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El transformador eléctrico
Transformadores elevadores y transformadores reductores.
Los transformadores son elevadores o reductores. Si el voltaje de entrada es mayor que el voltaje de salida, el dispositivo es un transformador reductor. En un transformador elevador, el voltaje de salida es mayor que el de entrada. La relación de tensión de entrada-salida depende de la relación de espiras, que describe la relación entre los devanados de las bobinas primaria y secundaria. El primer número en una proporción dada es para el secundario. El segundo número es para el primario. La relación entre el voltaje primario y el secundario es la misma que la relación de vueltas entre el primario y el secundario.
De acuerdo con la figura, el bobinado conectado a la red de alimentación es el llamado “primario” y su misión consiste en crear el flujo en el circuito magnético, empleando para ello la energía que por ese bobinado ingresa el transformador.
Este flujo que también concatena las espiras del segundo bobinado o “secundario”, induce fuerzas electromagnéticas tanto en un como en otro.
Relación
de Transformación.
Los transformadores son dispositivos que transfieren energía de una bobina (primaria) a una segunda bobina (secundaria) como en la figura 3b. Las líneas de flujo se concentran en el núcleo y, debido a la reducida reluctancia dentro del núcleo completo, existe un acoplamiento muy eficiente y estrecho entre las dos bobinas. Esto permite la transferencia de energía de una bobina a otra con bajas pérdidas (> 95 por ciento de eficiencia) sin tener ninguna conexión eléctrica directa entre las dos bobinas, como se puede ver. Esto también permite la transferencia de energía cuando se producen variaciones de niveles de magnitud de corriente continua. Al ajustar la relación de vueltas entre las dos bobinas, se puede aumentar o reducir la salida de voltaje de la bobina secundaria.
Por regla general el transformador se compone de:
a) el núcleo armado o ensamblado con chapas de acero de transformador, y
b) dos o, en el caso general, más de dos, arrollamientos acoplados electromagnéticamente, y en el caso del autotransformador acoplados también eléctricamente.
El transformador puede ser de dos arrollamientos, o de tres o más arrollamientos, es decir, de devanado con tres o varios circuitos. Según la clase de corriente los transformadores se clasifican en monofásicos,
trifásicos y multifase. En un devanado o arrollamiento multifase de transformador todas las fases de los arrollamientos de la misma tensión están conectados de acuerdo con esquemas estipulados. El arrollamiento del transformador al cual se aplica la energía de la corriente alterna se llama primario y el otro, del cual se recibe la energía, se llama secundario. Todos los valores que pertenecen al primario como, por ejemplo, potencia, corriente, resistencia, etc., se denominan también primarios y los que pertenecen al secundario se llaman valores secundarios o de secundario.
El arrollamiento conectado al circuito de tensión más alta se llama arrollamiento de alta tensión (A.T.). Y el conectado al circuito de menor tensión se llama arrollamiento de baja tensión (B.T.). Si la tensión del secundario es menor que la del primario, se dice que el transformador es reductor, y si es más alta, el transformador es elevador.
Los arrollamientos de un transformador pueden estar provistos de tomas o derivaciones para variar su relación de transformación.
Ver tema relacionado : Circuitos trifásicos
El gran uso de los transformadores en los sistemas eléctricos y electrónicos se debe a que pueden cambiar la magnitud de una tensión alterna, aumentándola o disminuyéndola. El comportamiento ante la tensión viene determinado por el número de espiras que tienen la bobina del primario y la bobina del secundario. En un transformador que tuviera el 100 por 100 de rendimiento se cumpliría que:
Un transformador elevador aumenta la tensión, por lo que tiene más espiras en el secundario que en el primario, mientras que un transformador reductor reduce la tensión y, por tanto, tiene más espiras en el primario que en el secundario. Aunque una relación de transformación (Np:Ns) 1:1 no altera el valor de la tensión, puede ser útil para aislar una parte de un sistema de otra. Frecuentemente se utilizan transformadores con dos o más devanados secundarios o con varias tomas en el devanado secundario. En la figura a continuación se muestran los símbolos para distintos tipos de transformadores, así como algunas aplicaciones de cada uno.
