Transformadores: definición, tipos, trabajo, aplicaciones

La corriente continua (DC) viaja en una sola dirección, pero la corriente alterna (AC) es una corriente eléctrica que cambia de dirección en ocasiones y cambia su amplitud continuamente con el tiempo. La corriente alterna es el tipo de electricidad que utilizan las empresas y los consumidores cuando conectan electrodomésticos de cocina, televisores, ventiladores y lámparas eléctricas a un tomacorriente de pared.

La celda de la batería de una linterna, por otro lado, es una fuente de alimentación de CC común. Las abreviaturas AC y DC se utilizan a menudo para significar corriente alterna y continua y voltaje, respectivamente. La forma de onda más común de la corriente alterna en la mayoría de los circuitos de energía eléctrica es una onda sinusoidal, cuyo semiperíodo positivo corresponde a la dirección positiva de la corriente y viceversa. En aplicaciones específicas, como amplificadores de guitarra, se utilizan diferentes formas de onda, como ondas triangulares u ondas cuadradas. Las señales de audio y radio enviadas a través de líneas eléctricas son otros ejemplos de corriente alterna. En varios tipos de corriente alterna, la información como sonido (audio) o imágenes (video) se comunica ocasionalmente mediante la modulación de una señal portadora de CA. Estas corrientes normalmente tienen una frecuencia mayor que las corrientes de transmisión de potencia.

Transformador

Un transformador es un dispositivo eléctrico que utiliza la inducción electromagnética y la inducción mutua para transmitir energía eléctrica de un circuito a otro. Por lo general, se usa para aumentar («aumentar») o disminuir («reducir») los niveles de voltaje entre circuitos sin cambiar la frecuencia de CA entre ellos.

Tipos de Transformadores

Hay principalmente dos tipos de transformadores basados ​​en el voltaje de operación. Los siguientes son algunos de ellos:

• Transformador reductor: el voltaje primario se convierte en un voltaje más bajo a través de la salida secundaria utilizando un transformador reductor. El número de devanados en el lado primario de un transformador reductor es mayor que en el lado secundario. Como resultado, la relación general de devanado secundario a primario siempre será menor que uno.

• Transformador elevador: el voltaje secundario de un transformador elevador se eleva desde el voltaje primario bajo. Debido a que el devanado primario tiene menos vueltas que el devanado secundario en este tipo de transformador, la relación entre el devanado primario y el secundario será mayor que uno.

Principio de funcionamiento de un transformador

La Ley de Inducción Electromagnética de Faraday rige el funcionamiento de los transformadores. “La amplitud del voltaje inducido es exactamente proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético a través de la bobina”, afirma el documento. Una corriente cambiante en una de las bobinas del transformador (bobina primaria) provoca un campo magnético cambiante, lo que provoca una fuerza electromotriz (fem) o “voltaje” cambiante en una segunda bobina (bobina secundaria). El campo magnético transfiere energía entre las dos bobinas; no hay conexión metálica entre los dos circuitos.

Un transformador, como se muestra en el diagrama anterior, contiene un núcleo magnético sobre el cual se colocan adecuadamente dos juegos de devanados, denominados primario y secundario. Cuando uno de los devanados está conectado a un suministro de CA, induce una fem en el otro devanado que es proporcional al número de vueltas en las bobinas principal y secundaria.

Partes del transformador

Las diferentes partes del transformador se enumeran a continuación.

