Un transformador es un componente pasivo que transfiere energía eléctrica de un circuito eléctrico a otro circuito, o a varios 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 , y dichos transformadores se denominan de 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. [1] 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 .
Ecuaciones de transformadores ideales
Por la ley de inducción de Faraday:
donde es el voltaje instantáneo , es el número de vueltas en un devanado, dΦ/dt es la derivada del flujo magnético Φ a través de una vuelta del devanado en el tiempo ( t ), y los subíndices P y S denotan primario y secundario.
Combinando la relación de la ec. 1 y ecuaciones. 2:
donde para un transformador elevador a < 1 y para un transformador reductor a > 1. [3]
Por la ley de conservación de la energía , la potencia aparente , real y reactiva se conservan en la entrada y en la salida:
donde es la potencia aparente y la corriente .
Combinando la ecuación. 3 y ecuaciones. 4 con esta nota final [b] [4] da la identidad del transformador ideal :
¿ Dónde está la autoinductancia del devanado?
Por la ley de Ohm y la identidad del transformador ideal:
donde es la impedancia de carga del circuito secundario y es la carga aparente o impedancia del punto de conducción del circuito primario, el superíndice indica que se refiere al primario.
Un transformador ideal es lineal , sin pérdidas y perfectamente acoplado . El acoplamiento perfecto implica una permeabilidad magnética del núcleo infinitamente alta y una inductancia del devanado y una fuerza magnetomotriz neta cero (es decir, i p n p − i s n s = 0). [3] [c]
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 electromotriz o voltaje 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, de modo que todo el flujo magnético pasa a través de los devanados primarios y secundarios. 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.
Según la ley de Faraday , dado que en un transformador ideal pasa el mismo flujo magnético tanto por el devanado primario como por el secundario, en cada devanado se induce una tensión proporcional a su número de vueltas. La relación de tensión del devanado del transformador es igual a la relación de vueltas del devanado. [6]
Un transformador ideal es una aproximación razonable para un transformador comercial típico, donde la relación de voltaje y la relación de espiras del devanado son inversamente proporcionales a la relación de corriente correspondiente.
La impedancia de carga referida al circuito primario es igual a la relación de espiras al cuadrado multiplicada por la impedancia de carga del circuito secundario. [7]
El modelo de transformador ideal ignora muchos aspectos lineales básicos de los transformadores reales, incluidas las pérdidas e ineficiencias inevitables. [8]
(a) Pérdidas del núcleo, denominadas colectivamente pérdidas de corriente magnetizante, que consisten en [9]
(b) A diferencia del modelo ideal, los devanados de un transformador real tienen resistencias e inductancias distintas de cero asociadas con:
(c) similar a un inductor , capacitancia parásita y fenómeno de autorresonancia debido a la distribución del campo eléctrico. Generalmente se consideran tres tipos de capacitancia parásita y se proporcionan las ecuaciones de bucle cerrado [10]
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.
El modelo de transformador ideal supone que todo el flujo generado por el devanado primario vincula todas las vueltas de cada devanado, incluido él mismo. En la práctica, parte del flujo atraviesa caminos que lo llevan fuera de los devanados. [11] Dicho flujo se denomina flujo de fuga y da como resultado una inductancia de fuga en serie con los devanados del transformador mutuamente acoplados. [12] El flujo de fuga da como resultado que la energía se almacene y descargue alternativamente en 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 carga pesada. [11] Por lo tanto, los transformadores normalmente están diseñados para tener una inductancia de fuga muy baja.
En algunas aplicaciones se desea una mayor fuga, y se pueden introducir deliberadamente largos caminos magnéticos, entrehierros o derivaciones de derivación magnética en el diseño de un transformador para limitar la corriente de cortocircuito que suministrará. [12] Los transformadores con fugas pueden usarse para suministrar cargas que exhiben resistencia negativa , como arcos eléctricos , lámparas de vapor de mercurio y sodio y letreros de neón o para manejar de manera segura cargas que periódicamente sufren cortocircuitos, como soldadores de arco eléctrico . [9] : 485
Los espacios de aire también se utilizan para evitar que un transformador se sature, especialmente los transformadores de audiofrecuencia en circuitos que tienen un componente de CC que fluye en los devanados. [13] 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 [e] y la relación reactancia-resistencia ( X / R ) de fuga del devanado asociada de dos transformadores fueran iguales, los transformadores compartirían la potencia de carga en proporción a sus respectivas clasificaciones. Sin embargo, las tolerancias de impedancia de los transformadores comerciales son significativas. Además, la impedancia y la relación X/R de transformadores de diferentes capacidades tienden a variar. [15]
Con referencia al diagrama, el comportamiento físico de un transformador práctico puede representarse mediante un modelo de circuito equivalente , que puede incorporar un transformador ideal. [dieciséis]
Las pérdidas en julios del devanado y la reactancia de fuga están representadas por las siguientes impedancias de bucle en serie del modelo:
En el curso normal de la transformación de equivalencia de circuito, R S y X S en la práctica generalmente se refieren al lado primario multiplicando estas impedancias por la relación de vueltas al cuadrado, ( N P / N S ) 2 = a 2 .
