Funcionamiento de un transformador: Principio
La transformación de la energía se realiza por inducción mutua entre los devanados. La forma más simple de un transformador se muestra en la figura 1, que representa un transformador que consta de dos bobinas inductivas, bobinados primario y secundario. Las dos bobinas están conectadas a través de un núcleo de acero laminado que permite el flujo del flujo magnético a través del camino laminado.
Figura 1. Esquema de un transformador. Fuente: Georgia Panagi, StudySmarter.
Cuando el devanado primario se conecta a una fuente externa de tensión alterna, se induce un flujo magnético en las alas segúnlaLey de Faraday.
Laley de Faraday establece que un campo magnético variable induce una fuerza electromotriz que se opone a los cambios en el campo magnético.
Cuando una corriente alterna pasa por el bobinado primario, el campo magnético cambia, induciendo así una fuerza electromotriz. El campo magnético resultante corta el devanado de la bobina secundaria, lo que genera una tensión alterna en ese devanado por inducción electromagnética.
Los transformadores sólo pueden cumplir su función mientras se aplica una corriente alterna. Esto se debe a que la corriente continuanocrea ninguna inducción electromagnética.
La mayor parte del flujo magnético se enlaza con el devanado secundario, lo que se denomina "flujo principal", mientras que el flujo restante no se enlaza con el devanado secundario y se conoce como "flujo de fuga".
El flujo de fuga es una pequeña porción de flujo que se escapa más allá de la trayectoria del flujo magnético.
El EMF inducido se conoce como EMF mutuamente inducido, y su frecuencia es la misma que la fuerza electromotriz suministrada.
Cuando el devanado secundario es un circuito cerrado, la corriente mutuamente inducida fluye por el circuito, transfiriendo energía eléctrica del circuito primario al secundario.
El núcleo de un transformador
El núcleo de un transformador está formado por láminas de acero laminado colocadas de modo que haya un espacio de aire mínimo entre cada lámina. Esto se hace para proporcionar una trayectoria continua al flujo magnético. El tipo de acero que se utiliza proporciona una alta permeabilidad y reduce las pérdidas por corrientes parásitas y las pérdidas por histéresis.
Las pérdidas por histéresis se producen debido a la magnetización y desmagnetización del núcleo cuando la corriente se suministra en ambas direcciones.
El acero tiene una alta permeabilidad, lo que significa que su capacidad para transportar flujo magnético es mucho mayor que en el aire, permitiendo así que se produzca el flujo magnético.
Las corrientes parásitas circulan en los conductores como remolinos en una corriente inducidos por campos magnéticos variables que fluyen en un bucle cerrado.
Tipos de transformadores
Existen varios tipos de transformadores con distintas variaciones geométricas.
Transformador de núcleo
En un transformador de núcleo, las bobinas tienen forma cilíndrica y están colocadas en el núcleo, como se muestra en la figura 2. Las bobinas cilíndricas tienen distintas capas, y cada capa está aislada de la otra. Los transformadores de núcleo existen en versiones de pequeño y gran tamaño. El área efectiva del núcleo del transformador puede reducirse con el uso de laminación y aislamiento.
Transformador de carcasa
En un transformador tipo carcasa, las bobinas se montan en capas y se apilan con aislamiento entre ellas. Un transformador tipo cáscara puede tener una forma rectangular simple, como se muestra en la figura 3 (izquierda), o puede tener una configuración distribuida (derecha).
Figura 3. Transformador rectangular tipo carcasa (izquierda) y transformador distribuido tipo carcasa (derecha). Fuente: CircuitsToday.
Transformador tipo zigzag o estrella de interconexión
Un transformador en zigzag tiene una conexión en zigzag, en la que las corrientes de los devanados del departamento del núcleo fluyen en direcciones opuestas para evitar la saturación.
Figura 4. Configuración de un transformador en zigzag.
Usos y finalidades de un transformador
Los transformadores se clasifican en función de sus usos, finalidades y alimentación. Hay dos fines principales para los que se utilizan los transformadores:
- Los transformadoreselevadores se utilizan para aumentar la tensión en el devanado secundario. Un transformador elevador tiene más vueltas en la bobina secundaria que en la primaria.
- Los transformadoresreductores se utilizan para disminuir la tensión en el devanado secundario. Un transformador reductor tiene menos espiras en la bobina secundaria que en la primaria.
La ecuación de la relación de transformación especifica la relación entre las tensiones secundaria y primaria V1 y V2 medidas en Voltios, las corrientes I1 e I2 medidas en Amperios, y el número de espiras de las bobinas n1 y n2. Esta relación puede utilizarse para disminuir o aumentar una cantidad proporcionalmente al segundo devanado o al primario.
\[a = \frac{n_1}{n_2} = \frac{V_1}{V_2} = \frac{I_2}{I_1}].
La ecuación del transformador ideal
La relación de tensiones es igual a la relación del número de espiras, como se indica en las ecuaciones anteriores. En un transformador ideal sin pérdidas de energía eléctrica, que incluye las pérdidas en el núcleo, las pérdidas por corrientes parásitas o las pérdidas por histéresis, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida.
Por tanto, el rendimiento del transformador es del 100%, o la relación entre la potencia de salida y la de entrada es 1. Esto también se muestra en la siguiente ecuación del transformador ideal, donde I1 y V1 son la corriente y la tensión del devanado primario, respectivamente, mientras que I2 y V2 son la corriente y la tensión del devanado secundario, respectivamente.
\[\text{Potencia de entrada = Potencia de salida} \qquad V_1 \cdot I_1 = V_2 \cdot I_2\]
Se suministra una tensión de entrada de 5V a la bobina primaria de un transformador, mientras que en la bobina secundaria se induce una tensión de salida de 15V. Si sustituimos la tensión de entrada primaria por 25V, ¿cuál es la nueva tensión de salida inducida en la bobina secundaria?
Utilizamos la ecuación del transformador para determinar la relación entre las tensiones primaria y secundaria. Luego utilizamos esa relación para determinar la nueva tensión inducida en la bobina secundaria en función de la nueva tensión primaria de entrada.
\(a = \frac{V_1}{V_2} = \frac{5}{15} = 0,330 \qquad 0,33 = \frac{25V}{V_2'} \flechaderecha V_2' = \frac{25V}{0,33} = 75V\)
Transformadores monofásicos y trifásicos
Los transformadores también pueden clasificarse en función de su tipo de alimentación. Existen dos tipos de alimentación:
- Los transformadoresmonofásicos contienen un conductor y un hilo neutro. Funcionan mediante un ciclo de tensión que opera en una fase temporal y se utilizan mucho enlatecnología actual para convertir los valores de corriente alterna en los deseados.
- Los transformadorestrifásicos se utilizan mucho en aplicaciones de distribución y redes eléctricas. Funcionan con el mismo principio que los transformadores monofásicos. Sin embargo, tienen tres conductores, cada uno de los cuales contiene un conjunto de devanados primario y secundario y un hilo neutro.
La corriente en un transformador trifásico tiene tres picos y tres valles en cada periodo. Por tanto, la amplitud máxima se alcanza muchas veces, lo que ayuda a suministrar potencia a un ritmo constante.
Funcionamiento de un transformador - Puntos clave
- Un transformador es un dispositivo que aumenta o disminuye la tensión de un circuito a otro.
- El principio fundamental de los transformadores eslaley de inducción de Faraday.
- Hay tres configuraciones principales de transformadores: núcleo, carcasa y zigzag.
- Hay dos tipos distintos de transformadores que tienen fuentes de alimentación diferentes.
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