1. Introducción
Si se va a suministrar energía a una distancia considerable de una central eléctrica, se requiere transmisión de energía de alto voltaje. En algún momento, este alto voltaje debe reducirse porque, en última instancia, debe alimentar una carga. Los transformadores hacen posible que diferentes partes del sistema de energía funcionen a diferentes niveles de voltaje. En este artículo, analizamos los principios y aplicaciones de los transformadores de potencia.
2. Transformador de doble devanado
La forma más simple de transformador está compuesta por dos bobinas fijas acopladas por flujo magnético mutuo. Se dice que estas bobinas están mutuamente acopladas porque vinculan un flujo común.
En aplicaciones de potencia se utilizan transformadores de núcleo laminado (este artículo se limita a esto). Los transformadores son eficientes porque las pérdidas rotacionales típicamente asociadas con las máquinas rotativas son inexistentes, por lo que las pérdidas de potencia son relativamente pequeñas al convertir energía de un nivel de voltaje a otro. Las eficiencias típicas están entre 92 y 99, siendo los valores más altos adecuados para transformadores de potencia más grandes.
La corriente en la bobina conectada a la fuente de CA se llama devanado primario o simplemente devanado primario. Establece un flujo φ en el núcleo de hierro, que cambia periódicamente en magnitud y dirección. El flujo magnético conecta la segunda bobina, llamada devanado secundario o simplemente secundario. El flujo está cambiando; por lo tanto, induce un voltaje en el secundario mediante inducción electromagnética según la ley de Lenz. Por lo tanto, la bobina primaria recibe energía de la fuente, mientras que la bobina secundaria suministra energía a la carga. Esta acción se llama acción transformadora.
3. Principio del transformador
Cuando se aplica una tensión sinusoidal Vp al lado primario y el lado secundario está en circuito abierto, no habrá transferencia de energía. El voltaje aplicado hace que una pequeña corriente Iθ fluya hacia el devanado primario. Esta corriente sin carga tiene dos efectos: (1) genera un flujo magnético en el núcleo que varía de forma sinusoidal entre cero y φm, donde φm es el valor máximo del flujo magnético del núcleo y (2) proporciona una solución al problema; Flujo magnético del núcleo. Componentes de histéresis y pérdidas por corrientes parásitas. Estas pérdidas combinadas suelen denominarse pérdidas de hierro.
La corriente sin carga Iθ suele ser un pequeño porcentaje (aproximadamente del 2 al 5) de la corriente nominal a plena carga del transformador. Dado que sin carga, el devanado primario actúa como una gran reactancia debido al núcleo de hierro, la corriente sin carga se retrasará con respecto al voltaje primario en casi 90°. . Es fácil ver que la componente actual Im=I0sinθ0, llamada corriente magnetizante, es 90? La fase va por detrás de la tensión primaria VP. Es este componente el que forma el flujo magnético en el núcleo, por lo tanto, φ está en fase con Im.
El segundo componente Ie=I0sinθ0 está en la misma fase que el voltaje primario. Es el componente actual el que causa la pérdida del núcleo. La suma fasorial de estos dos componentes representa la corriente sin carga, o
I0 = Im Ie
Cabe señalar que la corriente sin carga está distorsionada y no es sinusoidal. Esto es el resultado del comportamiento no lineal del material del núcleo.
Si supone que no hay otras pérdidas en el transformador, puede mostrar el voltaje inducido Ep en la bobina primaria y el voltaje inducido es en la bobina secundaria. Dado que el devanado primario genera flujo magnético, según la ley de Faraday, se genera una fuerza electromotriz inducida E en el devanado secundario, es decir, E = Nδφ/δt. Este flujo magnético también conecta el propio devanado primario, induciendo una fuerza electromotriz Ep en él. Como se mencionó anteriormente, el voltaje inducido debe retrasar el flujo en 90°. Entonces son 180? desfasado con el voltaje aplicado. Dado que no fluye corriente en el devanado secundario, Es = Vs. La corriente primaria sin carga I0 es muy pequeña, solo un pequeño porcentaje de la corriente de carga total. Por lo tanto, el voltaje en la bobina primaria es muy pequeño, Vp es casi igual a Ep. El voltaje primario y el flujo resultante son sinusoidales, por lo tanto, las inductancias Ep y es varían como funciones sinusoidales. El valor promedio del voltaje inducido viene dado por
Eavg = Número de vueltas ×
Esta es la ley de Faraday aplicable en un intervalo de tiempo finito. Por lo tanto
Eavg = N = 4fNφm
donde N es el número de vueltas del devanado.
