Conceptos básicos del transformador

Los transformadores generalmente son dispositivos capaces de convertir cantidades de un valor a otro. Para este artículo, nos centraremos en el transformador de voltaje, que es un componente eléctrico estático capaz de convertir el voltaje de CA de un valor a otro sin cambiar la frecuencia utilizando los principios de inducción electromagnética.

En uno de nuestros artículos anteriores sobre la corriente alterna, mencionamos lo importante que fue el transformador, en la historia de la corriente alterna. Fue el mayor habilitador que hizo posible la corriente alterna. Inicialmente, cuando se usaban sistemas basados ​​en CC, no se podían transferir a largas distancias debido a la pérdida de potencia en las líneas a medida que aumenta la distancia (longitud), lo que significa que las centrales eléctricas de CC tenían que colocarse en todas partes, por lo que el objetivo principal de CA era para resolver el problema de la transmisión y sin el transformador, eso no hubiera sido posible ya que las pérdidas aún habrían existido incluso con CA.

Con el transformador en su lugar, la CA podría transmitirse desde las estaciones generadoras a un voltaje muy alto pero baja corriente, lo que elimina las pérdidas en la línea (cables) debido al valor de I ² R (que da la pérdida de potencia en una línea).. El transformador se usa entonces para convertir el alto voltaje, baja energía de corriente a voltaje bajo, la alta energía de corriente para la distribución final dentro de una comunidad sin cambiar la frecuencia y a la misma potencia que se transmite desde la estación de generación (P = IV).

Para comprender mejor el transformador de voltaje, es mejor utilizar su modelo más simplificado, que es el transformador monofásico.

Transformador monofásico

El transformador monofásico es el tipo más común (en términos de números en uso) de transformadores de voltaje. Está presente en la mayoría de los electrodomésticos "enchufados" que usamos en casa y en cualquier otro lugar.

Se utiliza para describir el principio de funcionamiento, la construcción, etc. de un transformador porque otros transformadores son como una variación o modificación del transformador monofásico. Por ejemplo, algunas personas se refieren al transformador trifásico como compuesto por 3 transformadores monofásicos.

El transformador monofásico se compone de dos bobinas / devanados (la bobina primaria y la secundaria). Estos dos devanados están dispuestos de tal manera que no existe una conexión eléctrica entre ellos, por lo que están enrollados alrededor de un hierro magnético común generalmente conocido como núcleo del transformador, por lo que las dos bobinas solo tienen una conexión magnética entre ellas. Esto asegura que la energía se transmita solo a través de inducción electromagnética y también hace que los transformadores sean útiles para conexiones de aislamiento.

Principio operativo del transformador:

Como se mencionó anteriormente, el transformador consta de dos bobinas; las bobinas primaria y secundaria. La bobina primaria siempre representa la entrada al transformador mientras que la bobina secundaria, la salida del transformador.

Dos efectos principales definen el funcionamiento del transformador:

La primera es que, una corriente que fluye a través de un cable crea un campo magnético alrededor del cable. La magnitud del campo magnético resultante es siempre directamente proporcional a la cantidad de corriente que pasa a través del cable. La magnitud del campo magnético aumenta si el cable se enrolla en forma de bobina. Este es el principio con el que la bobina primaria induce el magnetismo. Al aplicar un voltaje a la bobina primaria, induce un campo magnético alrededor del núcleo del transformador.

El segundo efecto que cuando se combina con el primero explica el principio operativo del transformador que se basa en el hecho de que, si un conductor se enrolla alrededor de una pieza de imán y el campo magnético cambia, el cambio en el campo magnético inducirá una corriente en el conductor, cuya magnitud estará determinada por el número de vueltas de la bobina del conductor. Este es el principio con el que se energiza la bobina secundaria.

Cuando se aplica un voltaje a la bobina primaria, se crea un campo magnético alrededor del núcleo cuya fuerza depende de la corriente aplicada. El campo magnético creado induce así una corriente en la bobina secundaria que es función de la magnitud del campo magnético y del número de vueltas de la bobina secundaria.

Este principio operativo del transformador también explica por qué se tuvo que inventar la CA porque el transformador solo funcionará cuando haya una alternancia en la tensión o corriente aplicada, ya que solo entonces funcionarán los principios de inducción electromagnética. Por lo tanto, el transformador no se podía usar para CC en ese momento.

Construcción del transformador

Básicamente, un transformador se compone de dos partes que incluyen; dos bobinas inductivas y un núcleo de acero laminado. Las bobinas están aisladas entre sí y también aisladas para evitar el contacto con el núcleo.

Por tanto, la construcción del transformador se examinará bajo la construcción de la bobina y el núcleo.

Núcleo del transformador

El núcleo del transformador siempre se construye apilando láminas de acero laminadas juntas, asegurando que exista un espacio de aire mínimo entre ellas. El núcleo de los transformadores en los últimos tiempos siempre está compuesto por núcleo de acero laminado en lugar de núcleos de hierro para reducir las pérdidas por corrientes parásitas.

Hay tres formas principales de láminas de acero laminado para elegir, que son E, I y L.

Al apilar la laminación para formar el núcleo, siempre se apilan de tal manera que los lados de la junta se alternan. Por ejemplo, de las hojas que se ensamblan con la cara frontal durante el primer ensamblaje, se colocarán con la cara posterior para el siguiente ensamblaje como se muestra en la imagen a continuación. Esto se hace para evitar una gran reticencia en las articulaciones.

