Transformador

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Un transformador es un componente pasivo que convierte la energía eléctrica de un circuito eléctrico a otro circuito, o múltiples circuitos. Una corriente variable en cualquier bobina del transformador produce un flujo magnético variable en el núcleo del transformador, lo que induce una fuerza electromotriz (EMF) variable en cualquier otra bobina enrollada alrededor del mismo núcleo. La energía eléctrica se puede transferir entre bobinas separadas sin una conexión metálica (conductora) entre los dos circuitos. La ley de inducción de Faraday, descubierta en 1831, describe el efecto de voltaje inducido en cualquier bobina debido a un flujo magnético cambiante rodeado por la bobina.

Los transformadores se utilizan para cambiar los niveles de voltaje de CA, tales transformadores se denominan tipo elevador o reductor para aumentar o disminuir el nivel de voltaje, respectivamente. Los transformadores también se pueden utilizar para proporcionar aislamiento galvánico entre circuitos, así como para acoplar etapas de circuitos de procesamiento de señales. Desde la invención del primer transformador de potencial constante en 1885, los transformadores se han vuelto esenciales para la transmisión, distribución y utilización de energía eléctrica de corriente alterna. Se encuentra una amplia gama de diseños de transformadores en aplicaciones de energía eléctrica y electrónica. Los transformadores varían en tamaño, desde transformadores de RF de menos de un centímetro cúbico de volumen, hasta unidades que pesan cientos de toneladas utilizadas para interconectar la red eléctrica.

Principios

Ecuaciones de transformadores ideales

Por la ley de inducción de Faraday:

V_text{P} = -N_text{P} frac{mathrm{d}Phi}{mathrm{d}t}

V_text{S} = -N_text{S} frac{mathrm{d}Phi}{mathrm{d}t}

donde $V$ es el voltaje instantáneo, $norte$ es el número de vueltas en un devanado, dΦ/dt es la derivada del flujo magnético Φ a través de una vuelta del devanado a lo largo del tiempo (t), y los subíndices _P y _S denotan primario y secundario.

Combinando la relación de la ec. 1 y ec. 2:

{displaystyle ={frac {V_{text{P}}}{V_{text{S}}}}={frac {N_{text{P}}}{N_{text{S} }}}=a}

donde para un transformador elevador a < 1 y para un transformador reductor a > o = 1.

Por la ley de conservación de la energía, la potencia aparente, real y reactiva se conservan en la entrada y la salida:

{displaystyle S=I_{text{P}}V_{text{P}}=I_{text{S}}V_{text{S}}}

donde $S$ es potencia aparente y $yo$ es corriente.

Combinando la ecuación. 3 y ecuación 4 con esta nota final da la identidad del transformador ideal:

frac{V_text{P}}{V_text{S}} = frac{I_text{S}}{I_text{P}}=frac{N_text{P}}{N_ text{S}}=sqrt{frac{L_text{P}}{L_text{S}}}=a

donde $L$ está la autoinducción del devanado.

Por la ley de Ohm y la identidad del transformador ideal:

Z'_text{L} = frac{V_text{P}}{I_text{P}}=frac{aV_text{S}}{I_text{S}/a}=a ^2frac{V_text{S}}{I_text{S}}=a^2{Z_text{L}}

donde ${displaystyle Z_{text{L}}}$ es la impedancia de carga del circuito secundario & ${displaystyle Z'_{text{L}}}$ es la carga aparente o la impedancia del punto de activación del circuito primario, el superíndice $'$ indica que se refiere al primario.

Transformador ideal

Un transformador ideal es lineal, sin pérdidas y perfectamente acoplado. El acoplamiento perfecto implica una permeabilidad magnética del núcleo e inductancia del devanado infinitamente altas y una fuerza magnetomotriz neta cero (es decir, i _p n _p − i _s n _s = 0).

Una corriente variable en el devanado primario del transformador crea un flujo magnético variable en el núcleo del transformador, que también está rodeado por el devanado secundario. Este flujo variable en el devanado secundario induce una fuerza o tensión electromotriz variable en el devanado secundario. Este fenómeno de inducción electromagnética es la base de la acción del transformador y, de acuerdo con la ley de Lenz, la corriente secundaria así producida crea un flujo igual y opuesto al producido por el devanado primario.

Los devanados están enrollados alrededor de un núcleo de permeabilidad magnética infinitamente alta para que todo el flujo magnético pase a través de los devanados primario y secundario. Con una fuente de voltaje conectada al devanado primario y una carga conectada al devanado secundario, las corrientes del transformador fluyen en las direcciones indicadas y la fuerza magnetomotriz del núcleo se cancela a cero.

De acuerdo con la ley de Faraday, dado que el mismo flujo magnético pasa a través de los devanados primario y secundario en un transformador ideal, se induce un voltaje en cada devanado proporcional a su número de devanados. La relación de tensión del devanado del transformador es igual a la relación de vueltas del devanado.

Un transformador ideal es una aproximación razonable para un transformador comercial típico, con una relación de tensión y una relación de espiras del devanado inversamente proporcionales a la relación de corriente correspondiente.

La impedancia de carga referida al circuito primario es igual a la relación de vueltas al cuadrado por la impedancia de carga del circuito secundario.

Transformador real

Desviaciones del transformador ideal

El modelo de transformador ideal descuida los siguientes aspectos lineales básicos de los transformadores reales:

(a) Pérdidas en el núcleo, denominadas colectivamente pérdidas por corriente de magnetización, que consisten en

Pérdidas por histéresis debidas a efectos magnéticos no lineales en el núcleo del transformador, y
Pérdidas por corrientes de Foucault debidas al calentamiento en joules en el núcleo que son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado al transformador.

(b) A diferencia del modelo ideal, los devanados en un transformador real tienen resistencias e inductancias distintas de cero asociadas con:

Pérdidas de julios debido a la resistencia en los devanados primario y secundario
Flujo de fuga que escapa del núcleo y pasa a través de un solo devanado, lo que da como resultado una impedancia reactiva primaria y secundaria.

(c) similar a un inductor, capacitancia parásita y fenómeno de autorresonancia debido a la distribución del campo eléctrico. Por lo general, se consideran tres tipos de capacitancia parásita y se proporcionan las ecuaciones de lazo cerrado.

