Como dispositivo estático que transforma energía eléctrica en voltaje según el principio de inducción electromagnética, el funcionamiento estable de un transformador de potencia depende en gran medida de un diseño estructural preciso y del funcionamiento coordinado de sus diversos componentes. La estructura general se puede dividir en partes centrales como el núcleo, los devanados, el sistema de aislamiento, el tanque y el sistema de enfriamiento, el cambiador de tomas y los accesorios. Cada pieza refleja una rigurosa lógica de ingeniería en la selección de materiales, diseño geométrico e implementación funcional.
El núcleo es el cuerpo principal del circuito magnético del transformador, responsable de guiar y concentrar el flujo magnético. Para reducir la histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas, el núcleo generalmente está hecho de láminas de acero al silicio orientadas con grano-apiladas a lo largo de la dirección del flujo magnético, con barniz aislante aplicado entre las hojas para bloquear las trayectorias de las corrientes parásitas. Los grandes transformadores modernos a menudo utilizan procesos de apilamiento de juntas escalonadas o completamente oblicuas para sus núcleos para reducir los espacios de aire y la reluctancia magnética, mejorando la permeabilidad y la eficiencia operativa. El diseño estructural de las columnas centrales y el yugo debe garantizar una distribución uniforme del flujo magnético para evitar el calentamiento adicional y el ruido causado por la saturación local.
Los devanados son el núcleo del circuito del transformador y se forman enrollando materiales de cobre o aluminio altamente conductores sobre cilindros o soportes aislantes en una disposición concéntrica o superpuesta. El devanado primario está conectado al lado de la fuente de alimentación, mientras que el devanado secundario genera el voltaje transformado; ambos están acoplados a través de un flujo magnético compartido. El área de la sección transversal-y el número de vueltas de los conductores de bobinado están determinados por la capacidad nominal y la relación de voltaje, y el diseño considera la densidad de corriente, los límites de aumento de temperatura y la resistencia mecánica para soportar sobretensiones de corriente de cortocircuito-y envejecimiento térmico-a largo plazo. El aislamiento entre capas y entre-vueltas utiliza materiales aislantes compuestos-con aislamiento de papel, con película- o compuestos para garantizar un aislamiento eléctrico confiable.
El sistema de aislamiento es una barrera fundamental que garantiza el funcionamiento seguro del transformador y abarca diversas formas, como aislamiento sólido, aislamiento líquido y aislamiento de gas. Los transformadores-inmersos en aceite suelen utilizar aceite aislante mineral, que cumple funciones tanto de aislamiento como de refrigeración; Los espacios de aceite se distribuyen entre los devanados, entre los devanados y el núcleo, y dentro del tanque. Los transformadores de tipo seco-, por otro lado, utilizan resina epoxi o películas aislantes para un aislamiento completamente cerrado, adecuado para lugares con altos requisitos de seguridad contra incendios. El diseño de la estructura de aislamiento debe considerar la rigidez dieléctrica, la estabilidad térmica y la vida útil, al tiempo que debe permitir márgenes suficientes para hacer frente a la sobretensión y la corrosión por humedad.
El tanque de aceite y el sistema de enfriamiento constituyen la carcasa mecánica y el sistema de gestión térmica del transformador. El tanque de aceite no sólo alberga el núcleo, los devanados y el aceite aislante, sino que también resiste la presión interna del aceite y las cargas ambientales externas. Los métodos de enfriamiento se clasifican según los requisitos de capacidad y disipación de calor, incluidos el auto-enfriamiento, el enfriamiento por aire, la circulación forzada de aceite y la circulación de aceite guiada. Componentes como radiadores, bombas de aceite y ventiladores trabajan juntos para disipar rápidamente el calor generado durante la operación, manteniendo las temperaturas del devanado y del aceite dentro de los límites de diseño.
Los interruptores de derivación se utilizan para ajustar la relación de vueltas del transformador para compensar las fluctuaciones de voltaje de la red u optimizar la distribución de la carga. Los interruptores de grifo en carga pueden conmutar grifos sin interrupción del suministro eléctrico, tienen una estructura compleja y requieren estándares de aislamiento y extinción de arco extremadamente altos. Los interruptores de grifo sin-carga deben funcionar en condiciones de apagado-y se utilizan principalmente en aplicaciones con rangos de ajuste de voltaje pequeños o requisitos de baja continuidad.
El sistema de accesorios incluye un conservador de aceite, un deshumidificador, una tubería-a prueba de explosiones, una válvula de alivio de presión, un termómetro, un medidor de nivel de aceite y un relé de gas, que realizan respectivamente funciones tales como regulación del nivel de aceite, protección contra la humedad, protección contra sobretensiones y monitoreo del estado del gas y la temperatura, brindando información importante para el monitoreo y mantenimiento del funcionamiento del transformador.
En resumen, la estructura de un transformador de potencia es una unidad orgánica de funciones de circuito magnético, circuito eléctrico, aislamiento, refrigeración y monitoreo. Los altos estándares requeridos para el rendimiento del material, la precisión geométrica y el control del proceso de cada componente garantizan el funcionamiento seguro, estable y económico del equipo bajo alto voltaje, gran capacidad y condiciones operativas complejas, y también proporcionan una base de hardware sólida para un suministro de energía confiable al sistema eléctrico.