Desde la perspectiva de la teoría de circuitos de CA, el voltaje efectivo o voltaje cuadrático medio (rms) de una onda sinusoidal es 1,1 veces el voltaje promedio, por lo tanto
E = 4,44fNφ piesφ metros
; >Dado que el flujo en los devanados primario y secundario es el mismo, por lo que el voltaje por vuelta en cada devanado también es el mismo. Por lo tanto
Ep = 4,44fNpφm
y
Es = 4,44fNsφm
donde Ep y Es son el devanado primario y el devanado secundario respectivamente número de vueltas. La relación entre el voltaje inducido primario y secundario se llama relación de transformación. Al expresar esta relación como a, podemos ver que a = =
Supongamos que la potencia de salida del transformador es igual a su potencia de entrada. Teniendo en cuenta la alta eficiencia, esta suposición en realidad no es mala. Lo que realmente queremos decir es que estamos ante un transformador ideal, es decir, que no tiene pérdidas. Por lo tanto
Pm = Pout
O
VpIp × PF primario = VsIs × PF secundario
Donde PF es el factor de potencia. Para los supuestos anteriores, esto significa que los factores de potencia en el lado primario y secundario son iguales, por lo tanto
VpIp = VsIs
de donde se puede obtener
Demuestra que, como aproximación, la relación de voltaje en los terminales es igual a la relación de vueltas. Por otro lado, las corrientes primaria y secundaria son inversamente proporcionales a la relación de vueltas. La relación de vueltas da una medida de cuánto aumenta o disminuye el voltaje secundario en relación con el voltaje primario. Para calcular la regulación de voltaje, necesitamos más información.
La relación de voltajes en los terminales varía dependiendo de la carga y su factor de potencia. En la práctica, la relación del transformador se obtiene de los datos de la placa de identificación, que enumera los voltajes primario y secundario en condiciones de carga completa.
Cuando la tensión secundaria Vs disminuye respecto a la tensión primaria, el transformador se denomina transformador reductor: por el contrario, si esta tensión aumenta, se denomina transformador elevador. En un transformador reductor, la relación de transformación a es mayor que 1 (a gt; 1,0), mientras que para un transformador elevador, es menor que 1 (a lt; 1,0). Si a = 1, el secundario del transformador. El voltaje es igual al voltaje primario. Este es un tipo especial de transformador que se utiliza cuando se requiere aislamiento eléctrico entre los circuitos primario y secundario manteniendo el mismo nivel de voltaje. Por lo tanto, este transformador a menudo se denomina transformador de aislamiento.
Obviamente, es el flujo magnético en el núcleo el que forma la conexión entre los circuitos primario y secundario. La sección 4 explica cómo la corriente del devanado primario se regula a sí misma en función de la corriente de carga secundaria cuando el transformador suministra energía a la carga.
Mirando los terminales del transformador desde el lado de la fuente, puedes ver que la impedancia se define como Vp/Ip. De =≔≌a, obtenemos Vp = aVs e Ip = Is/a. En términos de Vs e Is, la relación de Vp a Ip es
= =
Pero Vs/Is es la impedancia de carga ZL, por lo que podemos decir
Zm (Primario) = a2ZL
Esta ecuación nos dice que cuando se conecta una impedancia al lado secundario, la magnitud de la impedancia vista desde la fuente es 2 veces su valor real. Decimos que la impedancia de carga refleja o está referenciada al primario. Es esta característica de los transformadores la que se utiliza en aplicaciones de adaptación de impedancia.
4. Transformador bajo carga
Los voltajes primario y secundario mostrados tienen polaridad similar, como lo muestra la convención de "formación de puntos". Los puntos cerca del extremo superior del devanado tienen el mismo significado en teoría de circuitos; los terminales etiquetados tienen la misma polaridad. Por lo tanto, cuando la carga está conectada al secundario, la dirección de la corriente de carga instantánea es la que se muestra en la figura. En otras palabras, la marca de polaridad significa que cuando la corriente positiva ingresa a ambos devanados en los terminales marcados, la fuerza magnetomotriz de los dos devanados se suma.