Capacitancia entre vueltas adyacentes en cualquier capa;
Capacitancia entre capas adyacentes;
Capacitancia entre el núcleo y la(s) capa(s) adyacente(s) al núcleo;

La inclusión de la capacitancia en el modelo del transformador es complicada y rara vez se intenta; El circuito equivalente del modelo de transformador 'real' que se muestra a continuación no incluye capacitancia parásita. Sin embargo, el efecto de la capacitancia se puede medir comparando la inductancia de circuito abierto, es decir, la inductancia de un devanado primario cuando el circuito secundario está abierto, con una inductancia de cortocircuito cuando el devanado secundario está en cortocircuito.

Flujo de fuga

El modelo de transformador ideal asume que todo el flujo generado por el devanado primario une todas las vueltas de cada devanado, incluido él mismo. En la práctica, parte del flujo recorre caminos que lo llevan fuera de los devanados. Dicho flujo se denomina flujo de fuga y da como resultado una inductancia de fuga en serie con los devanados del transformador acoplados entre sí. El flujo de fuga da como resultado que la energía se almacene y se descargue alternativamente de los campos magnéticos con cada ciclo de la fuente de alimentación. No es directamente una pérdida de energía, pero da como resultado una regulación de voltaje inferior, lo que hace que el voltaje secundario no sea directamente proporcional al voltaje primario, particularmente bajo una carga pesada. Por lo tanto, los transformadores normalmente se diseñan para tener una inductancia de fuga muy baja.

En algunas aplicaciones, se desea aumentar las fugas y se pueden introducir deliberadamente caminos magnéticos largos, espacios de aire o derivaciones de derivación magnética en el diseño de un transformador para limitar la corriente de cortocircuito que suministrará. Los transformadores con fugas se pueden usar para alimentar cargas que exhiben resistencia negativa, como arcos eléctricos, lámparas de vapor de mercurio y sodio y letreros de neón, o para manipular con seguridad cargas que se cortocircuitan periódicamente, como soldadores de arco eléctrico.

Los espacios de aire también se utilizan para evitar que un transformador se sature, especialmente los transformadores de frecuencia de audio en circuitos que tienen un componente de CC que fluye en los devanados. Un reactor saturable aprovecha la saturación del núcleo para controlar la corriente alterna.

El conocimiento de la inductancia de fuga también es útil cuando los transformadores funcionan en paralelo. Se puede demostrar que si el porcentaje de impedancia y la relación de reactancia a resistencia de fuga del devanado asociado (X / R) de dos transformadores fueran iguales, los transformadores compartirían la potencia de carga en proporción a sus valores nominales respectivos. Sin embargo, las tolerancias de impedancia de los transformadores comerciales son significativas. Además, la impedancia y la relación X/R de los transformadores de diferente capacidad tiende a variar.

Circuito equivalente

Con referencia al diagrama, el comportamiento físico de un transformador práctico se puede representar mediante un modelo de circuito equivalente, que puede incorporar un transformador ideal.

Las pérdidas en julios del devanado y las reactancias de fuga están representadas por las siguientes impedancias de bucle en serie del modelo:

Devanado primario: R _P, X _P
Devanado secundario: R _S, X _S.

En el curso normal de la transformación de equivalencia de circuitos, R _S y X _S se refieren en la práctica al lado primario multiplicando estas impedancias por la relación de espiras al cuadrado, (N _P / N _S) = a.

La pérdida y la reactancia del núcleo están representadas por las siguientes impedancias de derivación del modelo:

Pérdidas en el núcleo o en el hierro: R _C
Reactancia magnetizante: X _M.

_RC y X M se denominan colectivamente la _ramade magnetización del modelo.

Las pérdidas en el núcleo son causadas principalmente por la histéresis y los efectos de las corrientes de Foucault en el núcleo y son proporcionales al cuadrado del flujo del núcleo para operar a una frecuencia dada. El núcleo de permeabilidad finita requiere una corriente de magnetización I _M para mantener el flujo mutuo en el núcleo. La corriente de magnetización está en fase con el flujo, siendo la relación entre los dos no lineal debido a los efectos de saturación. Sin embargo, todas las impedancias del circuito equivalente que se muestra son, por definición, lineales y tales efectos de no linealidad no suelen reflejarse en los circuitos equivalentes de transformadores. Con suministro sinusoidal, el flujo del núcleo se retrasa 90° con respecto a la FEM inducida. Con el devanado secundario en circuito abierto, la corriente de rama magnetizante I ₀ es igual a la corriente sin carga del transformador.

El modelo resultante, aunque a veces se denomina circuito equivalente 'exacto' basado en suposiciones de linealidad, conserva una serie de aproximaciones. El análisis se puede simplificar suponiendo que la impedancia de la rama magnetizante es relativamente alta y reubicando la rama a la izquierda de las impedancias primarias. Esto introduce error, pero permite la combinación de resistencias y reactancias primarias y secundarias referidas mediante una simple suma como dos impedancias en serie.

La impedancia del circuito equivalente del transformador y los parámetros de la relación del transformador se pueden derivar de las siguientes pruebas: prueba de circuito abierto, prueba de cortocircuito, prueba de resistencia del devanado y prueba de la relación del transformador.

Ecuación EMF del transformador

Si el flujo en el núcleo es puramente sinusoidal, la relación para cualquiera de los devanados entre su voltaje rms E _rms del devanado y la frecuencia de alimentación f, el número de vueltas N, el área de la sección transversal del núcleo A en m y la densidad máxima de flujo magnético B _{el pico} en Wb/m o T (tesla) viene dado por la ecuación universal EMF: ${displaystyle E_{text{rms}}={frac {2pi fNAB_{text{pico}}}{sqrt {2}}}approx 4.44fNAB_{text{pico}}}$

Polaridad

Una convención de puntos se usa a menudo en diagramas de circuitos de transformadores, placas de identificación o marcas de terminales para definir la polaridad relativa de los devanados del transformador. La corriente instantánea que aumenta positivamente y que entra por el extremo "punto" del devanado primario induce un voltaje de polaridad positiva que sale por el extremo "punto" del devanado secundario. Los transformadores trifásicos utilizados en los sistemas de energía eléctrica tendrán una placa que indique las relaciones de fase entre sus terminales. Esto puede ser en forma de diagrama fasorial, o usando un código alfanumérico para mostrar el tipo de conexión interna (estrella o delta) para cada devanado.

