Un transformador es un dispositivo electromagnético que sirve para convertir la corriente alterna de una tensión y una frecuencia en corriente alterna de otra (o igual) tensión y la misma frecuencia.
Contenido
Diseño y función de un transformador
En el caso más sencillo Transformador contiene un devanado primario con el número de devanados W1 y un secundario con W2. La energía se conecta al devanado primario, la carga se conecta al devanado secundario. La transferencia de energía se produce por inducción electromagnética. Para mejorar el acoplamiento electromagnético, los bobinados suelen estar montados en un núcleo cerrado (núcleo magnético).
Si la tensión alterna U1se aplica al devanado primario, la corriente alterna I1que induce un flujo magnético F de la misma forma en el núcleo. Este flujo magnético induce una FEM en el devanado secundario. Si se conecta una carga al circuito secundario, una corriente secundaria I2.
La tensión en el devanado secundario viene determinada por la relación de vueltas W1 y W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, donde k relación de transformación.
Si k<1 entonces U2>U1y dicho transformador se denomina transformador elevador. Si k>1 , entonces U2
Un transformador puede tener más de un devanado secundario con diferentes relaciones de transformación. Por ejemplo, un transformador de 220 voltios para alimentar bombillas domésticas puede tener un devanado secundario, por ejemplo, de 500 voltios para alimentar los circuitos de ánodos y de 6 voltios para alimentar los circuitos de incandescencia. En el primer caso k<1, en el segundo k>1.
Un transformador sólo funciona con tensiones alternas: el flujo magnético debe cambiar para que se produzca un EMF en el devanado secundario.
Tipos de núcleo para transformadores
En la práctica, se utilizan núcleos no sólo de la forma indicada. Dependiendo del uso previsto del dispositivo, los núcleos magnéticos pueden estar hechos de diferentes maneras.
Núcleos de núcleo
Los núcleos de los transformadores de baja frecuencia son de acero con propiedades magnéticas pronunciadas. Para reducir las corrientes parásitas, el conjunto de núcleos está formado por placas individuales aisladas eléctricamente entre sí. Para las altas frecuencias, se utilizan otros materiales como la ferrita.
El núcleo del que hablamos anteriormente se denomina conjunto de núcleos y está formado por dos varillas. Para los transformadores monofásicos, también se utilizan núcleos de tres núcleos. Tienen un menor flujo de dispersión magnética y una mayor eficiencia. En este caso, tanto el devanado primario como el secundario se colocan en el núcleo central.
Los transformadores trifásicos también se fabrican con núcleos trifásicos. Los devanados primario y secundario de cada fase están cada uno en un núcleo separado. En algunos casos, se utilizan cinco núcleos. Tienen la misma disposición, los núcleos primario y secundario en cada lado del núcleo, los dos núcleos más externos de cada lado se utilizan para acoplar los flujos magnéticos en ciertas operaciones.
Núcleos blindados
Los transformadores monofásicos se fabrican con núcleos blindados: las dos bobinas se colocan en el núcleo central del núcleo magnético. El flujo magnético en este núcleo se acopla de forma similar a una unidad de tres núcleos, es decir, a través de las paredes laterales. El flujo de dispersión es muy pequeño en este caso.
La ventaja de este diseño es que hay una cierta ganancia de tamaño y peso debido a la posibilidad de llenar la ventana del núcleo más densamente con devanados, por lo que es ventajoso utilizar núcleos blindados para los transformadores de baja potencia. La consecuencia de esto es también un circuito magnético más corto, que conduce a menores pérdidas en vacío.
Las desventajas son que es más difícil acceder a los devanados para su inspección y reparación, y que el aislamiento para altas tensiones es más complejo de fabricar.
Toroidal
Con los núcleos toroidales, el flujo magnético está completamente encerrado en el núcleo y prácticamente no hay fugas de flujo magnético. Pero estos transformadores son difíciles de bobinar, por lo que sólo se utilizan en raras ocasiones, por ejemplo, en autotransformadores regulados de pequeña capacidad o en aplicaciones de alta frecuencia en las que la inmunidad a las interferencias es importante.