La pérdida y la reactancia del núcleo están representadas por las siguientes impedancias del tramo de derivación del modelo:
R C y X M se denominan colectivamente rama magnetizante del modelo.
Las pérdidas en el núcleo son causadas principalmente por histéresis y efectos de corrientes parásitas en el núcleo y son proporcionales al cuadrado del flujo del núcleo para operación a una frecuencia determinada. [9] : 142-143 El núcleo de permeabilidad finita requiere una corriente magnetizante IM para mantener el flujo mutuo en el núcleo. La corriente magnetizante está en fase con el flujo, siendo la relación entre ambos no lineal debido a los efectos de saturación. Sin embargo, todas las impedancias del circuito equivalente mostrado son, por definición, lineales y dichos efectos de no linealidad normalmente no se reflejan en los circuitos equivalentes de transformadores. [9] : 142 Con suministro sinusoidal , el flujo central retrasa la FEM inducida en 90°. Con el devanado secundario en circuito abierto, la corriente de la rama magnetizante I 0 es igual a la corriente sin carga del transformador. [dieciséis]
El modelo resultante, aunque a veces se denomina circuito equivalente "exacto" basado en supuestos de linealidad , conserva una serie de aproximaciones. [16] El análisis puede simplificarse 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 primarias y secundarias referidas y reactancia mediante suma simple como dos impedancias en serie.
Los parámetros de impedancia del circuito equivalente del transformador y de 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 relación 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 suministro f , el número de vueltas N , el área de la sección transversal del núcleo A en m 2 y la densidad máxima de flujo magnético El pico B en Wb/m 2 o T (tesla) viene dado por la ecuación universal EMF: [9]
A menudo se utiliza una convención de puntos en diagramas de circuitos de transformadores, placas de identificación o marcas de terminales para definir la polaridad relativa de los devanados del transformador. El aumento positivo de la corriente instantánea que ingresa al extremo "punto" del devanado primario induce un voltaje de polaridad positiva que sale del extremo "punto" del devanado secundario. Los transformadores trifásicos utilizados en sistemas de energía eléctrica tendrán una placa que indicará las relaciones de fase entre sus terminales. Esto puede ser en forma de diagrama fasor o usar un código alfanumérico para mostrar el tipo de conexión interna (estrella o delta) para cada devanado.
La FEM de un transformador a un flujo dado aumenta con la frecuencia. [9] Al operar a frecuencias más altas, los transformadores pueden ser físicamente más compactos porque un núcleo determinado es capaz de transferir más potencia sin alcanzar la saturación y se necesitan menos vueltas para lograr la misma impedancia. Sin embargo, propiedades como la pérdida del núcleo y el efecto superficial del conductor también aumentan con la frecuencia. Los aviones y equipos militares emplean fuentes de alimentación de 400 Hz que reducen el peso del núcleo y del devanado. [17] 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 necesarios 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 magnetizante reducida. A una frecuencia más baja, la corriente magnetizante aumentará. La operación de un transformador grande a una frecuencia distinta a la de diseño puede requerir una evaluación de voltajes, pérdidas y enfriamiento para establecer si una operación segura es práctica. Los transformadores pueden requerir relés de protección para protegerlos de sobretensiones a una frecuencia superior a la nominal.
Un ejemplo son los transformadores de tracción utilizados para unidades eléctricas múltiples y servicios de trenes de alta velocidad que operan en regiones con diferentes estándares eléctricos. El equipo convertidor y los transformadores de tracción deben adaptarse a diferentes frecuencias de entrada y voltajes (que van desde 50 Hz hasta 16,7 Hz y nominales de hasta 25 kV).
A frecuencias mucho más altas, el tamaño del núcleo del transformador requerido cae dramáticamente: 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 conmutados hizo viables las fuentes de alimentación conmutadas , 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 menores pérdidas de estos núcleos que dependen de la frecuencia a menudo se producen a expensas de la densidad de flujo en el momento de la saturación. Por ejemplo, la saturación de ferrita se produce a una densidad de flujo sustancialmente menor que la del hierro laminado.
