Cómo funcionan los transformadores

Cómo funcionan los transformadores

Según la definición dada en Wikipedia un transformador eléctrico es un equipo estacionario que intercambia energía eléctrica a través de un par de bobinas enrolladas estrechamente, mediante inducción magnética.

Una corriente que cambia constantemente en un devanado del transformador genera un flujo magnético variable, que, en consecuencia, induce una fuerza electromotriz variable sobre una segunda bobina construida sobre el mismo núcleo.



Principio de funcionamiento básico

Los transformadores funcionan básicamente transfiriendo energía eléctrica entre un par de bobinas mediante inducción mutua, sin depender de ninguna forma de contacto directo entre los dos devanados.



Este proceso de transferencia de electricidad por inducción fue probado por primera vez por la ley de inducción de Faraday, en el año 1831. Según esta ley, el voltaje inducido a través de dos bobinas se crea debido a un flujo magnético variable que rodea la bobina.

La función fundamental de un transformador es aumentar o disminuir una tensión / corriente alterna, en diferentes proporciones según el requisito de la aplicación. Las proporciones se deciden por el número de vueltas y la relación de vueltas del devanado.



Analizando un transformador ideal

Podemos imaginar un transformador ideal como un diseño hipotético que puede ser virtualmente sin ningún tipo de pérdidas. Además, este diseño ideal puede tener su devanado primario y secundario perfectamente acoplados entre sí.

Lo que significa que la unión magnética entre los dos devanados se realiza a través de un núcleo cuya permeabilidad magnética es infinita y con inductancias de devanado a una fuerza magnetomotriz total cero.

Sabemos que en un transformador, la corriente alterna aplicada en el devanado primario intenta imponer un flujo magnético variable dentro del núcleo del transformador, que también incluye el devanado secundario que lo rodea.



Debido a este flujo variable, se induce una fuerza electromotriz (EMF) en el devanado secundario a través de inducción electromagnética. Esto da como resultado la generación de flujo en el devanado secundario con una magnitud opuesta pero igual al flujo del devanado primario, según Ley de Lenz'z .

Dado que el núcleo tiene una permeabilidad magnética infinita, todo el flujo magnético (100%) puede transferirse a través de los dos devanados.

Esto implica que, cuando el primario se somete a una fuente de CA y se conecta una carga a los terminales del devanado secundario, la corriente fluye a través del devanado respectivo en las direcciones que se indican en el siguiente diagrama. En esta condición, la fuerza magnetomotriz del núcleo se neutraliza a cero.

Imagen cortesía: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

En este diseño de transformador ideal, dado que la transferencia de flujo a través del devanado primario y secundario es del 100%, de acuerdo con la ley de Faraday, el voltaje inducido en cada uno de los devanados será perfectamente proporcional al número de vueltas del devanado, como se muestra a continuación. figura:

Cálculo de la relación de giro del transformador según Faraday

Video de prueba que verifica la relación lineal entre la relación de giro primaria / secundaria.

VUELTAS Y RELACIONES DE VOLTAJE

Tratemos de comprender los cálculos de la relación de giro en detalle:

La magnitud neta de la tensión inducida desde el devanado primario al secundario se determina simplemente por la relación entre el número de vueltas enrolladas sobre las secciones primaria y secundaria.

Sin embargo, esta regla solo se aplica si el transformador está cerca de un transformador ideal.

Un transformador ideal es aquel transformador que tiene pérdidas insignificantes en forma de efecto piel o corrientes parásitas.

Tomemos el ejemplo de la figura 1 a continuación (para un transformador ideal).

Supongamos que el devanado primario consta de alrededor de 10 vueltas, mientras que el secundario con un solo devanado de una sola vuelta. Debido a la inducción electromagnética, las líneas de flujo generadas a través del devanado primario en respuesta a la entrada CA, se expanden y colapsan alternativamente, cortando las 10 vueltas del devanado primario. Esto da como resultado que se induzca una cantidad exactamente proporcional de voltaje a través del devanado secundario dependiendo de la relación de giro.

El devanado que recibe entrada de CA se convierte en el devanado primario, mientras que el devanado complementario que produce la salida a través de la inducción magnética del primario se convierte en el devanado secundario.

Figura 1)

Dado que el secundario tiene una sola vuelta, experimenta un flujo magnético proporcional a través de su única vuelta en relación con las 10 vueltas del primario.