Autotransformador
En algunos casos es aconsejable utilizar transformadores en los que no sólo hay acoplamiento magnético entre los devanados, sino también acoplamiento eléctrico entre los mismos. Es decir, en un dispositivo elevador, el devanado primario forma parte del devanado secundario y en un dispositivo reductor, el devanado secundario forma parte del devanado primario. Este dispositivo se llama autotransformador (AT).
Un autotransformador reductor no es un simple divisor de tensión: el acoplamiento magnético también interviene en la transferencia de energía al circuito secundario.
Las ventajas de los autotransformadores son:
- menores pérdidas;
- la posibilidad de regular la tensión de forma continua;
- dimensiones más reducidas (los autotransformadores son más baratos y fáciles de transportar);
- Menor coste debido a la menor necesidad de material.
Las desventajas incluyen la necesidad de un aislamiento de mayor tensión de ambos devanados y la falta de aislamiento galvánico entre la entrada y la salida, que puede transferir los efectos de la intemperie del circuito primario al secundario. Al mismo tiempo, los elementos del circuito secundario no deben estar conectados a tierra. Además, el aumento de las corrientes de cortocircuito se considera una desventaja de la TA. En el caso de los autotransformadores trifásicos, los devanados suelen conectarse en estrella con el neutro a tierra; son posibles otros esquemas de conexión, pero demasiado complicados y engorrosos. Esta es también una desventaja que puede restringir el uso de los autotransformadores.
Aplicaciones de los transformadores
La propiedad de los transformadores de aumentar o disminuir la tensión se utiliza mucho en la industria y en los hogares.
Transformación de la tensión
El nivel de tensión industrial tiene diferentes requisitos en las distintas fases. Por diversas razones, no es rentable utilizar generadores de alta tensión en la producción de electricidad. Por eso, por ejemplo, en las centrales hidroeléctricas se utilizan generadores de 6...35 kV. En cambio, para el transporte de electricidad se necesitan tensiones más altas: de 110 kV a 1.150 kV, según la distancia. Esta tensión se reduce de nuevo a 6...10 kV, se distribuye a las subestaciones locales, desde donde se reduce a 380(220) voltios y se entrega al consumidor final. En el caso de los aparatos domésticos e industriales, también debe reducirse, normalmente a 3...36 voltios.
Todos estos pasos se realizan mediante ... transformadores de potencia. Pueden ser del tipo seco o del tipo aceite. En esta última, el núcleo y los devanados están contenidos en un depósito de aceite, que actúa como medio aislante y refrigerante.
Aislamiento galvánico
El aislamiento galvánico aumenta la seguridad de los aparatos eléctricos. Si el aparato no se alimenta directamente de la red de 220 voltios, donde uno de los conductores está conectado a tierra, sino a través de un transformador de 220/220 voltios, la tensión de alimentación sigue siendo la misma. Pero si la tierra y las partes secundarias portadoras de corriente se tocan al mismo tiempo, no habrá circuito para que la corriente fluya y el riesgo de electrocución será mucho menor.
Medición de la tensión
En todas las instalaciones eléctricas debe controlarse el nivel de tensión. Si se utiliza una clase de tensión de hasta 1000 voltios, los voltímetros se colocan directamente en las partes activas. En instalaciones de más de 1.000 voltios esto no es posible, ya que los dispositivos serán demasiado voluminosos y pueden no ser seguros en caso de fallo de aislamiento. Por ello, en estos sistemas, los voltímetros se conectan a los conductores de alta tensión a través de transformadores con una relación de transformación adecuada. Por ejemplo, para las redes de 10 kV, se utilizan transformadores 1:100 y la tensión de salida es de 100 voltios estándar. Si la tensión del primario cambia de amplitud, también cambia en el secundario al mismo tiempo. La escala de un voltímetro suele estar graduada en el rango de tensión primaria.
Los transformadores son bastante complejos y caros de fabricar y mantener. Sin embargo, en muchas aplicaciones estos dispositivos son indispensables y no hay alternativa.
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