• Núcleo: La mayoría de ellos están construidos con hierro dulce. Soporta los devanados primario y secundario y ofrece un canal de baja resistencia para el flujo electromagnético. Está fabricado apilando finas láminas de hierro dulce de excelente calidad. Para evitar pérdidas por corrientes de Foucault, cada hoja está separada por una fina capa aislante.
• Devanados: Cada fase del transformador contiene dos conjuntos de devanados. El devanado primario (el conjunto de vueltas de los devanados a los que se alimenta la corriente de suministro) y el devanado secundario (el conjunto de vueltas de los devanados a los que se alimenta la corriente de suministro) son los dos tipos (el conjunto de vueltas de los devanados de los que se toma la salida) . El devanado principal tiene un voltaje más alto que el devanado secundario, que se conoce como devanado de alto voltaje (HV), mientras que el otro se conoce como devanado de bajo voltaje (LV).
• Aislamiento: El aspecto más crucial de los transformadores es el aislamiento adecuado. Los transformadores pueden dañarse severamente por fallas en el aislamiento. Para la estabilidad y duración de los transformadores, es esencial un aislamiento adecuado. Los transformadores están aislados con materiales sintéticos, papel, algodón, aceite aislante y otros materiales.
• Tanque: El tanque principal de un transformador tiene dos propósitos:
  • El núcleo y los devanados están protegidos de los elementos, como la lluvia y el polvo.
  • Funciona como contenedor de aceite y como soporte para todos los demás accesorios del transformador.
• Aceite de transformador: La mayoría de los grandes transformadores están sumergidos en aceite. El aceite del transformador agrega aislamiento entre los conductores, mejora la disipación de calor de las bobinas y tiene capacidades de detección de fallas. El aceite de transformador está hecho típicamente de aceite mineral de hidrocarburo.
• Conservadores de aceite: El conservador de aceite está situado encima del tanque y los bujes del transformador. Algunos conservadores de aceite de transformador contienen una vejiga de goma. Cuando se carga un transformador, la temperatura ambiente aumenta, lo que hace que aumente la cantidad de aceite dentro del transformador. El tanque conservador del transformador tiene suficiente espacio para el aumento de aceite del transformador. También sirve como depósito de aceite que se utiliza para aislar edificios.
• Respiradero: Todos los transformadores sumergidos en aceite con tanque conservador lo incluyen. Ayuda en la protección del aceite contra la humedad.
• Radiadores y ventiladores: la mayor parte de la energía perdida en el transformador se disipa en forma de calor. El radiador y los ventiladores ayudan a disipar el calor generado por el transformador y brindan protección contra fallas. La mayoría de los transformadores secos se enfrían con aire natural.

Transformador ideal

No hay pérdidas en un transformador perfecto. La fuga de flujo magnético, la resistencia óhmica en los devanados y la pérdida de hierro en el núcleo están ausentes.

Ecuación EMF del Transformador Ideal

Sea N _p el número de vueltas del devanado principal, mientras que N _s es el número de vueltas del devanado secundario.

Cuando se le da un voltaje de CA a la bobina principal del transformador, la corriente generada crea un flujo magnético alterno que conecta la bobina secundaria y genera una fem. El número de vueltas en la bobina secundaria determina el valor de esta fem. Considere un transformador ideal (sin pérdidas) con resistencia de bobina primaria cero (sin caída de voltaje en la bobina) y todo el flujo en el núcleo que conecta los devanados primario y secundario. Cuando el voltaje _Vp se entrega a la bobina primaria, sea el enlace de flujo en cada vuelta en el núcleo en el momento t debido a la corriente en la bobina primaria.

Luego se calcula la fem o voltaje inducido (ε _s ) en el secundario con N _{s vueltas.}

ε _s =–N _s x dϕ/dt –(1)

Además, el flujo alterno genera una fem inversa en la red principal. Eso es todo.

ε _p =–N _p x dϕ/dt –(2)

Y para un transformador ideal, ε _p =V _p

Por aproximación, si el secundario es un circuito abierto o si la corriente extraída de él es modesta, ε _s = V _s .

El voltaje a través de la bobina secundaria es V _s . Como resultado, las ecuaciones (1) y (2) pueden escribirse como

V _s =–N _s x dϕ/dt –(3)

V _p =–N _p x dϕ/dt –(4)

De las ecuaciones (3) y (4), tenemos

Vs _/ Vp = _Ns / _{Np –}                      (5)

Los siguientes tres supuestos se utilizan para obtener la relación antes mencionada:

• Las resistencias eléctricas de las bobinas primaria y secundaria son insignificantes.
• La conectividad del flujo con las bobinas primaria y secundaria es la misma, o muy pocos flujos escapan del núcleo.
• La corriente secundaria es insignificante.

La entrada y salida de energía serán iguales si el transformador es perfecto o 100 por ciento eficiente (sin pérdidas de energía).

yo _pags V _pags =i _s V _s                             –(6)

Combinando las ecuaciones (5) y (6), tenemos

yo _pags /i _s =V _s /V _pags =N _s /N _pags =K –(7)

La relación de giro, K, se define en la ecuación anterior. Si la bobina secundaria tiene más vueltas que la bobina primaria, este es el caso (N _s > N _p ), el voltaje se eleva (V _s > V _p ). Un transformador elevador es el nombre para este tipo de configuración. Un transformador reductor es aquel en el que la bobina secundaria tiene menos vueltas que la bobina primaria (N _s <N _p ).