Los grandes transformadores de potencia son vulnerables a fallas de aislamiento debido a voltajes transitorios con componentes de alta frecuencia, como los causados por conmutación o rayos.
Las pérdidas de energía del transformador están dominadas por las pérdidas del devanado y del núcleo. La eficiencia de los transformadores tiende a mejorar al aumentar la capacidad del transformador. [18] La eficiencia de los transformadores de distribución típicos está entre aproximadamente 98 y 99 por ciento. [18] [19]
Como las pérdidas del transformador varían con la carga, a menudo es útil tabular las pérdidas sin carga , las pérdidas a plena carga, las pérdidas a media carga, etc. Las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas son constantes en todos los niveles de carga y dominan sin carga, mientras que las pérdidas en el devanado aumentan a medida que aumenta la carga. La pérdida sin carga puede ser significativa, de modo que incluso un transformador inactivo constituye una pérdida de suministro eléctrico. El diseño de transformadores energéticamente eficientes para reducir las pérdidas 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 equilibrio entre el costo inicial y el costo operativo. [20]
Las pérdidas del transformador surgen de:
Los transformadores de núcleo cerrado se construyen en forma de núcleo o 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 carcasa. [24] El diseño en forma de carcasa puede ser más frecuente que el diseño en forma de núcleo para aplicaciones de transformadores de distribución debido a la relativa facilidad para apilar el núcleo alrededor de las bobinas. [24] El diseño en forma de núcleo tiende, como regla general, a ser más económico y, por lo tanto, más frecuente, que el diseño en forma de carcasa para aplicaciones de transformadores de potencia de alto voltaje en el extremo inferior de sus rangos de tensión y potencia nominal (menor o igual a , nominalmente, 230 kV o 75 MVA). A tensiones y potencias nominales más altas, los transformadores en forma de carcasa tienden a ser más frecuentes. [24] [25] [26] El diseño en forma de carcasa tiende a preferirse para aplicaciones de voltaje extra alto y MVA más alto porque, aunque su fabricación requiere más mano de obra, los transformadores en forma de carcasa se caracterizan por tener inherentemente una mejor relación kVA-peso. , mejores características de resistencia a cortocircuitos y mayor inmunidad a los daños en tránsito. [26]
Los transformadores para uso en frecuencias de potencia o audio suelen tener núcleos hechos de acero al silicio de alta permeabilidad . [27] 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 magnetizante y confinar el flujo a una trayectoria que acopla estrechamente los devanados. [28] Los primeros desarrolladores de transformadores pronto se dieron cuenta de que los núcleos construidos con hierro sólido generaban pérdidas prohibitivas por corrientes parásitas, y sus diseños mitigaron este efecto con núcleos que consistían en haces de cables de hierro aislados. [29] Diseños posteriores construyeron el núcleo apilando capas de finas laminaciones de acero, un principio que se ha mantenido en uso. Cada laminación está aislada de sus vecinas por una fina capa de aislamiento no conductora. [30] 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. [9]
El efecto de las laminaciones es confinar las corrientes parásitas a trayectorias altamente elípticas que encierran poco flujo y, por lo tanto, reducen su magnitud. Las laminaciones más delgadas reducen las pérdidas, [27] pero son más laboriosas y costosas de construir. [31] Las laminaciones delgadas se utilizan generalmente en transformadores de alta frecuencia, y algunas laminaciones de acero muy delgadas pueden funcionar 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 . [31] Un diseño de este tipo tiende a presentar más pérdidas, pero es muy económico de fabricar. El tipo de núcleo cortado o núcleo 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. [31] Tienen la ventaja de que el flujo siempre está orientado paralelo a los granos metálicos, lo que reduce la desgana.
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 provocará 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. [32] Se deben seleccionar dispositivos de protección contra sobrecorriente, como fusibles , para permitir que pase esta irrupción inofensiva.