Bobina

Cuando se construye un transformador, es muy importante especificar el tipo de transformador como elevador o reductor, ya que esto determina el número de vueltas que existirán en la bobina primaria o secundaria.

Tipos de transformadores:

Principalmente hay tres tipos de transformadores de voltaje;

1. Transformadores reductores

2. Transformadores elevadores

3. Transformadores de aislamiento

Los transformadores reductores son transformadores que dan un valor reducido de la tensión aplicada a la bobina primaria en la bobina secundaria, mientras que para un transformador elevador, el transformador da un valor aumentado de la tensión aplicada a la bobina primaria, en la secundaria. bobina.

Los transformadores de aislamiento son transformadores que dan el mismo voltaje aplicado al primario en el secundario y, por lo tanto, se utilizan básicamente para aislar circuitos eléctricos.

De la explicación anterior, la creación de un tipo particular de transformador solo se puede lograr diseñando el número de espiras en cada una de las bobinas primaria y secundaria para dar la salida requerida, esto puede ser determinado por la relación de espiras. Puede leer el tutorial vinculado para obtener más información sobre los diferentes tipos de transformadores.

Relación de vueltas del transformador y ecuación EMF:

La relación de vueltas del transformador (n) viene dada por la ecuación;

n = Np / Ns = Vp / Vs

donde n = relación de vueltas

Np = Número de vueltas en bobina primaria

Ns = Número de vueltas en bobina secundaria

Vp = Voltaje aplicado al primario

Vs = Voltaje en el secundario

Esta relación descrita anteriormente se puede utilizar para calcular cada uno de los parámetros de la ecuación.

La fórmula anterior se conoce como acción de voltaje de los transformadores.

Como dijimos, el poder sigue siendo el mismo después de la transformación;

Esta fórmula anterior se conoce como acción actual del transformador. Lo que sirve como prueba de que el transformador no solo transforma la tensión sino que también transforma la corriente.

Ecuación EMF:

El número de vueltas de la bobina de la bobina primaria o secundaria determina la cantidad de corriente que induce o es inducida por ella. Cuando se reduce la corriente aplicada al primario, se reduce la fuerza del campo magnético y lo mismo ocurre con la corriente inducida en el devanado secundario.

E = N (dΦ / dt)

La cantidad de voltaje inducida en el devanado secundario viene dada por la ecuación:

Donde N es el número de vueltas en el devanado secundario.

Como el flujo varía sinusoidalmente, el flujo magnético Φ = Φ _max sinwt

así

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

El valor cuadrático medio de la fem inducida se obtiene dividiendo el valor máximo de la fem por √2

Esta ecuación se conoce como ecuación EMF de transformadores.

Donde: N es el número de vueltas en el devanado de la bobina

f es la frecuencia de flujo en hercios

Φ es la densidad de flujo magnético en Weber

con todos estos valores determinados, el transformador puede así construirse.

Energía eléctrica

Como se explicó anteriormente, los transformadores se crearon para garantizar que el valor de la energía eléctrica generada en las estaciones generadoras se entregue a los usuarios finales con poca o ninguna pérdida, por lo que en un transformador Ideal, la potencia en la salida (devanado secundario) es siempre la misma que la potencia de entrada. Por lo tanto, los transformadores se denominan dispositivos de vataje constante, aunque pueden cambiar los valores de voltaje y corriente, siempre se hace de tal manera que la misma potencia en la entrada está disponible en la salida.

Así

P _s = P _p

donde Ps es la potencia en el secundario y Pp es la potencia en el primario.

Dado que P = IvcosΦ entonces I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Eficiencia de un transformador

La eficiencia de un transformador viene dada por la ecuación;

Eficiencia = (potencia de salida / potencia de entrada) * 100%

Si bien la potencia de salida de un transformador ideal debe ser la misma que la potencia de entrada, la mayoría de los transformadores están lejos del transformador ideal y experimentan pérdidas debido a varios factores.

Algunas de las pérdidas que puede experimentar un transformador se enumeran a continuación;

1. Pérdidas de cobre

2. Pérdidas por histéresis

3. Pérdidas por corrientes de Foucault

1. Pérdidas de cobre

Estas pérdidas a veces se denominan pérdidas de bobinado o pérdidas I ² R. Estas pérdidas están asociadas con la potencia disipada por el conductor utilizado para el devanado cuando la corriente pasa a través de él debido a la resistencia del conductor. El valor de esta pérdida se puede calcular mediante la fórmula;

P = I ² R

2. Pérdidas por histéresis

Esta es una pérdida relacionada con la desgana de los materiales utilizados para el núcleo del transformador. A medida que la corriente alterna invierte su dirección, tiene un impacto en la estructura interna del material utilizado para el núcleo, ya que tiende a sufrir cambios físicos que también consumen parte de la energía.

3. Pérdidas por corrientes de Foucault

Esta es una pérdida que típicamente se supera con el uso de láminas delgadas de acero laminadas. La pérdida por corrientes parásitas surge del hecho de que el núcleo también es un conductor e inducirá una fem en la bobina secundaria. Las corrientes inducidas en el núcleo según la ley de Faraday se opondrán al campo magnético y conducirán a la disipación de energía.

Teniendo en cuenta el efecto de estas pérdidas en los cálculos de eficiencia del transformador, tenemos;

Eficiencia = (potencia de entrada - pérdidas / potencia de entrada) * 100% Todos los parámetros expresados ​​en unidades de potencia.