Dado que la tensión secundaria depende del flujo del núcleo φ0, debe quedar claro que si Es permanece esencialmente constante en condiciones de carga normales, el flujo no debería cambiar significativamente. Cuando la carga está conectada, la corriente Is fluirá en el circuito secundario porque la fuerza electromotriz inducida Es actuará como fuente de voltaje. La corriente secundaria crea un MMF NsIs y, por tanto, un flujo.
Este flujo tiene una dirección tal que en cualquier momento es opuesta al flujo primario que lo creó originalmente. Por supuesto, esta es la Ley de Lenz en acción. Por lo tanto, el MMF representado por NsIs tiende a reducir el flujo central φ0. Esto significa que el flujo magnético que conecta el devanado primario disminuye y, por lo tanto, el voltaje inducido primario Ep disminuye. Esta disminución en el voltaje inducido da como resultado una mayor diferencia entre el voltaje aplicado y la fuerza electromotriz inducida inversa, permitiendo que fluya más corriente en el devanado primario. . en flujo. El hecho de que la corriente primaria Ip aumente significa que se cumplen las dos condiciones establecidas anteriormente: (1) la entrada de energía aumenta para igualar la salida de energía, y (2) el MMF primario aumenta para contrarrestar la tendencia del MMF secundario a reducir el flujo. .
En términos generales, se encontrará que el transformador reacciona casi instantáneamente para mantener el flujo del núcleo resultante esencialmente constante. Además, entre carga completa y sin carga, el flujo del núcleo φ0 cae muy poco (aproximadamente 1 a 3), lo cual es una condición necesaria para que Ep caiga lo suficiente como para permitir que Ip aumente.
En el lado primario, Ip ' es la corriente que fluye hacia el lado primario para equilibrar el efecto de desmagnetización de is. Su MMF NpIp establece una conexión de flujo solo primaria. Porque el flujo central φ0 permanece sin cambios. I0 debe ser la misma que la corriente que energiza el transformador sin carga. Por tanto, la corriente primaria Ip es la suma de las corrientes Ip' e I0.
Debido a que la corriente sin carga es relativamente pequeña, es correcto suponer que los amperios-vueltas primarios son iguales a los amperios-vueltas secundarios, ya que en este caso el flujo del núcleo es esencialmente constante. Por lo tanto, suponemos que I0 es insignificante ya que es sólo una pequeña fracción de la corriente de carga total.
Cuando fluye corriente en el devanado secundario, el MMF resultante (NsIs) produce un flujo magnético separado, excepto el flujo magnético φ0 producido por I0, que solo conecta el devanado secundario. Este flujo no tiene conexión con el devanado primario y por lo tanto no es un flujo mutuo.
Además, la corriente de carga que fluye a través del devanado primario produce un flujo magnético asociado únicamente al devanado primario; se denomina flujo de fuga primario; El voltaje inducido producido por el flujo de fuga secundario no será cancelado por el voltaje inducido equivalente en la bobina primaria. De manera similar, el voltaje inducido en el devanado primario no está equilibrado en el devanado secundario. Por lo tanto, estos dos voltajes inducidos se comportan como caídas de voltaje, a menudo denominadas caídas de voltaje de reactancia de fuga. Además, cada devanado tiene una determinada resistencia, lo que crea una caída de tensión resistiva. Teniendo en cuenta estas caídas de tensión adicionales, se completa el diagrama de circuito equivalente de un transformador real. Tenga en cuenta que la rama magnetizante se muestra en este circuito y no se considerará para nuestros propósitos. Esto es consistente con nuestra suposición anterior de que la corriente sin carga es insignificante en nuestros cálculos. Esta es una prueba más de que rara vez es necesario predecir el rendimiento del transformador con tanta precisión. Dado que las caídas de voltaje son proporcionales a la corriente de carga, esto significa que, en condiciones sin carga, no habrá caída de voltaje en ninguno de los devanados.