Hay que recordar que los transformadores funcionan sólo con tensiones alternas. La bobina de inducción es un aparato de corriente continua, pero para que funcione se necesita un interruptor mecánico que haga variar el campo y se genere de esta forma una tensión de salida intermitente.
La
relación existente entre el número de espiras del
primario y del secundario de un transformador, determinará
el valor de la f.e.m. inducida sobre su circuito secundario. Un
transformador que posea en su secundario mayor número de
espiras que las del primario, inducirá sobre aquel una tensión
mayor que la aplicada. A la inversa, un secundario con menor número
de espiras que las del primario generará una tensión
menor que la del primario.
Fig.
4 - Forma típica de un núcleo magnético cerrado
, para un máximo aprovechamiento de las líneas de
fuerza magética .
La
relación que existente entre la tensión del primario
(Ep) y la tensión del secundario (Es) es igual a la relación
entre el número de espiras del primario (Np) y el número
de espiras del secundario (Ns).
En
consecuencia, podemos decir que:
y
efectuando trasposición de términos, tenemos:
fórmula
de la cual deducimos que la tensión inducida en el secundario
es proporcional a la relación del número de vueltas
del secundario con respecto a las del primario. Por tanto, a la
relación entre vueltas o entre tensiones del primario y secundario
se la denomina relación de transformación.
La
energía absorbida por el primario de un transformador está
relacionada directamente con la energía consumida por el
circuito secundario. Esto significa que un transformador no es un
dispositivo que sea capaz de generar energía. sino meramente
un elemento electrostático que transforma los valores de
tensión y/o corriente a los valores deseados.
La
intensidad de corriente circulante por el primario del transformador
depende de la carga del secundario. Si suponemos un transformador
con un secundario a circuito abierto, la corriente primaria (en
el caso de un transformador ideal, sin pérdidas ) será
igual a cero. Las pérdidas son debidas, generalmente, a la
resistencia óhmica de los bobinados, dispersión del
flujo magnético, etc.
Fig.:
Circuito magnético e intensidad de campo magnético
Si
consideramos un transformador con un secundario por el cual está
circulando corriente, puede decirse que se encuentra actuando bajo
condiciones de carga y en estas circunstancia su circuito primario
disipará potencia. Esto equivale a expresar que, bajo condiciones
de carga del secundario, aumenta la corriente o intensidad sobre
el primario.
La
intensidad de la corriente del secundario, provocará en todo
instante un flujo magnético opuesto al que origina el primario,
lo cual, de acuerdo con lo expresado por la Ley de Lenz, tenderá
siempre a disminuir el flujo magnético del primario. Esto,
a su vez, reducirá la f.e.m. de autoinducción ( que
ya sabemos, tiene en todo instante, sentido contrario ) circunstancia
que hará circular mayor intensidad de corriente por el primario.
Como se ve, el consumo sobre el circuito primario de un transformador
será proporcional a la carga del secundario.
Puede decirse que prácticamente , la potencia absorbida por
el secundario de un transformador es igual a la potencia consumida
por el primario, o sea:
fórmula
en la cual, si pasamos Ip al segundo miembro y Es al primero, puede
transformarse en esta otra:
de
la que deducimos que, las corrientes del primario y del secundario
de un transformador son inversamente proporcionales a las respectivas
tensiones. Esto significa que, si por ejemplo, un transformador
entrega en su secundario una tensión igual a la mitad de
la tensión aplicada al primario, la intensidad de corriente
máxima que se puede extraer de dicho secundario será
igual al doble de la intensidad circulante por el primario. A la
inversa, si el transformador es elevador de tensión y suministra
en el secundario una tensión , por ejemplo, tres veces mayor
que la del primario, solo podrá suministrar una intensidad
de corrientes tres veces menor que la del primario.
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