Efecto de la frecuencia

La EMF de un transformador a un flujo dado aumenta con la frecuencia. Al operar a frecuencias más altas, los transformadores pueden ser físicamente más compactos porque un núcleo determinado puede transferir más potencia sin llegar a la saturación y se necesitan menos vueltas para lograr la misma impedancia. Sin embargo, propiedades como la pérdida en el núcleo y el efecto de piel del conductor también aumentan con la frecuencia. Las aeronaves y los equipos militares emplean fuentes de alimentación de 400 Hz que reducen el peso del núcleo y del devanado.Por el contrario, las frecuencias utilizadas para algunos sistemas de electrificación ferroviaria eran mucho más bajas (por ejemplo, 16,7 Hz y 25 Hz) que las frecuencias normales de los servicios públicos (50–60 Hz) por razones históricas relacionadas principalmente con las limitaciones de los primeros motores de tracción eléctrica. En consecuencia, los transformadores utilizados para reducir los altos voltajes de las líneas aéreas eran mucho más grandes y pesados para la misma potencia nominal que los requeridos para las frecuencias más altas.

La operación de un transformador a su voltaje diseñado pero a una frecuencia más alta que la prevista conducirá a una corriente de magnetización reducida. A una frecuencia más baja, la corriente de magnetización aumentará. La operación de un transformador grande a una frecuencia diferente a la de diseño puede requerir la evaluación de voltajes, pérdidas y enfriamiento para establecer si la operación segura es práctica. Los transformadores pueden requerir relés de protección para proteger el transformador de sobretensiones a una frecuencia superior a la nominal.

Un ejemplo son los transformadores de tracción utilizados para el servicio de trenes de alta velocidad y unidades múltiples eléctricas que operan en regiones con diferentes estándares eléctricos. El equipo convertidor y los transformadores de tracción tienen que adaptarse a diferentes voltajes y frecuencias de entrada (que van desde 50 Hz hasta 16,7 Hz y valores nominales de hasta 25 kV).

A frecuencias mucho más altas, el tamaño del núcleo del transformador requerido cae drásticamente: un transformador físicamente pequeño puede manejar niveles de potencia que requerirían un núcleo de hierro masivo a la frecuencia de la red. El desarrollo de dispositivos semiconductores de potencia de conmutación hizo que las fuentes de alimentación conmutadas fueran viables, para generar una alta frecuencia y luego cambiar el nivel de voltaje con un pequeño transformador.

Los transformadores para aplicaciones de mayor frecuencia, como SMPS, suelen utilizar materiales de núcleo con histéresis y pérdidas por corrientes parásitas mucho más bajas que los de 50/60 Hz. Los ejemplos principales son el polvo de hierro y los núcleos de ferrita. Las pérdidas dependientes de la frecuencia más baja de estos núcleos a menudo se producen a expensas de la densidad de flujo en la saturación. Por ejemplo, la saturación de ferrita ocurre a una densidad de flujo sustancialmente más baja que el hierro laminado.

Los grandes transformadores de potencia son vulnerables a fallas en el aislamiento debido a voltajes transitorios con componentes de alta frecuencia, como los causados por interruptores o rayos.

Pérdidas de energía

Las pérdidas de energía del transformador están dominadas por las pérdidas del devanado y del núcleo. La eficiencia de los transformadores tiende a mejorar con el aumento de la capacidad del transformador. La eficiencia de los transformadores de distribución típicos está entre 98 y 99 por ciento.

Como las pérdidas del transformador varían con la carga, a menudo es útil tabular las pérdidas sin carga, las pérdidas con carga completa, las pérdidas con media carga, etc. Las pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault son constantes en todos los niveles de carga y dominan sin carga, mientras que las pérdidas por devanado aumentan a medida que aumenta la carga. La pérdida sin carga puede ser significativa, de modo que incluso un transformador inactivo constituye un drenaje del suministro eléctrico. El diseño de transformadores energéticamente eficientes para pérdidas menores requiere un núcleo más grande, acero al silicio de buena calidad o incluso acero amorfo para el núcleo y un cable más grueso, lo que aumenta el costo inicial. La elección de la construcción representa un compromiso entre el costo inicial y el costo operativo.

Las pérdidas del transformador surgen de:Pérdidas de julios en el devanadoLa corriente que fluye a través del conductor de un devanado provoca un calentamiento en joules debido a la resistencia del cable. A medida que aumenta la frecuencia, el efecto pelicular y el efecto de proximidad hacen que aumente la resistencia del devanado y, por lo tanto, las pérdidas.Pérdidas de núcleoPérdidas por histéresisCada vez que se invierte el campo magnético, se pierde una pequeña cantidad de energía debido a la histéresis dentro del núcleo, provocada por el movimiento de los dominios magnéticos dentro del acero. Según la fórmula de Steinmetz, la energía térmica debida a la histéresis viene dada por ${displaystyle W_{text{h}}approx eta beta _{text{max}}^{1.6},}$ y,la pérdida por histéresis viene dada por $P_{{text{h}}}aprox. {W}_{{text{h}}}faprox. eta {f}beta_{{{text{max}}}}^{{ 1.6}}$ donde, f es la frecuencia, η es el coeficiente de histéresis y β _max es la densidad de flujo máxima, cuyo exponente empírico varía de aproximadamente 1,4 a 1,8, pero a menudo se da como 1,6 para el hierro. Para un análisis más detallado, consulte Núcleo magnético y ecuación de Steinmetz.Pérdidas por corrientes de FoucaultLas corrientes de Foucault son inducidas en el núcleo del transformador de metal conductor por el campo magnético cambiante, y esta corriente que fluye a través de la resistencia del hierro disipa energía como calor en el núcleo. La pérdida por corrientes de Foucault es una función compleja del cuadrado de la frecuencia de suministro y el cuadrado inverso del espesor del material. Las pérdidas por corrientes de Foucault se pueden reducir haciendo que el núcleo de una pila de laminaciones (placas delgadas) esté aislado eléctricamente entre sí, en lugar de un bloque sólido; todos los transformadores que funcionan a bajas frecuencias utilizan núcleos laminados o similares.Zumbido del transformador relacionado con la magnetoestricciónEl flujo magnético en un material ferromagnético, como el núcleo, hace que se expanda físicamente y se contraiga ligeramente con cada ciclo del campo magnético, un efecto conocido como magnetoestricción, cuya energía de fricción produce un ruido audible conocido como zumbido de red o "transformador". tararear". Este zumbido del transformador es especialmente objetable en los transformadores alimentados a frecuencias de potencia y en los transformadores de retorno de alta frecuencia asociados con los CRT de televisión.Pérdidas perdidasLa inductancia de fuga en sí misma no tiene pérdidas en gran medida, ya que la energía suministrada a sus campos magnéticos se devuelve al suministro con el siguiente medio ciclo. Sin embargo, cualquier flujo de fuga que intercepte materiales conductores cercanos, como la estructura de soporte del transformador, generará corrientes parásitas y se convertirá en calor.RadiativoTambién hay pérdidas por radiación debido al campo magnético oscilante, pero generalmente son pequeñas.Transmisión de vibraciones mecánicas y ruidos audiblesAdemás de la magnetoestricción, el campo magnético alterno provoca fuerzas fluctuantes entre los devanados primario y secundario. Esta energía incita la transmisión de vibraciones en la estructura metálica interconectada, amplificando así el zumbido audible del transformador.

