Transformador: su funcionamiento, construcción, tipos y usos

Los transformadores son dispositivos eléctricos que convierten el voltaje a un valor más alto o más bajo, manteniendo idealmente la potencia constante.

Son una parte integral de un sistema eléctrico y su aplicación se puede observar en casi todas las áreas de la ingeniería eléctrica, desde los sistemas de energía eléctrica hasta los electrodomésticos comunes.

¿por Qué los necesitamos?

Con el desarrollo de fuentes de alimentación de CA, también nació la necesidad de transformadores. En los primeros tiempos, la transmisión de energía de CC se hacía dando como resultado mayores pérdidas y poca eficiencia. Con la invención del transformador, este problema se resolvió y la transmisión de energía de CA se hizo prominente.

Sin embargo, al aumentar las tensiones de transmisión utilizando un transformador, este problema se resolvió. Un aumento de voltaje se acompaña de una disminución de la corriente para mantener la potencia constante en un transformador.

Y con pérdidas de potencia directamente proporcionales al cuadrado de la corriente, resulta en una disminución de la corriente por un factor de 10, reduciendo en consecuencia las pérdidas por un factor de 100. De hecho, sin transformadores, no habríamos podido usar la energía eléctrica como la usamos ahora.

Es por eso que generamos electricidad a voltajes de hasta 11 a 25 kV y luego aumentamos estos voltajes a 132,220 o 500 kV para transmisión con pérdidas mínimas y luego bajamos el voltaje para un uso residencial y comercial seguro.

Construcción de un Transformador:

Un transformador consiste principalmente en un núcleo, devanados y un tanque, sin embargo, también hay bujes, respiradores, radiadores y conservadores en algunos transformadores.

Núcleo: Un núcleo de transformador está hecho de hierro blando o acero al silicio que proporciona una trayectoria de baja reluctancia (las líneas de campo magnético pueden pasar fácilmente a través de ellas).

Los núcleos del transformador están laminados para reducir las pérdidas por corrientes de foucault, las laminaciones suelen tener un grosor de 2,5 mm a 5 mm y están aisladas entre sí y los devanados por un revestimiento de óxido, fosfato o barniz. El núcleo está construido con las laminaciones en diferentes formas, como E, L, I, C y U.

En los transformadores de tipo concha, el núcleo rodea o cubre los devanados como una concha.

En transformadores de tipo núcleo, los devanados se envuelven alrededor de las dos extremidades o rectángulos del núcleo.

Devanados:

Un transformador monofásico de 2 devanados tiene generalmente 2 devanados, devanados primarios y secundarios, que están hechos de cobre trenzado de alta calidad. Los devanados están enrollados alrededor del núcleo y no tienen contacto eléctrico entre sí.

También se pueden llamar devanados de alto voltaje y bajo voltaje respectivamente, con el devanado de alto voltaje que tiene mayor aislamiento que el devanado de bajo voltaje.

Principio de funcionamiento:

El principio básico de funcionamiento de un transformador es el trabajo de inducción mutua entre los devanados primario y secundario que están unidos por un flujo magnético común a través del núcleo del transformador. El núcleo proporciona una trayectoria de baja resistencia para que el flujo magnético pase a través de él.

El devanado conectado a la fuente puede considerarse un devanado primario y la corriente que transporta puede considerarse que tiene un campo magnético propio.

Este campo magnético se crea a través del núcleo y está cambiando de dirección debido a las corrientes alternas, y ahora de acuerdo con la ley de Faraday de inducción electromagnética:

“La velocidad de cambio del enlace de flujo con respecto al tiempo es directamente proporcional al campo electromagnético inducido en un conductor o bobina”

Este cambio en el campo magnético induce una tensión en la bobina secundaria que es proporcional al número de vueltas en los devanados. Esto se puede entender mediante la siguiente ecuación:

E = N dϕ /dt

Donde

E = FEM Inducida

N = el número de vueltas

dϕ = Cambio en el flujo

dt = Cambio en el tiempo

una Vez que el bobinado secundario está conectado a una carga, el circuito será completado y actual empezará a fluir a través de él.

Relación de vueltas del transformador:

Ambos devanados en un transformador, es decir, primario y secundario, tienen un número específico de vueltas. La relación entre el número de vueltas en el bobinado primario y el número de vueltas en el bobinado secundario se conoce como relación de vueltas.