Por lo tanto, dado que el voltaje aplicado a través del primario es de 12 V, entonces cada uno de sus devanados estaría sujeto a un contador EMF de 12/10 = 1.2 V, y esta es exactamente la magnitud del voltaje que influiría en el único giro presente en la sección secundaria. Esto se debe a que tiene un solo devanado que es capaz de extraer solo la misma cantidad equivalente de inducción que puede estar disponible en un solo giro sobre el primario.

Así, el secundario con un solo giro podría extraer 1.2V del primario.

La explicación anterior indica que el número de vueltas en el primario de un transformador se corresponde linealmente con el voltaje de suministro a través de él y el voltaje simplemente se divide por el número de vueltas.

Por lo tanto, en el caso anterior, dado que el voltaje es de 12 V y el número de vueltas es 10, el EMF del contador neto inducido en cada una de las vueltas sería 12/10 = 1,2 V

Ejemplo # 2

Ahora visualicemos la figura 2 a continuación, muestra un tipo de configuración similar a la de la figura 1. espere el secundario que ahora tiene 1 turno adicional, es decir 2 números de turnos.

No hace falta decir que ahora la secundaria atravesaría el doble de líneas de flujo en comparación con la condición de la figura 1 que tenía solo un giro.

Entonces, aquí, el devanado secundario leería alrededor de 12/10 x 2 = 2.4V porque las dos vueltas estarían influenciadas por una magnitud de contador EMF que puede ser equivalente a través de los dos devanados en el lado primario del trafo.

Por lo tanto, de la discusión anterior en general podemos concluir que en un transformador la relación entre el voltaje y el número de vueltas a través del primario y el secundario son bastante lineales y proporcionales.

Números de giro del transformador

Por lo tanto, la fórmula derivada para calcular el número de vueltas de cualquier transformador se puede expresar como:

Es / Ep = Ns / Np

dónde,

  • Es = Voltaje secundario ,
  • Ep = voltaje primario,
  • Ns = Número de vueltas secundarias,
  • Np = Número de vueltas primarias.

Relación de giro primaria secundaria

Sería interesante notar que la fórmula anterior indica una relación directa entre la relación entre el voltaje secundario y el primario y el número de vueltas del secundario al primario, que se indican como proporcionales e iguales.

Por lo tanto, la ecuación anterior también se puede expresar como:

Ep x Ns = Es x Np

Más adelante, podemos derivar la fórmula anterior para resolver Es y Ep como se muestra a continuación:

Es = (Ep x Ns) / Np

similitud,

Ep = (Es x Np) / Ns

La ecuación anterior muestra que si hay 3 magnitudes disponibles, la cuarta magnitud podría determinarse fácilmente resolviendo la fórmula.

Solución de problemas prácticos de bobinado de transformadores

Caso en el punto # 1: Un transformador posee 200 vueltas en la sección primaria, 50 vueltas en la secundaria y 120 voltios conectados a través de la primaria (Ep). ¿Cuál podría ser el voltaje en el secundario (E s)?

Dado:

  • Np = 200 vueltas
  • Ns = 50 vueltas
  • Ep = 120 voltios
  • Es = ? volts

Responder:

Es = EpNs/Np

Sustituyendo:

Es = (120V x 50 vueltas) / 200 vueltas

Es = 30 volts

Caso en el punto # 2 : Suponga que tenemos 400 vueltas de alambre en una bobina con núcleo de hierro.

Suponiendo que se requiere que la bobina se emplee como devanado primario de un transformador, calcule el número de vueltas que se deben enrollar en la bobina para adquirir el devanado secundario del transformador para asegurar un voltaje secundario de un voltio con una situación en la que el primario el voltaje es de 5 voltios?

Dado:

  • Np = 400 vueltas
  • Ep = 5 voltios
  • Es = 1 volts
  • Ns =? vueltas

Responder:

EpNs = EsNp

Transposición para Ns:

Ns = EsNp / Ep

Sustituyendo:

Ns = (1V x 400 vueltas) / 5 voltios

Ns = 80 vueltas

Tener en cuenta: La relación de la tensión (5: 1) es equivalente a la relación de bobinado (400: 80). Ocasionalmente, como sustituto de valores particulares, se le asigna una relación de giro o voltaje.

En casos como este, simplemente podría asumir cualquier número arbitrario para uno de los voltajes (o devanado) y calcular el otro valor alternativo de la relación.

Como ilustración, suponga que se asigna una relación de bobinado como 6: 1, podría imaginar una cantidad de vueltas para la sección primaria y calcular el número secundario equivalente de vueltas, usando proporciones similares como 60:10, 36: 6, 30: 5, etc.