Construcción

Núcleos

Los transformadores de núcleo cerrado se construyen en 'forma de núcleo' o 'forma de carcasa'. Cuando los devanados rodean el núcleo, el transformador tiene forma de núcleo; cuando los devanados están rodeados por el núcleo, el transformador tiene forma de coraza. El diseño de forma de carcasa puede prevalecer más que el diseño de forma de núcleo para aplicaciones de transformadores de distribución debido a la relativa facilidad para apilar el núcleo alrededor de bobinas de devanado. El diseño de forma de núcleo tiende, como regla general, a ser más económico y, por lo tanto, más predominante que el diseño de forma de coraza para aplicaciones de transformadores de potencia de alto voltaje en el extremo inferior de sus rangos de clasificación de voltaje y potencia (menor o igual a, nominalmente, 230 kV o 75 MVA). En clasificaciones de voltaje y potencia más altas, los transformadores con forma de carcasa tienden a ser más frecuentes.El diseño de forma de coraza tiende a preferirse para aplicaciones de voltaje extra alto y MVA más altos porque, aunque su fabricación requiere más mano de obra, los transformadores con forma de coraza se caracterizan por tener inherentemente una mejor relación kVA-peso, mejores características de resistencia a cortocircuitos y mayor resistencia a los cortocircuitos. inmunidad a daños de tránsito.

Núcleos de acero laminado

Los transformadores para uso en potencia o frecuencias de audio suelen tener núcleos hechos de acero al silicio de alta permeabilidad. El acero tiene una permeabilidad muchas veces mayor que la del espacio libre y, por lo tanto, el núcleo sirve para reducir en gran medida la corriente de magnetización y confinar el flujo a un camino que acopla estrechamente los devanados. Los primeros desarrolladores de transformadores pronto se dieron cuenta de que los núcleos construidos con hierro sólido producían pérdidas prohibitivas por corrientes de Foucault, y sus diseños mitigaron este efecto con núcleos que consisten en haces de cables de hierro aislados. Los diseños posteriores construyeron el núcleo apilando capas de finas láminas de acero, un principio que se ha mantenido en uso. Cada lámina está aislada de sus vecinas por una fina capa de aislamiento no conductor.La ecuación EMF universal del transformador se puede utilizar para calcular el área de la sección transversal del núcleo para un nivel preferido de flujo magnético.

El efecto de las laminaciones es confinar las corrientes de Foucault en trayectorias altamente elípticas que encierran poco flujo y, por lo tanto, reducen su magnitud. Las laminaciones más delgadas reducen las pérdidas, pero son más laboriosas y caras de construir. Las laminaciones delgadas se utilizan generalmente en transformadores de alta frecuencia, con algunas laminaciones de acero muy delgadas capaces de operar hasta 10 kHz.

Un diseño común de núcleo laminado está hecho de pilas intercaladas de láminas de acero en forma de E cubiertas con piezas en forma de I, lo que lleva a su nombre de 'transformador EI'. Tal diseño tiende a exhibir más pérdidas, pero es muy económico de fabricar. El tipo de núcleo cortado o núcleo en C se fabrica enrollando una tira de acero alrededor de una forma rectangular y luego uniendo las capas. Luego se corta en dos, formando dos formas de C, y el núcleo se ensambla uniendo las dos mitades de C con una correa de acero. Tienen la ventaja de que el flujo siempre se orienta paralelo a los granos de metal, lo que reduce la reluctancia.

La remanencia de un núcleo de acero significa que retiene un campo magnético estático cuando se corta la energía. Cuando se vuelve a aplicar energía, el campo residual causará una alta corriente de irrupción hasta que se reduzca el efecto del magnetismo restante, generalmente después de algunos ciclos de la forma de onda de CA aplicada. Los dispositivos de protección contra sobrecorriente, como los fusibles, deben seleccionarse para permitir que pase esta irrupción inofensiva.

En los transformadores conectados a largas líneas aéreas de transmisión de energía, las corrientes inducidas debido a perturbaciones geomagnéticas durante las tormentas solares pueden provocar la saturación del núcleo y el funcionamiento de los dispositivos de protección del transformador.

Los transformadores de distribución pueden lograr bajas pérdidas sin carga mediante el uso de núcleos fabricados con acero al silicio de baja pérdida y alta permeabilidad o aleación de metal amorfo (no cristalino). El mayor costo inicial del material del núcleo se compensa durante la vida útil del transformador por sus menores pérdidas con carga ligera.

