El transformador es uno de los dispositivos más básicos y esenciales en la industria eléctrica. Su principio de funcionamiento puede parecer complejo a primera vista, pero en realidad se basa en conceptos simples y fundamentales. En este artículo, exploraremos los conceptos básicos del transformador y su principio de funcionamiento de una manera clara y concisa. ¡Prepárate para conocer cómo esta innovación revolucionó el mundo de la electricidad!
¿Qué es un transformador?
El transformador es un dispositivo estático que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro circuito sin alterar la frecuencia. La transferencia de energía en el transformador ocurre a través del proceso de inducción electromagnética.
El transformador sube o baja el voltaje de acuerdo con la relación de vueltas del transformador. La corriente también cambia en la misma proporción que el voltaje. Por lo tanto, el poder sigue siendo el mismo. La frecuencia también permanece sin cambios. En esta publicación, aprenderemos sobre los conceptos básicos del transformador y su principio de funcionamiento.
¿Por qué es necesario subir o bajar el voltaje?
La belleza del voltaje alterno es que un transformador puede generarlo, transmitirlo y subirlo o bajarlo fácilmente. El voltaje se eleva para la transmisión larga para reducir las pérdidas de línea. La pérdida de línea depende de la corriente y la resistencia del conductor. La pérdida de línea varía proporcionalmente a la corriente en el circuito. Al aumentar el voltaje, la corriente se reduce para transferir la misma cantidad de energía eléctrica y, como resultado, se reducen las pérdidas en la línea. En el extremo receptor, el voltaje se reduce al nivel de utilización a través de un transformador reductor.
Principio de funcionamiento del transformador
El transformador funciona según el principio de la Ley de inducción electromagnética de Faraday. La ley establece que si un conductor se coloca en un campo magnético variable, el voltaje se induce en el conductor. Cuando el voltaje alterno se alimenta al primario, el flujo que varía en magnitud y dirección se vincula al devanado primario y secundario del transformador.
Teoría del transformador
La magnitud de campos electromagnéticos inducidos depende de la tasa de cambio del flujo y del número de vueltas en una bobina. De acuerdo con la Ley de Lenz, la FEM inducida en una bobina siempre se opone al voltaje aplicado.
La EMF inducida en una bobina se puede expresar como;
e = – N dФ/dt
El transformador tiene un devanado primario y secundario que está enrollado en el núcleo magnético. Cuando el devanado primario recibe voltaje alterno, el transformador atrae corriente de magnetización para establecer el flujo magnético en el núcleo. El flujo variable se vincula al devanado primario y secundario del transformador.
Idealmente, el flujo producido en el primario debe conectarse al secundario sin fugas. Sin embargo, prácticamente todo el flujo producido en el primario no se une al secundario y algunas partes del flujo se pierden. El núcleo magnético hecho de Cold Rolled Grain Oriented (CRGO) es más eficiente para transferir el flujo al devanado secundario. Además, la pérdida por histéresis del núcleo CRGO es menor.
Si el transformador es ideal, el flujo generado por el devanado primario se vincula al secundario y al primario y no hay flujo de fuga. Sin embargo, esta es una condición ideal y prácticamente parte del flujo se filtra y se conecta a las otras partes del transformador. Los enlaces de flujo en el material del núcleo inducen fem, lo que provoca una mayor pérdida de calor en el núcleo debido a la corriente de Foucault. La pérdida se denomina pérdida por corrientes de Foucault. El núcleo magnético está laminado para reducir la pérdida por corrientes de Foucault.
El devanado primario recibe tensión sinusoidal. El voltaje sinusoidal es voltaje alterno y el flujo de corriente en el primario establece flujo magnético en el núcleo. El flujo viaja a través del núcleo y se vincula con el secundario y el primario. El flujo variable induce EMF en el primario y el secundario. La magnitud de la EMF inducida en el primario y el secundario es la siguiente.
Ecuaciones EMF del transformador
mipag = 4,44Npag fmetro
mis = 4,44Ns fmetro
Dónde,
mipag = FEM inducida en el devanado primario
miS = FEM inducida en el devanado secundario
Np = número de vueltas en el devanado primario
Ns = número de vueltas en el devanado secundario
f = frecuencia
Фmetro = flujo en el núcleo
El núcleo del transformador puede transportar el flujo hasta su máxima capacidad nominal. El núcleo CRGO puede transportar flujo hasta 1,9 Tesla. Si el flujo aumenta por encima de 1,9 Tesla, el núcleo puede saturarse y el voltaje de salida puede distorsionarse.
El transformador funciona bastante bien mientras el flujo permanezca constante. La densidad de flujo depende de la relación tensión/frecuencia.
Relación de transformación y relación de transformación de voltaje del transformador
La ecuación EMF del transformador es la siguiente.
mipag = 4,44Npag fmetro ——-(1)
mis = 4.44Ns fФmetro ———(2)
Dividiendo la ecuación (2) por (1) obtenemos,
mis/MIpag = nortes/ nortepag ———(3)
Voltajes Es y mipag son casi iguales al voltaje terminal primario y secundario si ignoramos la resistencia del devanado y la reactancia de fuga.
mis= Vs y mipag= Vpag
Vs/Vpag = nortes/ nortepag = K —-(4)
Dónde,
K es la relación de transformación de tensión.
La potencia de entrada del transformador es casi igual a la potencia de salida.
Vs x yos = Vpag x yopag
Vs/Vpag = yopag/Is ———(5)
De las ecuaciones (4) y (5) obtenemos
Vs/Vpag = nortes/NORTEpag = Ipag/Is = k
La relación de vueltas es la relación entre las vueltas primarias y las vueltas secundarias.
Relación de vueltas = Npag/NORTEs= 1/k
El transformador tiene su uso para aumentar o reducir el voltaje. El transformador que eleva el voltaje primario se llama transformador elevador, y el transformador que baja el voltaje se llama transformador reductor.
En un transformador reductor, el número de vueltas en el primario es mayor que el número de vueltas en el secundario.
En un transformador elevador, el número de vueltas en el primario (Np) es menor que el número de vueltas en el secundario (Ns).
Partes del transformador
El transformador tiene tres partes principales.
- Devanado primario
- Núcleo magnético
- Devanado secundario
Devanado primario
Un devanado primario tiene su conexión a una fuente externa. y recibe energía eléctrica. El devanado primario establece el flujo magnético en el núcleo cuando se conecta a un suministro de voltaje alterno.
Núcleo magnético
El núcleo magnético proporciona un camino de baja reluctancia al flujo magnético. El flujo magnético se une al devanado primario y secundario e induce el voltaje en ambos devanados.
Devanado secundario
El devanado secundario enrolla en el mismo núcleo. El flujo se establece mediante enlaces primarios al devanado secundario e induce un voltaje en él.
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