El transformador en todos los ejemplos anteriores lleva un número menor de vueltas en la sección secundaria en comparación con la sección primaria. Por esa razón, puede encontrar una cantidad menor de voltaje en el secundario del trafo en lugar de en el primario.

¿Qué son los transformadores elevadores y reductores?

Un transformador que tiene una clasificación de voltaje del lado secundario más baja que la clasificación de voltaje del lado primario se denomina Transformador STEP-DOWN .

O, alternativamente, si la entrada de CA se aplica al devanado que tiene un mayor número de vueltas, el transformador actúa como un transformador reductor.

La relación de un transformador reductor de cuatro a uno se inscribe como 4: 1. Un transformador que incluye un menor número de vueltas en el lado primario en comparación con el lado secundario generará un voltaje más alto en el lado secundario en comparación con el voltaje conectado en el lado primario.

Un transformador que tiene un lado secundario clasificado por encima del voltaje en el lado primario se denomina transformador STEP-UP. O, alternativamente, si la entrada de CA se aplica a un devanado que tiene un número menor de vueltas, entonces el transformador actúa como un transformador elevador.

La relación de un transformador elevador de uno a cuatro debe inscribirse como 1: 4. Como puede ver en las dos relaciones, la magnitud del devanado del lado primario se menciona constantemente al principio.

¿Podemos usar un transformador reductor como un transformador elevador y viceversa?

¡Sí definitivamente! Todos los transformadores funcionan con el mismo principio fundamental descrito anteriormente. Usar un transformador elevador como un transformador reductor simplemente significa intercambiar los voltajes de entrada a través de su devanado primario / secundario.

Por ejemplo, si tiene un transformador elevador de fuente de alimentación ordinario que le proporciona una salida de 12-0-12V desde una entrada de CA de 220V, puede usar el mismo transformador como un transformador elevador para producir una salida de 220V desde una CA de 12V aporte.

Un ejemplo clásico es un circuito inversor , donde los transformadores no tienen nada de especial. Todos funcionan utilizando los transformadores reductores ordinarios conectados de manera opuesta.

Impacto de la carga

Siempre que se conecta una carga o un dispositivo eléctrico a través del devanado secundario de un transformador, la corriente o los amperios atraviesan el lado secundario del devanado junto con la carga.

El flujo magnético generado por la corriente en el devanado secundario interactúa con las líneas magnéticas de flujo generadas por los amperios en el lado primario. Este conflicto entre las dos líneas de flujos se genera como resultado de la inductancia compartida entre el devanado primario y secundario.

Flujo mutuo

El flujo absoluto en el material del núcleo del transformador prevalece tanto en el devanado primario como en el secundario. Además, es una forma a través de la cual la energía eléctrica puede migrar desde el devanado primario al devanado secundario.

Debido a que este flujo une ambos devanados, se produce el fenómeno generalmente conocido como FLUJO MUTUO. Además, la inductancia que genera este flujo prevalece en ambos devanados y se denomina inductancia mutua.

La Figura (2) a continuación muestra el flujo creado por las corrientes en el devanado primario y secundario de un transformador cada vez que se enciende la corriente de suministro en el devanado primario.

Figura 2)

Siempre que la resistencia de carga se conecta al devanado secundario, el voltaje estimulado en el devanado secundario activa la corriente para que circule por el devanado secundario.

Esta corriente produce anillos de flujo alrededor del devanado secundario (indicados como líneas de puntos) que pueden ser una alternativa al campo de flujo alrededor del primario (ley de Lenz).

En consecuencia, el flujo alrededor del devanado secundario cancela la mayor parte del flujo alrededor del devanado primario.

Con una cantidad menor de flujo que rodea el devanado primario, la fem inversa se reduce y se succiona más amperio del suministro. La corriente suplementaria en el devanado primario libera líneas adicionales de flujo, restableciendo prácticamente la cantidad inicial de líneas de flujo absoluto.

VUELTAS Y RELACIONES ACTUALES

La cantidad de líneas de flujo producidas en un núcleo de trafo es proporcional a la fuerza de magnetización.

(EN AMPERIOS-VUELTAS) de los devanados primario y secundario.

El amperio-vuelta (I x N) es indicativo de la fuerza motriz magneto, se puede entender que es la fuerza magnetomotriz producida por un amperio de corriente que circula en una bobina de 1 vuelta.

El flujo que está disponible en el núcleo de un transformador rodea juntos los devanados primario y secundario.

