Se llama transformador a un elemento eléctrico que permite subir o bajar la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que entra al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene de salida. Las máquinas reales tienen un mínimo porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basado en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, en general, es hecho bien de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, una aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario, según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
Funcionamiento principal thumb|400px|Transformador monofásico ideal. El funcionamiento de los transformadores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, cuya explicación matemática se resume en las ecuaciones de Maxwell.
Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario o inductor, producida esta por la corriente eléctrica que lo atraviesa, se produce la inducción de un flujo magnético en el núcleo de hierro. Según la ley de Faraday, si dicho flujo magnético es variable, aparece una fuerza electromotriz en el devanado secundario o inducido. De este modo, el circuito eléctrico primario y el circuito eléctrico secundario quedan acoplados mediante un campo magnético.
La tensión inducida en el devanado secundario depende directamente de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario y de la tensión del devanado primario. Dicha relación se denomina relación de transformación.
Transformador ideal Se considera un transformador ideal aquel en el que no hay pérdidas de ningún tipo. En la práctica no es realizable, pero es útil para comprender el funcionamiento de los transformadores reales. Estas son las condiciones que deben considerarse para un transformador ideal: Los devanados primario y secundario tienen resistencia cero. El flujo producido por los enlaces del devanado primario con el devanado secundario sin ningún flujo de fuga. Se desprecian las pérdidas del transformador, es decir, las pérdidas del núcleo y del cobre.What is an ideal transformer ? - www.electricaldeck.com
En un transformador ideal, debido a la inducción electromagnética, las tensiones en los devanados son proporcionales a la variación del flujo magnético que las atraviesa y al número de espiras del devanado. Puesto que el acoplamiento magnético de los devanados se considera perfecto, se deduce que la relación entre las tensiones es proporcional a la relación entre el número de espiras de los devanados. De este modo:
Se denomina relación de transformación a la relación de tensiones entre el primario y el secundario. También se puede expresar en función del número de espiras de los devanados.
Del mismo modo, al no considerarse ningún tipo de pérdidas, la potencia de entrada en el primario es igual a la potencia de salida en el secundario.
Transformador real En la práctica, un transformador ideal no es físicamente realizable. Los transformadores reales se diferencian de los ideales en los siguientes aspectos: Los arrollamientos o devanados tienen resistencia eléctrica y capacidades parásitas. En el interior del núcleo hay corrientes parásitas o corrientes de Foucault. El ciclo de magnetización y desmagnetización del núcleo consume energía debido a la histéresis magnética. El acoplamiento magnético de los devanados no es perfecto, que se traduce en una inductancia o flujo de dispersión. La permeabilidad magnética del núcleo depende de la frecuencia. La saturación magnética del núcleo provoca que la inductividad de los devanados no sea constante. El núcleo varía ligeramente su geometría debido a la magnetostricción.
La resistencia de los devanados, la histéresis del núcleo y las corrientes parásitas producen pérdidas de energía. Las pérdidas de energía debidas a la resistencia eléctrica de los arrollamientos se denominan pérdidas en el cobre. Las pérdidas por el efecto de la histéresis y por las corrientes parásitas se denominan pérdidas en el hierro.
Las pérdidas en el cobre dependen cuadráticamente de la corriente de carga del transformador, es decir, del cuadrado de la intensidad de cada arrollamiento. Las pérdidas en el hierro son prácticamente independientes del nivel de carga del transformador, pero proporcionales al cuadrado de la densidad de flujo magnético del núcleo. Así mismo, las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia eléctrica, mientras que las corrientes parásitas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia.
El flujo magnético de dispersión provoca que la tensión en el secundario sea algo menor que en un transformador ideal.
La saturación magnética limita la frecuencia mínima de funcionamiento o, dicho de otro modo, dada una frecuencia y un número de espiras, limita la tensión máxima posible del primario. Si se sobrepasan dichos límites y se satura el núcleo, aparecen grandes corrientes en el primario con poco o ningún efecto en la tensión del secundario. La saturación magnética se puede evitar incrementando el número de espiras en el primario (y por consiguiente también en el secundario) a cambio de un mayor volumen físico y mayores pérdidas en el cobre. La saturación magnética juega también un papel importante en la corriente de inserción; debido a corrientes en el primario varias veces la nominal, la saturación evita una sobrecarga en el secundario.
Corriente de inserción La corriente de inserción o corriente transitoria de magnetización es una corriente transitoria que se produce en el momento de conectar el transformador a la red. Su magnitud puede ser de 10 veces la corriente nominal hasta 100 veces en casos raros.
Componentes de un transformador Núcleo thumb|200px|La disposición en láminas del núcleo ayuda a reducir las corrientes de Foucault. 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.
Material 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.
Forma Núcleo en columnas thumb|200px|Sección de un transformador trifásico de columnas. Alrededor de cada columna se arrolla un devanado. Una culata superior y una culata inferior cierran el circuito magnético del núcleo.
Núcleo acorazado o núcleo envolvente Además de las columnas, dos culatas laterales sin devanados se disponen a los lados. Evitan los flujos de dispersión.
Núcleo toroidal thumb|200px|Pequeño transformador con núcleo toroidal. 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.
Núcleo de grano orientado thumb|200px|Transformador de grano orientado. 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.
Núcleo de aire En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.
Bobinas Material 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.
Disposición 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. Aislamiento entre arrollamiento y núcleo - En transformadores de alta tensión suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral. Aislamiento entre distintos arrollamientos - En transformadores de alta tensión suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral. Aislamiento entre espiras no consecutivas de un mismo arrollamiento - Dos espiras diferentes de un transformador tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas. En transformadores de alta tensión puede ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral o una capa de laca sobre el cobre. Aislamiento entre espiras consecutivas de un mismo arrollamiento - Incluso dos espiras consecutivas tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas entre sí. Una fina capa de laca sobre el cobre suele hacer esta función.
Otros componentes Dependiendo del tamaño y finalidad del transformador, también puede tener los siguientes componentes.
Cambiador de tomas