La electricidad, el alma de la civilización moderna, alimenta nuestro mundo de forma invisible pero implacable. En el corazón de esta silenciosa revolución se encuentran los núcleos y los devanados de los transformadores, los héroes anónimos que permiten una conversión eficiente de voltaje en las redes eléctricas. Estos componentes críticos determinan no solo el techo de rendimiento de un transformador, sino también su fiabilidad, durabilidad y costes operativos.

Los núcleos y los devanados de los transformadores forman el dúo esencial responsable de la conversión del nivel de voltaje. Su diseño impacta directamente en las pérdidas de energía a través de la disipación de calor y las ineficiencias electromagnéticas. Por ejemplo, los devanados de tipo disco sobresalen en la gestión térmica, mientras que los devanados de tipo capa ofrecen una resistencia mecánica superior. La geometría del núcleo influye igualmente en la eficiencia del flujo de corriente.

La selección de materiales presenta compensaciones cruciales. El acero al silicio y las aleaciones amorfas dominan los materiales del núcleo: el primero, apreciado por sus robustas propiedades magnéticas y menores pérdidas, el segundo, por su excepcional eficiencia energética. En los devanados, el aluminio ofrece ventajas de coste, pero requiere mayores volúmenes para igualar la conductividad superior del cobre. Si bien el cobre permite diseños compactos y de alta eficiencia, su precio superior a menudo requiere un análisis cuidadoso de la relación coste-beneficio.

Los núcleos de los transformadores sirven como autopistas magnéticas, canalizando el flujo entre los devanados para minimizar el desperdicio de energía. Los primeros núcleos de hierro dieron paso a las variantes de acero al silicio a medida que crecían las demandas de energía, mejorando drásticamente la eficiencia de conversión. Las opciones de materiales actuales incluyen:

El estándar de la industria para transformadores de alto rendimiento, el acero al silicio combina una pérdida de energía mínima con una excelente guía magnética. Su resistividad mejorada reduce las corrientes de Foucault, mientras que las versiones orientadas al grano optimizan las propiedades magnéticas para transformadores de potencia a gran escala.

Estas estructuras atómicas desordenadas minimizan las pérdidas de magnetización, lo que resulta especialmente eficaz para las aplicaciones de energía renovable. Con las próximas normas de eficiencia del DOE que entrarán en vigor en 2028, los núcleos amorfos están ganando terreno.

Los núcleos y los devanados operan sinérgicamente: los primeros proporcionan caminos magnéticos, los segundos generan y reciben campos electromagnéticos. Esta asociación permite la transformación de voltaje a través de las relaciones de vueltas de los devanados:

• Devanados primarios crean campos magnéticos a partir de la corriente entrante
• Devanados secundarios convierten estos campos a nuevos niveles de voltaje

Los diseños de núcleo combaten específicamente dos mecanismos de pérdida:

• Pérdidas por histéresis de ciclos de magnetización repetidos
• Pérdidas por corrientes de Foucault de corrientes circulantes inducidas

Las configuraciones comunes del núcleo incluyen el tipo de carcasa para aplicaciones de alta potencia, el toroidal para diseños compactos y las pilas laminadas para minimizar las corrientes de Foucault.

Con una conductividad un 60% superior a la del aluminio, el cobre permite diseños de devanado compactos y eficientes que minimizan las pérdidas resistivas.

Esta alternativa ligera ofrece ventajas de coste para los transformadores de distribución estándar, a pesar de requerir mayores volúmenes para una capacidad de corriente equivalente.

• Reducción de la pérdida del núcleo a través de materiales avanzados
• Gestión térmica mediante inmersión en aceite o refrigeración por aire forzado
• Precisión de fabricación en el montaje del devanado y el núcleo

El panorama de los transformadores sigue evolucionando con las aleaciones nanocristalinas que prometen mayores ganancias de eficiencia. Si bien los materiales superconductores teóricamente eliminan las pérdidas por completo, sus costes prohibitivos limitan actualmente las aplicaciones prácticas.

Estos avances impulsan colectivamente hacia sistemas de distribución de energía más sostenibles capaces de satisfacer las crecientes demandas energéticas mundiales, al tiempo que reducen los costes operativos.