Dado que el flujo es idéntico para cada devanado, los amperios-vueltas en cada devanado primario y secundario deben ser siempre los mismos.

Por esta razón:

IpNp = IsNs

Dónde:

IpNp = amperios / vueltas en el devanado primario
IsNs - amperios / vueltas en el devanado secundario

Dividiendo ambos lados de la expresión por
IP , obtenemos:
Np / Ns = Is / Ip

ya que: Es / Ep = Ns / Np

Entonces: Ep / Es = Np / Ns

También: Ep / Es = Es / Ip

dónde

  • Ep = voltaje aplicado a través del primario en voltios
  • Es = voltaje a través del secundario en voltios
  • Ip = corriente en el primario en Amp
  • Is = corriente en el secundario en amperios

Observe que las ecuaciones indican que la relación de amperios es la inversa del devanado o la relación de espiras, así como la relación de voltaje.

Esto implica que un transformador que posea menos vueltas en el lado secundario en comparación con el primario puede reducir el voltaje, pero aumentaría la corriente. Por ejemplo:

Supongamos que un transformador tiene una relación de voltaje de 6: 1.

Trate de encontrar la corriente o amperios en el lado secundario si la corriente o amperios en el lado primario es de 200 miliamperios.

Suponer

Ep = 6V (como ejemplo)
Es = 1V
Ip = 200mA o 0.2Amps
Es =?

Responder:

Ep / Es = Es / Ip

Transposición de Is:

Es = EpIp / Es

Sustituyendo:

Es = (6 V x 0,2 A) / 1 V
Es = 1.2A

El escenario anterior aborda que, a pesar del hecho de que el voltaje a través del devanado secundario es un sexto del voltaje a través del devanado primario, los amperios en el devanado secundario son 6 veces los amperios en el devanado primario.

Las ecuaciones anteriores podrían muy bien verse desde una perspectiva alternativa.

La relación de devanado significa la suma a través de la cual el transformador mejora o aumenta o reduce el voltaje conectado al lado primario.

Solo para ilustrar, suponga que si el devanado secundario de un transformador tiene el doble de vueltas que el devanado primario, el voltaje estimulado en el lado secundario probablemente será el doble del voltaje a través del devanado primario.

En caso de que el devanado secundario lleve la mitad del número de vueltas del lado primario, el voltaje en el lado secundario será la mitad del voltaje en el devanado primario.

Dicho esto, la relación de bobinado junto con la relación de amperaje de un transformador comprenden una asociación inversa.

Como resultado, un transformador elevador 1: 2 podría tener la mitad del amperaje en el lado secundario en comparación con el lado primario. Un transformador reductor 2: 1 puede tener dos veces el amperaje en el devanado secundario en relación con el lado primario.

Ilustración: Un transformador con una relación de bobinado de 1:12 posee 3 amperios de corriente en el lado secundario. ¿Descubrir la magnitud de amperios en el devanado primario?

Dado:

Np = 1 turno (por ejemplo)
Ns = 12 vueltas
Es = 3 amperios
Lp =?

Responder:

Np / Ns = Is / Ip

Sustituyendo:

Ip = (12 vueltas x 3 amperios) / 1 vuelta

Ip = 36A

Cálculo de la inductancia mutua

La inducción mutua es un proceso en el que un devanado pasa por una inducción de EMF debido a la tasa de cambio de la corriente del devanado adyacente que conduce a un acoplamiento inductivo entre el devanado.

En otras palabras Inductancia mutua es la relación entre la fem inducida en un devanado y la tasa de cambio de corriente en el otro devanado, como se expresa en la siguiente fórmula:

M = fem / di (t) / dt

Puesta en fase de Transformers:

Normalmente, cuando examinamos transformadores, la mayoría de nosotros creemos que el voltaje y las corrientes del devanado primario y secundario están en fase entre sí. Sin embargo, esto puede no ser siempre cierto. En los transformadores, la relación entre el voltaje y el ángulo de fase de la corriente entre el primario y el secundario depende de cómo estos devanados giran alrededor del núcleo. Depende de si ambos están en sentido contrario a las agujas del reloj, o en el sentido de las agujas del reloj o puede ser que un devanado se gire en sentido horario y el otro en sentido antihorario.

Consultemos los siguientes diagramas para comprender cómo la orientación del devanado afecta el ángulo de fase:

En el ejemplo anterior, las direcciones de bobinado parecen idénticas, es decir, tanto el bobinado primario como el secundario se giran en el sentido de las agujas del reloj. Debido a esta orientación idéntica, el ángulo de fase de la corriente y el voltaje de salida es idéntico al ángulo de fase de la corriente y el voltaje de entrada.

