Electricidad - Electromagnetismo

El transformador eléctrico

Los transformadores permiten utilizar los altos voltajes generados en las centrales eléctricas. Se pueden usar para aumentar los voltajes para permitir que la energía eléctrica sea transportada desde el sitio del generador hasta el usuario. Los transformadores permiten hacer muchas cosas con electricidad.

Este es un dispositivo relativamente silencioso que está oculto en recintos por encima y por debajo del suelo. No tiene partes móviles (excepto ventiladores en algunos casos) y tiene una eficiencia superior al 99%. Los transformadores pueden variar en tamaño desde pequeños ensamblajes del tamaño de un guisante hasta gigantes que pesan más de 500 toneladas. Sin embargo, los principios que rigen la función de los transformadores eléctricos son los mismos, sin importar el tamaño o el uso que se le dé.

Un transformador funciona sin conexión física entre las bobinas de entrada y salida. El principio utilizado es la inductancia mutua. La corriente fluye hacia la bobina primaria del transformador. Esta corriente crea un flujo magnético. El flujo magnético, en efecto, acopla la bobina primaria con la bobina secundaria. El voltaje es inducido en la bobina secundaria. El voltaje inducido se puede variar aumentando o disminuyendo el campo magnético. El resultado de la operación de un transformador es la inducción de fuerza electromotriz (EMF) en la bobina secundaria.

El transformador es un dispositivo electromagnético estático destinado a la transformación de una corriente alterna (primaria) en otra (secundaria) de otras características, en particular, tensión y corriente distintas.

El transformador es un aparato estático que, basado en el efecto de la inducción electromagnético, se utiliza para transformar un sistemas de intensidad y tensión alternadas de valores dados, en otro sistema de intensidad y tensión alternada de valores en general diferentes a los anteriores.

Siendo como es un aparato destinado a ser utilizado en corriente alterna exclusivamente, su uso permite disponer en forma sencilla de la amplia gama de tensiones requeridas por la técnica, adaptándolas a las tensiones de generación, transporte y distribución disponibles en la actualidad.

En el caso particular del transporte de energía eléctrica, la inclusión de transformadores “elevadores” permite obtener las altas y muy altas tensiones indispensables para poder transportar la energía generada en centrales muy alejadas de sus centros de consumo, reduciendo a un mínimo las inevitables pérdidas que se producen durante el trayecto. A la vez, la inserción de transformadores “reductores” en las cercanías de los mercados consumidores permite disminuir las tensiones a valores compatibles con los que se utilizan en forma local.

El transformador es una máquina de elevada eficiencia y concepción relativamente sencilla cuyo funcionamiento se basa en la producción de fuerzas electromotrices por medio de dos o más arrollamientos que abrazan un núcleo de material ferromagnético, laminado, cerrado común a todos ellos. En la figura siguiente se ilustran los principales elementos constitutivos del transformador, en una instalación monofásica.

Campos magnéticos

Cuando fluye una corriente continua en un conductor, se produce un campo magnético circular alrededor del conductor, como se muestra en la figura 1a. Los campos magnéticos crean un flujo magnético o líneas de fuerza asociados con ellos. Cuando una corriente pasa a través de una inductancia o bobina, el campo magnético de cada conductor se suma para formar un campo magnético como se muestra en la figura 1b, similar al de un imán.

Fig. 1 - Líneas magnéticas de flujo producidas por (a) un conductor recto y (b) una bobina.

Si se coloca un imán como se muestra con su polo norte cerca del polo sur de la bobina, será atraído hacia la bobina. Si el imán se invierte, será repelido por la bobina, es decir, los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. Cuando se corta la corriente, el campo magnético en la bobina comienza a colapsar y al hacerlo induce un voltaje (voltaje inverso) en la bobina en la dirección opuesta al voltaje de conducción inicial, para oponerse al colapso de la corriente.

Fig. 2 - Se muestran las líneas de flujo en (a) una bobina con núcleo de hierro y (b) en un núcleo de hierro cerrado.

La facilidad de establecer las líneas magnéticas de fuerza cuando se aplica un voltaje a través de un inductor es una medida de su inductancia. Los materiales como el hierro dulce o la ferrita son conductores de líneas de fuerza magnéticas, de modo que la fuerza del campo magnético y la inductancia de la bobina aumentan considerablemente si se utiliza uno de estos materiales como núcleo de la bobina. La inductancia cambiará a medida que el núcleo se mueva hacia adentro y hacia afuera de la bobina (vea la figura 2a). Por tanto, tenemos un medio para medir el movimiento. Las líneas magnéticas de fuerza forman un circuito completo como se muestra en la figura 2a, la resistencia a estas líneas de fuerza (reluctancia) se puede reducir al proporcionarles un camino tanto dentro como fuera de la bobina con un núcleo de hierro dulce como se muestra en la figura. 2b, con una reluctancia reducida, el flujo magnético aumenta varios órdenes de magnitud en el núcleo magnético cerrado.

Fig. 3 - (a) Las líneas de flujo que acoplan dos bobinas y (b) un transformador con núcleo de hierro.

Si el imán de la figura 1b se reemplaza por una segunda bobina, como se muestra en la figura 3a, y hay una corriente alterna que fluya a través de la primera bobina, entonces la formación, colapso e inversión de líneas magnéticas de flujo en el primera bobina también abarcará e inducirá una fuerza electromotriz de CA en la segunda bobina.

Transformador con núcleo de hierro

Los transformadores con núcleo de hierro utilizan el principio de inductancia mutua para transferir energía entre los devanados primario y secundario. Un núcleo de hierro proporciona un camino de baja reluctancia para el flujo magnético. El núcleo de hierro está representado por dos líneas rectas entre las bobinas primaria y secundaria.

La corriente alterna (CA) cambia su campo magnético constantemente, de modo que un transformador puede usar este campo de flujo magnético cambiante para transferir energía de CA del primario al secundario. Tenga en cuenta que los dos devanados no están conectados entre sí en este tipo de transformador. El único medio de transferir energía del devanado primario al devanado secundario es el campo magnético.

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