Núcleos sólidos

Los núcleos de hierro en polvo se utilizan en circuitos como las fuentes de alimentación conmutadas que funcionan por encima de las frecuencias de la red y hasta unas pocas decenas de kilohercios. Estos materiales combinan una alta permeabilidad magnética con una alta resistividad eléctrica a granel. Para frecuencias que se extienden más allá de la banda VHF, son comunes los núcleos hechos de materiales cerámicos magnéticos no conductores llamados ferritas. Algunos transformadores de radiofrecuencia también tienen núcleos móviles (a veces llamados "slugs") que permiten ajustar el coeficiente de acoplamiento (y el ancho de banda) de los circuitos de radiofrecuencia sintonizados.

Núcleos toroidales

Los transformadores toroidales se construyen alrededor de un núcleo en forma de anillo que, según la frecuencia de operación, está hecho de una tira larga de acero al silicio o permalloy enrollada en una bobina, hierro en polvo o ferrita. Una construcción de tiras asegura que los límites de grano estén alineados de manera óptima, mejorando la eficiencia del transformador al reducir la renuencia del núcleo. La forma de anillo cerrado elimina los espacios de aire inherentes a la construcción de un núcleo EI. La sección transversal del anillo suele ser cuadrada o rectangular, pero también están disponibles núcleos más caros con secciones transversales circulares. Las bobinas primaria y secundaria a menudo se enrollan concéntricamente para cubrir toda la superficie del núcleo. Esto minimiza la longitud de cable necesaria y proporciona protección para minimizar el campo magnético del núcleo para que no genere interferencias electromagnéticas.

Los transformadores toroidales son más eficientes que los tipos EI laminados más baratos para un nivel de potencia similar. Otras ventajas en comparación con los tipos EI incluyen un tamaño más pequeño (alrededor de la mitad), menor peso (alrededor de la mitad), menos zumbido mecánico (lo que los hace superiores en los amplificadores de audio), campo magnético exterior más bajo (alrededor de una décima parte), bajas pérdidas de descarga (haciéndolos más eficientes en circuitos de reserva), montaje de un solo perno y una mayor variedad de formas. Las principales desventajas son un mayor costo y una capacidad de energía limitada (consulte los parámetros de clasificación a continuación). Debido a la falta de un espacio residual en la ruta magnética, los transformadores toroidales también tienden a exhibir una corriente de entrada más alta, en comparación con los tipos EI laminados.

Los núcleos toroidales de ferrita se utilizan a frecuencias más altas, normalmente entre unas pocas decenas de kilohercios y cientos de megahercios, para reducir las pérdidas, el tamaño físico y el peso de los componentes inductivos. Un inconveniente de la construcción de transformadores toroidales es el mayor costo de mano de obra del bobinado. Esto se debe a que es necesario pasar toda la longitud del devanado de la bobina a través de la abertura del núcleo cada vez que se agrega una sola vuelta a la bobina. Como consecuencia, los transformadores toroidales de más de unos pocos kVA son poco comunes. Se ofrecen relativamente pocos toroides con potencias superiores a 10 kVA y prácticamente ninguno superior a 25 kVA. Los transformadores de distribución pequeños pueden lograr algunos de los beneficios de un núcleo toroidal dividiéndolo y forzándolo para que se abra, y luego insertando una bobina que contiene los devanados primario y secundario.

Núcleos de aire

Se puede producir un transformador colocando los devanados uno cerca del otro, una disposición denominada transformador de "núcleo de aire". Un transformador con núcleo de aire elimina las pérdidas debidas a la histéresis en el material del núcleo. La inductancia de magnetización se reduce drásticamente por la falta de un núcleo magnético, lo que genera grandes corrientes de magnetización y pérdidas si se usa a bajas frecuencias. Los transformadores con núcleo de aire no son adecuados para su uso en la distribución de energía, pero se emplean con frecuencia en aplicaciones de radiofrecuencia. Los núcleos de aire también se utilizan para transformadores resonantes como las bobinas de Tesla, donde pueden lograr pérdidas razonablemente bajas a pesar de la baja inductancia de magnetización.

Devanados

El conductor eléctrico utilizado para los devanados depende de la aplicación, pero en todos los casos, las vueltas individuales deben estar aisladas eléctricamente entre sí para garantizar que la corriente se desplace a lo largo de cada vuelta. Para transformadores pequeños, en los que las corrientes son bajas y la diferencia de potencial entre espiras adyacentes es pequeña, las bobinas suelen estar enrolladas con alambre magneto esmaltado. Los transformadores de potencia más grandes se pueden enrollar con conductores de tira rectangular de cobre aislados con papel impregnado de aceite y bloques de cartón prensado.

Los transformadores de alta frecuencia que operan en decenas a cientos de kilohercios a menudo tienen devanados hechos de alambre Litz trenzado para minimizar las pérdidas por efecto de piel y efecto de proximidad. Los grandes transformadores de potencia también utilizan conductores de múltiples hilos, ya que incluso a bajas frecuencias de potencia existiría una distribución no uniforme de la corriente en los devanados de alta corriente.Cada hilo está aislado individualmente y los hilos están dispuestos de manera que en ciertos puntos del devanado, o en todo el devanado, cada parte ocupa posiciones relativas diferentes en el conductor completo. La transposición iguala la corriente que fluye en cada hebra del conductor y reduce las pérdidas por corrientes de Foucault en el propio devanado. El conductor trenzado también es más flexible que un conductor sólido de tamaño similar, lo que facilita la fabricación.

Los devanados de los transformadores de señal minimizan la inductancia de fuga y la capacitancia parásita para mejorar la respuesta de alta frecuencia. Las bobinas se dividen en secciones y esas secciones se intercalan entre las secciones del otro devanado.

Los transformadores de frecuencia industrial pueden tener derivaciones en puntos intermedios del devanado, generalmente en el lado del devanado de mayor voltaje, para ajustar el voltaje. Los grifos se pueden volver a conectar manualmente o se puede proporcionar un interruptor manual o automático para cambiar los grifos. Los cambiadores de tomas automáticos en carga se utilizan en la transmisión o distribución de energía eléctrica, en equipos como transformadores de horno de arco o para reguladores automáticos de voltaje para cargas sensibles. Los transformadores de audiofrecuencia, utilizados para la distribución de audio a los altavoces de megafonía, tienen tomas para permitir el ajuste de impedancia a cada altavoz. Un transformador de derivación central se usa a menudo en la etapa de salida de un amplificador de potencia de audio en un circuito push-pull. Los transformadores de modulación en los transmisores de AM son muy similares.