En el segundo ejemplo anterior, la dirección del devanado del transformador se puede ver enrollada con orientación opuesta. Como se puede ver, el primario parece ser el sentido de las agujas del reloj, mientras que el secundario se enrolla en el sentido contrario a las agujas del reloj. Debido a esta orientación opuesta del devanado, el ángulo de fase entre los dos devanados tiene una separación de 180 grados y la salida secundaria inducida muestra una respuesta de voltaje y corriente fuera de fase.

Notación de puntos y convención de puntos

Para evitar confusiones, se emplea la notación de puntos o la convención de puntos para representar la orientación del devanado de un transformador. Esto permite al usuario comprender las especificaciones del ángulo de fase de entrada y salida, ya sea que el devanado primario y secundario estén en fase o fuera de fase.

La convención de puntos se implementa mediante marcas de puntos en el punto de inicio del devanado, que indican si los devanados están en fase o fuera de fase entre sí.

El siguiente esquema de transformador lleva una denotación de convención de puntos, y significa que el primario y el secundario del transformador están en fase entre sí.

Convención de puntos que muestra que el devanado primario y secundario del transformador están en fase

La notación de puntos utilizada en la siguiente ilustración muestra los puntos colocados en los puntos opuestos del devanado primario y secundario. Esto indica que la orientación del devanado de los dos lados no es la misma y, por lo tanto, el ángulo de fase entre los dos devanados estará desfasado 180 grados cuando se aplique una entrada de CA en uno de los devanados.

Pérdidas en un transformador real

Los cálculos y fórmulas considerados en los párrafos anteriores se basaron en un transformador ideal. Sin embargo, en el mundo real, y para un transformador real, el escenario puede ser muy diferente.

Encontrará que en un diseño ideal se ignorarán los siguientes factores lineales fundamentales de los transformadores reales:

(a) Muchos tipos de pérdidas del núcleo, conocidas en conjunto como pérdidas de corriente magnetizante, que pueden incluir los siguientes tipos de pérdidas:

  • Pérdidas por histéresis: esto se debe a influencias no lineales del flujo magnético en el núcleo del transformador.
  • Pérdidas por corrientes de Foucault: esta pérdida se genera debido al fenómeno llamado calentamiento en joules en el núcleo del transformador. Es proporcional al cuadrado de la tensión aplicada al primario del transformador.

(b) En contraste con el transformador ideal, la resistencia del devanado en un transformador real nunca puede tener una resistencia cero. Lo que significa que el devanado eventualmente tendrá alguna resistencia e inductancias asociadas con ellos.

  • Pérdidas Joule: Como se explicó anteriormente, la resistencia generada a través de los terminales de bobinado da lugar a pérdidas Joule.
  • Flujo de fuga: sabemos que los transformadores dependen en gran medida de la inducción magnética a través de su devanado. Sin embargo, dado que los devanados están construidos sobre un solo núcleo común, el flujo magnético muestra una tendencia a filtrarse a través del devanado a través del núcleo. Esto da lugar a una impedancia denominada impedancia reactiva primaria / secundaria, que contribuye a las pérdidas del transformador.

(c) Dado que un transformador es también una especie de inductor, también se ve afectado por fenómenos como la capacitancia parásita y la autorresonancia, debido a la distribución del campo eléctrico. Esta capacitancia parásita generalmente puede tener 3 formas diferentes como se indica a continuación:

  • Capacitancia generada entre las vueltas una encima de la otra dentro de una sola capa
  • Capacitancia generada en dos o más capas contiguas
  • Capacitancia creada entre el núcleo del transformador y las capas de bobinado adyacentes al núcleo

Conclusión

De la discusión anterior, podemos entender que en aplicaciones prácticas, el cálculo de un transformador, especialmente un transformador de núcleo de hierro, puede no ser tan simple como lo sería un transformador ideal.

Para obtener los resultados más precisos para los datos de bobinado, es posible que tengamos que considerar muchos factores como: densidad de flujo, área del núcleo, tamaño del núcleo, ancho de la lengüeta, área de la ventana, tipo de material del núcleo, etc.

Puedes aprender más sobre todos estos cálculos. debajo de esta publicación:




Artículo anterior: Circuito indicador de nivel de combustible ultrasónico Siguiente: Circuitos comparadores que utilizan IC 741, IC 311, IC 339