Eficiencia del transformador

La eficiencia de un transformador se puede expresar de la siguiente manera:

Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada

                                      = Potencia de salida / (Potencia de salida + Pérdidas)

Pérdidas en Transformador

Usamos transformadores ideales en las ecuaciones anteriores (sin pérdidas de energía). Sin embargo, algunas pérdidas de energía ocurren en transformadores genuinos por las siguientes razones:

• Fuga de flujo: debido a que parte del flujo se escapa del núcleo, no todo el flujo generado por la bobina primaria llega a la bobina secundaria. Esto ocurre como resultado de un diseño inadecuado del núcleo o de la presencia de agujeros de aire en el núcleo. Es posible bajarlo envolviendo las bobinas primaria y secundaria una sobre la otra. También se puede bajar si el núcleo está bien diseñado.
• Resistencia de los devanados: debido a que el cable utilizado para los devanados tiene cierta resistencia eléctrica, se desperdicia energía como resultado del calor generado en los devanados. Estos se mitigan en devanados de alta corriente y bajo voltaje utilizando alambre grueso con una sustancia altamente conductora.
• Corrientes de Foucault: El flujo magnético alterno crea corrientes de Foucault en el núcleo de hierro, lo que resulta en pérdidas de energía a través del calentamiento. Mediante el uso de un núcleo laminado, se reduce el impacto.
• Pérdida por histéresis: en cada ciclo de CA, el campo magnético alterno invierte la magnetización del núcleo. La pérdida de energía en el núcleo se produce como calor debido a la pérdida por histéresis, que se minimiza empleando un material magnético con una baja pérdida por histéresis.

Aplicación de Transformadores

Los siguientes son algunos de los usos más comunes de los transformadores:

1. Aumentar o reducir el nivel de voltaje en un circuito de CA para garantizar el correcto funcionamiento de los diversos componentes eléctricos del circuito.
2. Evita que la CC fluya de un circuito a otro.
3. Separa dos circuitos eléctricos separados.
4. Antes de que pueda llevarse a cabo la transmisión y distribución, se debe aumentar el nivel de voltaje en la planta de energía eléctrica.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué es un transformador?

Responder:

Un transformador es un dispositivo eléctrico que transmite energía eléctrica de un circuito a otro mediante inducción electromagnética e inducción mutua. Se utiliza más comúnmente para aumentar («aumentar») o disminuir («reducir») los niveles de voltaje entre circuitos mientras se mantiene constante la frecuencia de CA.

Pregunta 2: ¿Cuáles son las aplicaciones del transformador?

Responder:

Las aplicaciones de los transformadores son:

• Aumentar o disminuir el nivel de voltaje en un circuito de CA para garantizar que los diferentes componentes eléctricos del circuito funcionen correctamente.
• Impide el flujo de CC de un circuito al siguiente.
• Divide dos circuitos eléctricos diferentes.
• El nivel de voltaje en la planta de energía eléctrica debe elevarse antes de que pueda llevarse a cabo la transmisión y distribución.

Pregunta 3: El número de vueltas en la bobina secundaria de un transformador monofásico de 22KVA, 2200V/220V es 50, luego encuentre el número de vueltas primarias. Desprecie todo tipo de pérdidas en el transformador.

Responder:

El valor de la relación de vueltas es

V _p /V _s = 2200/220 = 10 = K

Número de vueltas primarias

El valor de los giros primarios se puede determinar como: –

N _p / N _s = K

Np / ₅₀ =10

Np=500

Pregunta 4: El número de vueltas en la bobina secundaria de un transformador monofásico de 23KVA, 2200V/220V es 60, luego encuentre la corriente de carga completa primaria

Responder:

Corriente de carga completa primaria

El valor de la corriente primaria a plena carga es,

Ip = _Potencia /Voltaje=23×10 ³ / 2200=10.45 A

Pregunta 5: El número de vueltas en la bobina secundaria de un transformador monofásico de 25KVA, 2200V/220V es 70, luego encuentre la corriente secundaria a plena carga

Responder:

Corriente de carga completa secundaria

El valor de la corriente secundaria a plena carga es

I _s =Potencia/Voltaje=25×10 ³ / 220=113.63A

Pregunta 6: ¿Qué es el transformador elevador?

Responder:

El voltaje secundario de un transformador elevador aumenta desde el voltaje primario bajo. La relación entre el devanado primario y el secundario en este tipo de transformador será mayor que uno, ya que el devanado primario tiene menos vueltas que el secundario.