Enfriamiento

Es una regla general que la esperanza de vida del aislamiento eléctrico se reduce a la mitad por cada aumento de 7 °C a 10 °C en la temperatura de funcionamiento (un ejemplo de la aplicación de la ecuación de Arrhenius).

Los transformadores pequeños de tipo seco y sumergidos en líquido a menudo se autoenfrían por convección natural y disipación de calor por radiación. A medida que aumentan las clasificaciones de potencia, los transformadores a menudo se enfrían mediante enfriamiento por aire forzado, enfriamiento por aceite forzado, enfriamiento por agua o combinaciones de estos. Los transformadores grandes están llenos de aceite de transformador que enfría y aísla los devanados.El aceite de transformador suele ser un aceite mineral altamente refinado que enfría los devanados y el aislamiento al circular dentro del tanque del transformador. El sistema de aislamiento de aceite mineral y papel ha sido ampliamente estudiado y utilizado durante más de 100 años. Se estima que el 50 % de los transformadores de potencia sobrevivirán 50 años de uso, que la edad promedio de falla de los transformadores de potencia es de aproximadamente 10 a 15 años y que aproximadamente el 30 % de las fallas de los transformadores de potencia se deben a fallas de aislamiento y sobrecarga. El funcionamiento prolongado a temperatura elevada degrada las propiedades aislantes del aislamiento del devanado y el refrigerante dieléctrico, lo que no solo acorta la vida útil del transformador, sino que, en última instancia, puede provocar una falla catastrófica del transformador.Con una gran cantidad de estudios empíricos como guía, las pruebas de aceite de transformadores, incluido el análisis de gases disueltos, brindan información valiosa sobre el mantenimiento.

Los reglamentos de construcción en muchas jurisdicciones requieren que los transformadores llenos de líquido para interiores usen fluidos dieléctricos que son menos inflamables que el aceite o que se instalen en habitaciones resistentes al fuego. Los transformadores secos enfriados por aire pueden ser más económicos cuando eliminan el costo de una sala de transformadores resistente al fuego.

El tanque de los transformadores llenos de líquido a menudo tiene radiadores a través de los cuales circula el refrigerante líquido por convección natural o aletas. Algunos transformadores grandes emplean ventiladores eléctricos para enfriamiento por aire forzado, bombas para enfriamiento por líquido forzado o tienen intercambiadores de calor para enfriamiento por agua. Un transformador sumergido en aceite puede estar equipado con un relé Buchholz que, dependiendo de la gravedad de la acumulación de gas debido al arco interno, se usa para alarmar o desactivar el transformador. Las instalaciones de transformadores sumergidos en aceite generalmente incluyen medidas de protección contra incendios, como paredes, contención de aceite y sistemas de rociadores para extinción de incendios.

Los bifenilos policlorados (PCB) tienen propiedades que alguna vez favorecieron su uso como refrigerante dieléctrico, aunque las preocupaciones sobre su persistencia ambiental llevaron a una prohibición generalizada de su uso. Hoy en día, se pueden usar aceites a base de silicona estables y no tóxicos o hidrocarburos fluorados donde el costo de un líquido resistente al fuego compensa el costo adicional de construcción de una bóveda de transformador. Sin embargo, la larga vida útil de los transformadores puede significar que el potencial de exposición puede ser alto mucho tiempo después de la prohibición.

Algunos transformadores están aislados con gas. Sus devanados están encerrados en tanques sellados y presurizados y, a menudo, se enfrían con gas nitrógeno o hexafluoruro de azufre.

Se han construido transformadores de potencia experimentales en el rango de 500 a 1000 kVA con devanados superconductores enfriados con nitrógeno líquido o helio, lo que elimina las pérdidas en los devanados sin afectar las pérdidas en el núcleo.

Aislamiento

Debe proporcionarse aislamiento entre las vueltas individuales de los devanados, entre los devanados, entre los devanados y el núcleo, y en los terminales del devanado.

El aislamiento entre vueltas de pequeños transformadores puede ser una capa de barniz aislante en el cable. Se pueden insertar capas de papel o películas de polímero entre las capas de devanados y entre los devanados primario y secundario. Un transformador se puede recubrir o sumergir en una resina polimérica para mejorar la resistencia de los devanados y protegerlos de la humedad o la corrosión. La resina se puede impregnar en el aislamiento del devanado usando combinaciones de vacío y presión durante el proceso de recubrimiento, eliminando todos los vacíos de aire en el devanado. En el límite, toda la bobina se puede colocar en un molde y la resina se moldea a su alrededor como un bloque sólido, encapsulando los devanados.

Los grandes transformadores de potencia llenos de aceite utilizan devanados envueltos con papel aislante, que se impregna con aceite durante el montaje del transformador. Los transformadores llenos de aceite usan aceite mineral altamente refinado para aislar y enfriar los devanados y el núcleo. La construcción de transformadores llenos de aceite requiere que el aislamiento que cubre los devanados se seque completamente para eliminar la humedad residual antes de introducir el aceite. El secado se puede realizar haciendo circular aire caliente alrededor del núcleo, haciendo circular aceite de transformador calentado externamente o mediante secado en fase de vapor (VPD), donde un solvente evaporado transfiere calor por condensación en la bobina y el núcleo. Para transformadores pequeños, se utiliza el calentamiento por resistencia mediante la inyección de corriente en los devanados.

Bujes

Los transformadores más grandes están provistos de casquillos aislados de alto voltaje hechos de polímeros o porcelana. Un aislador grande puede ser una estructura compleja, ya que debe proporcionar un control cuidadoso del gradiente del campo eléctrico sin permitir que el transformador pierda aceite.