Transformador ideal:

Un transformador ideal es un transformador que da una salida de potencia que es exactamente igual a la entrada de potencia. Esto significa que no tiene ningún tipo de pérdida.

Los transformadores ideales no existen y solo se utilizan para simplificar los cálculos de transformadores. Su relación de voltaje se puede modelar mediante estas sencillas ecuaciones:

¿En qué se diferencia un Transformador Ideal de un Transformador Real?

En realidad, tenemos transformadores que consisten en algunas pérdidas de potencia; por lo tanto, la potencia de salida nunca es igual a la potencia de entrada del transformador.

Los transformadores reales tienen cierto valor de resistencia al devanado, flujo de fuga y también tienen pérdidas de cobre y núcleo que discutimos aquí.

Circuito Equivalente de transformador:

Un circuito equivalente de un transformador es una representación simplificada de un transformador consta de las resistencias y reactancias.

Un circuito equivalente nos ayuda a realizar cálculos de transformadores, ya que el análisis básico de circuitos ahora se puede aplicar a un transformador.

Lea nuestro último artículo para obtener más información sobre el circuito equivalente.

Eficiencia:

La eficiencia del transformador es la relación entre la potencia de salida del transformador y la potencia de entrada.

Se administra por

O

Donde

Como la potencia de salida siempre será menor que la potencia de entrada, la eficiencia del transformador siempre estará entre 0-100%, mientras que un transformador ideal tendrá una eficiencia del 100%.

Para calcular la eficiencia del transformador a partir de un circuito equivalente, simplemente agregamos las pérdidas de cobre y las pérdidas de núcleo a la ecuación de eficiencia para obtener la siguiente ecuación:

Regulación de Tensión:

También es importante saber que debido a que un transformador tiene impedancias de serie dentro de él, también tendrá caídas de voltaje a través de ellos. Esto dará lugar a una tensión de salida variable con la carga variable, incluso si la tensión de entrada se mantiene constante.

La cantidad que compara el voltaje de salida sin carga con el voltaje de salida a plena carga se conoce como regulación de voltaje.

Se puede calcular a partir de la siguiente ecuación:

Donde

cabe señalar que un ideal transformador tendrá una regulación de voltaje de 0%.

Tipos de transformadores y sus aplicaciones

Transformadores elevadores: Estos transformadores aumentan el nivel de voltaje más bajo en el lado primario a un valor de voltaje más alto en el lado secundario. En este caso, el bobinado secundario tiene un mayor número de giros que el primario.

Estos se utilizan principalmente en la generación de estaciones donde la tensión generada alrededor de 11 kV se acercó a 132 kV o más para la transmisión

transformador reductor: Paso hacia abajo transformadores reduce el alto voltaje en el lado primario de un menor valor de la tensión en el secundario. En este caso, el bobinado primario tiene un mayor número de giros.

Los transformadores reductores se utilizan en las estaciones de red para disminuir los altos voltajes de transmisión a un valor inferior adecuado para la distribución y utilización. También se pueden encontrar en nuestros cargadores de móviles.

Otros tipos incluyen transformadores de potencia, transformadores de distribución, transformadores de tipo núcleo, transformadores monofásicos y trifásicos, transformadores de interior y exterior. Puede consultar nuestro blog anterior centrado en los tipos de transformadores y sus aplicaciones.

Limitaciones de un transformador:

También es importante tener en cuenta aquí que un transformador solo funcionará en CA. Esto se debe a que una Corriente Continua (CC) producirá un campo magnético constante en lugar de un campo magnético cambiante y, por lo tanto, no se inducirá ningún campo electromagnético en el devanado secundario.

Una de las iniciativas recientes de AllumiaX es un patrocinio corporativo para la plataforma GeneralPAC que proporciona tutoriales para la protección, automatización y controles de sistemas de energía. Aquí, encontrará la serie de videos de Transformers. En esta serie, repasarán la Introducción a la Conexión de Transformador Delta Wye, La Introducción a la Conexión de Transformador Wye Wye, la Introducción a la Conexión de Transformador Delta Wye y la Corriente de Circulación y los Voltajes, la Condición de Fase Abierta en el Análisis del Transformador, La Diferencia Entre la Forma del Núcleo y el Transformador de Potencia de Forma de Carcasa.

Háganos saber si tiene alguna pregunta sobre este tema y envíenos sus comentarios en los comentarios.

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