pérdidas; de otra forma, el voltaje secundario será ligeramente menor que el voltaje primario.

Aplicaciones

Veamos ahora unos pocos casos donde el uso de un transformador de aislamiento es una posibilidad o está recomendado.

Los transformadores de aislamiento se usarán principalmente para proteger a las personas frente a choques eléctricos y como fuente de energía para equipos sensibles (computadores, equipos médicos, equipos de laboratorio, etcétera).

Los transformadores de aislamiento a menudo se usan para aislar la máquina o equipo del resto de la instalación eléctrica, para evitar pérdidas de potencia en el caso de fallo de aislamiento.

Ya que no hay trayectoria de retorno a la fuente (el devanado secundario del transformador), en el evento de un fallo, no habrá corriente de fallo y ningún dispositivo de protección cortará el suministro. Aparte de ser perjudicial para las personas tocar las partes conductoras, el primer fallo no causará peligro pero tampoco cortará la alimentación. Aparte de ser perjudicial para las personas tocando las partes conductivas, un primer fallo no causará peligro pero tampoco cortará la alimentación.

Otra aplicación del transformador de aislamiento es crear un punto de estrella en las redes que no tienen tales puntos.

Bastantes pocas aplicaciones necesitan el punto neutral para propósitos de control. Cuando se instala tal máquina en una red sin punto de estrella, el remedio obvio es instalar un transformador de aislamiento.

Bibliografía:

Application note isolation transformers. Paul De Potter. September 2011. European Copper Institute.