Parámetros de clasificación

Los transformadores se pueden clasificar de muchas maneras, como las siguientes:

Potencia nominal: desde una fracción de voltioamperio (VA) hasta más de mil MVA.
Servicio de un transformador: continuo, de corta duración, intermitente, periódico, variable.
Rango de frecuencia: frecuencia industrial, frecuencia de audio o frecuencia de radio.
Clase de voltaje: Desde unos pocos voltios hasta cientos de kilovoltios.
Tipo de enfriamiento: Seco o sumergido en líquido; autoenfriado, enfriado por aire forzado; enfriado por aceite forzado, enfriado por agua.
Aplicación: fuente de alimentación, adaptación de impedancia, voltaje de salida y estabilizador de corriente, pulso, aislamiento de circuito, distribución de energía, rectificador, horno de arco, salida de amplificador, etc.
Forma magnética básica: forma de núcleo, forma de caparazón, concéntrica, sándwich.
Descriptor del transformador de potencial constante: elevador, reductor, aislamiento.
Configuración general de devanados: por grupo de vectores IEC, combinaciones de dos devanados de las designaciones de fase delta, estrella o estrella y zigzag; autotransformador, Scott-T
Configuración del devanado de cambio de fase del rectificador: 2 devanados, 6 pulsos; 3 devanados, 12 pulsos;..., n -bobinado, [ n − 1] · 6 pulsos; polígono; etc..

Aplicaciones

Varios diseños de aplicaciones eléctricas específicas requieren una variedad de tipos de transformadores. Aunque todos comparten los principios característicos básicos de los transformadores, su construcción o propiedades eléctricas se personalizan para ciertos requisitos de instalación o condiciones del circuito.

En la transmisión de energía eléctrica, los transformadores permiten la transmisión de energía eléctrica a altos voltajes, lo que reduce las pérdidas por calentamiento de los cables. Esto permite que las plantas generadoras se ubiquen económicamente a una distancia de los consumidores eléctricos. Todo menos una pequeña fracción de la energía eléctrica del mundo ha pasado a través de una serie de transformadores en el momento en que llega al consumidor.

En muchos dispositivos electrónicos, se utiliza un transformador para convertir el voltaje del cableado de distribución a valores convenientes para los requisitos del circuito, ya sea directamente a la frecuencia de la línea de alimentación o a través de una fuente de alimentación conmutada.

Los transformadores de señal y audio se utilizan para acoplar etapas de amplificadores y para conectar dispositivos como micrófonos y tocadiscos a la entrada de los amplificadores. Los transformadores de audio permitieron que los circuitos telefónicos mantuvieran una conversación bidireccional a través de un solo par de cables. Un transformador balun convierte una señal que está referenciada a tierra en una señal que tiene voltajes balanceados a tierra, como entre cables externos y circuitos internos. Los transformadores de aislamiento evitan la fuga de corriente al circuito secundario y se utilizan en equipos médicos y en obras de construcción. Los transformadores resonantes se utilizan para el acoplamiento entre etapas de receptores de radio o en bobinas Tesla de alto voltaje.

Esquema de un gran transformador de potencia lleno de aceite 1. Tanque 2. Tapa 3. Tanque conservador 4. Indicador de nivel de aceite 5. Relé Buchholz para detectar burbujas de gas después de una falla interna 6. Tuberías 7. Cambiador de tomas 8. Motor de accionamiento para cambiador de tomas 9. Eje impulsor para cambiador de tomas 10. Bushing de alto voltaje (HV) 11. Bushing de transformadores de corriente de alto voltaje 12. Bushing de bajo voltaje (LV) 13. Transformadores de corriente de bajo voltaje 14. Bushing transformador de voltaje para medición 15. Núcleo 16. Yugo del núcleo 17. Los miembros conectan los yugos y los sostienen 18. Bobinas 19. Cableado interno entre las bobinas y el cambiador de tomas 20. Válvula de liberación de aceite 21. Válvula de vacío

Historia

Descubrimiento de la inducción

La inducción electromagnética, el principio de funcionamiento del transformador, fue descubierta de forma independiente por Michael Faraday en 1831 y Joseph Henry en 1832. Solo Faraday avanzó en sus experimentos hasta el punto de resolver la ecuación que describe la relación entre la FEM y el flujo magnético, ahora conocida como Ley de inducción de Faraday: ${displaystyle |{mathcal {E}}|=left|{{mathrm {d} Phi _{text{B}}} over mathrm {d} t}right|,}$

donde $|mathcal{E}|$ es la magnitud de la EMF en voltios y Φ _B es el flujo magnético a través del circuito en webers.

Faraday realizó los primeros experimentos de inducción entre bobinas de alambre, incluido el enrollado de un par de bobinas alrededor de un anillo de hierro, creando así el primer transformador toroidal de núcleo cerrado. Sin embargo, solo aplicó pulsos individuales de corriente a su transformador y nunca descubrió la relación entre la relación de vueltas y la FEM en los devanados.

Bobinas de inducción

El primer tipo de transformador que tuvo un amplio uso fue la bobina de inducción, inventada por el reverendo Nicholas Callan de Maynooth College, Irlanda en 1836. Fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que el devanado secundario tiene más vueltas en relación con el devanado primario., mayor será la FEM secundaria inducida. Las bobinas de inducción evolucionaron a partir de los esfuerzos de científicos e inventores para obtener voltajes más altos de las baterías. Dado que las baterías producen corriente continua (CC) en lugar de CA, las bobinas de inducción dependían de contactos eléctricos vibrantes que interrumpían regularmente la corriente en el primario para crear los cambios de flujo necesarios para la inducción. Entre las décadas de 1830 y 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, principalmente por ensayo y error, revelaron lentamente los principios básicos de los transformadores.

Primeros transformadores de corriente alterna

En la década de 1870, se disponía de generadores eficientes que producían corriente alterna (CA), y se descubrió que la CA podía alimentar una bobina de inducción directamente, sin un interruptor.

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción donde los devanados primarios estaban conectados a una fuente de corriente alterna. Los devanados secundarios podrían conectarse a varias 'velas eléctricas' (lámparas de arco) de su propio diseño. Las bobinas que Yablochkov empleó funcionaron esencialmente como transformadores.

En 1878, la fábrica de Ganz, Budapest, Hungría, comenzó a producir equipos para iluminación eléctrica y, en 1883, había instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría. Sus sistemas de CA usaban lámparas de arco e incandescentes, generadores y otros equipos.

Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs exhibieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro abierto llamado "generador secundario" en Londres en 1882, luego vendieron la idea a la compañía Westinghouse en los Estados Unidos. También exhibieron la invención en Turín, Italia en 1884, donde se adoptó para un sistema de iluminación eléctrica.

Distribución de transformadores de circuito en serie temprana

Las bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos son ineficientes para transferir energía a las cargas. Hasta alrededor de 1880, el paradigma para la transmisión de energía de CA desde un suministro de alto voltaje a una carga de bajo voltaje era un circuito en serie. Se conectaron transformadores de núcleo abierto con una relación cercana a 1:1 con sus primarios en serie para permitir el uso de un alto voltaje para la transmisión mientras se presenta un bajo voltaje para las lámparas. El defecto inherente de este método era que apagar una sola lámpara (u otro dispositivo eléctrico) afectaba el voltaje suministrado a todos los demás en el mismo circuito. Se introdujeron muchos diseños de transformadores ajustables para compensar esta característica problemática del circuito en serie, incluidos los que emplean métodos para ajustar el núcleo o desviar el flujo magnético alrededor de una parte de una bobina. Los diseños de transformadores prácticos y eficientes no aparecieron hasta la década de 1880, pero dentro de una década, el transformador sería fundamental en la guerra de las corrientes y en ver triunfar a los sistemas de distribución de CA sobre sus contrapartes de CC, una posición en la que han permanecido dominantes desde siempre. ya que.

Transformadores de núcleo cerrado y distribución de energía en paralelo

En el otoño de 1884, Károly Zipernowsky, Ottó Bláthy y Miksa Déri (ZBD), tres ingenieros húngaros asociados con Ganz Works, habían determinado que los dispositivos de núcleo abierto eran impracticables, ya que eran incapaces de regular el voltaje de manera confiable. En sus solicitudes de patente conjuntas de 1885 para transformadores novedosos (más tarde llamados transformadores ZBD), describieron dos diseños con circuitos magnéticos cerrados donde los devanados de cobre estaban enrollados alrededor de un núcleo de anillo de alambre de hierro o rodeados por un núcleo de alambre de hierro. Los dos diseños fueron la primera aplicación de las dos construcciones básicas de transformadores de uso común hasta el día de hoy, denominadas "forma de núcleo" o "forma de carcasa".La fábrica de Ganz también entregó en el otoño de 1884 los primeros cinco transformadores de CA de alta eficiencia del mundo; la primera de estas unidades se envió el 16 de septiembre de 1884. Esta primera unidad se fabricó con las siguientes especificaciones: 1.400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, relación 1,67:1, monofásico, forma de coraza.

En ambos diseños, el flujo magnético que une los devanados primario y secundario viajó casi por completo dentro de los límites del núcleo de hierro, sin un camino intencional a través del aire (ver Núcleos toroidales a continuación). Los nuevos transformadores eran 3,4 veces más eficientes que los dispositivos bipolares de núcleo abierto de Gaulard y Gibbs. Las patentes de ZBD incluían otras dos importantes innovaciones interrelacionadas: una relativa al uso de cargas de utilización conectadas en paralelo, en lugar de conectadas en serie, la otra relativa a la capacidad de tener transformadores de alta relación de espiras, de modo que la tensión de la red de suministro podría ser mucho mayor (inicialmente 1.400 a 2000 V) que la tensión de las cargas de utilización (se prefiere inicialmente 100 V).Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron que fuera técnica y económicamente factible proporcionar energía eléctrica para la iluminación de hogares, empresas y espacios públicos. Bláthy había sugerido el uso de núcleos cerrados, Zipernowsky había sugerido el uso de conexiones paralelas en derivación y Déri había realizado los experimentos; A principios de 1885, los tres ingenieros también eliminaron el problema de las pérdidas por corrientes de Foucault con la invención de la laminación de núcleos electromagnéticos.

Los transformadores de hoy están diseñados sobre los principios descubiertos por los tres ingenieros. También popularizaron la palabra 'transformador' para describir un dispositivo para alterar la EMF de una corriente eléctrica, aunque el término ya se usaba en 1882. En 1886, los ingenieros de ZBD diseñaron y la fábrica de Ganz suministró equipos eléctricos para el mundo. primera central eléctrica que utilizó generadores de corriente alterna para alimentar una red eléctrica común conectada en paralelo, la central eléctrica de vapor Rome-Cerchi.

Mejoras en Westinghouse

Aunque George Westinghouse había comprado las patentes de Gaulard y Gibbs en 1885, Edison Electric Light Company tenía una opción sobre los derechos estadounidenses para los transformadores ZBD, lo que requería que Westinghouse buscara diseños alternativos con los mismos principios. Le asignó a William Stanley la tarea de desarrollar un dispositivo para uso comercial en Estados Unidos. El primer diseño patentado de Stanley fue para bobinas de inducción con núcleos simples de hierro dulce y espacios ajustables para regular el EMF presente en el devanado secundario (ver imagen). Este diseño se usó comercialmente por primera vez en los EE. UU. en 1886, pero Westinghouse tenía la intención de mejorar el diseño de Stanley para que (a diferencia del tipo ZBD) fuera fácil y económico de producir.

Westinghouse, Stanley y sus asociados pronto desarrollaron un núcleo que era más fácil de fabricar, que consistía en una pila de placas de hierro delgadas en forma de "E" aisladas por hojas delgadas de papel u otro material aislante. Luego, las bobinas de cobre preenrolladas podrían deslizarse en su lugar y colocarse placas de hierro rectas para crear un circuito magnético cerrado. Westinghouse obtuvo una patente para el nuevo diseño de bajo costo en 1887.

Otros diseños tempranos de transformadores

En 1889, el ingeniero de origen ruso Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló el primer transformador trifásico en Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft ('Compañía General de Electricidad') en Alemania.

En 1891, Nikola Tesla inventó la bobina de Tesla, un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire para producir voltajes muy altos a alta frecuencia.

Los primeros experimentadores utilizaron transformadores de frecuencia de audio ("bobinas de repetición") en el desarrollo del teléfono.

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