En transformadores conectados a líneas aéreas de transmisión de energía largas, las corrientes inducidas debido a perturbaciones geomagnéticas durante las tormentas solares pueden causar la saturación del núcleo y el funcionamiento de los dispositivos de protección del transformador. [33]
Los transformadores de distribución pueden lograr bajas pérdidas sin carga mediante el uso de núcleos fabricados con acero al silicio de alta permeabilidad y bajas pérdidas o una 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. [34]
Los núcleos de hierro en polvo se utilizan en circuitos como fuentes de alimentación de modo conmutado que funcionan por encima de las frecuencias principales y hasta unas pocas decenas de kilohercios. Estos materiales combinan una alta permeabilidad magnética con una alta resistividad eléctrica en masa . Para frecuencias que se extienden más allá de la banda VHF , son comunes los núcleos fabricados con materiales cerámicos magnéticos no conductores llamados ferritas . [31] Algunos transformadores de radiofrecuencia también tienen núcleos móviles (a veces llamados 'slugs') que permiten el ajuste del coeficiente de acoplamiento (y el ancho de banda ) de los circuitos de radiofrecuencia sintonizados.
Los transformadores toroidales se construyen alrededor de un núcleo en forma de anillo que, dependiendo de la frecuencia de operación, está hecho de una tira larga de acero al silicio o aleación permanente enrollada en una bobina, hierro en polvo o ferrita . [35] Una construcción de tira garantiza que los límites de los granos estén alineados de manera óptima, lo que mejora la eficiencia del transformador al reducir la reluctancia del núcleo . La forma de anillo cerrado elimina los espacios de aire inherentes a la construcción de un núcleo EI. [9] : 485 La sección transversal del anillo suele ser cuadrada o rectangular, pero también hay disponibles núcleos más caros con secciones transversales circulares. Las bobinas primaria y secundaria suelen estar enrolladas concéntricamente para cubrir toda la superficie del núcleo. Esto minimiza la longitud del cable necesario y proporciona protección para minimizar la generación de interferencias electromagnéticas del campo magnético del núcleo .
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 (aproximadamente la mitad), menor peso (aproximadamente la mitad), menos zumbido mecánico (lo que los hace superiores en amplificadores de audio), menor campo magnético exterior (aproximadamente una décima parte), bajas pérdidas sin carga ( haciéndolos más eficientes en circuitos de reserva), montaje con un solo perno y mayor variedad de formas. Las principales desventajas son el mayor costo y la capacidad de energía limitada (consulte los parámetros de clasificación a continuación). Debido a la falta de un espacio residual en la trayectoria 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. Una desventaja de la construcción de transformadores toroidales es el mayor costo laboral del devanado. Esto se debe a que es necesario pasar toda la longitud de una 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 pequeños transformadores de distribución pueden lograr algunos de los beneficios de un núcleo toroidal dividiéndolo y forzándolo a abrirse, luego insertando una bobina que contiene devanados primarios y secundarios. [36]
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. [12] La inductancia magnetizante se reduce drásticamente por la falta de un núcleo magnético, lo que resulta en grandes corrientes magnetizantes y pérdidas si se usa a bajas frecuencias. Los transformadores de núcleo de aire no son adecuados para su uso en la distribución de energía, [12] pero se emplean con frecuencia en aplicaciones de radiofrecuencia. [37] 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 magnetizante.
El conductor eléctrico utilizado para los devanados depende de la aplicación, pero en todos los casos las espiras individuales deben estar aisladas eléctricamente entre sí para garantizar que la corriente viaje a lo largo de cada espira. 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 magnético esmaltado . Los transformadores de potencia más grandes pueden enrollarse con conductores de tira rectangulares de cobre aislados con papel impregnado de aceite y bloques de cartón prensado . [38]
Los transformadores de alta frecuencia que operan entre decenas y cientos de kilohercios a menudo tienen devanados hechos de alambre Litz trenzado para minimizar las pérdidas por efecto de piel y efecto de proximidad. [39] Los grandes transformadores de potencia también utilizan conductores multifilares, ya que incluso a bajas frecuencias de potencia, de lo contrario existiría una distribución no uniforme de la corriente en los devanados de alta corriente. [38] Cada hilo está aislado individualmente y los hilos están dispuestos de modo que en ciertos puntos del devanado, o a lo largo de todo el devanado, cada porción ocupe diferentes posiciones relativas en el conductor completo. La transposición iguala la corriente que fluye en cada hilo del conductor y reduce las pérdidas por corrientes parásitas en el propio devanado. El conductor trenzado también es más flexible que un conductor sólido de tamaño similar, lo que facilita la fabricación. [38]
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 entrelazan entre las secciones del otro devanado.
Los transformadores de frecuencia industrial pueden tener tomas 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 bajo carga se utilizan en la transmisión o distribución de energía eléctrica, en equipos como transformadores de hornos 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, disponen de grifos para permitir el ajuste de la impedancia de cada altavoz. Un transformador con derivación central se utiliza 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 AM son muy similares.
Es una regla general que la esperanza de vida del aislamiento eléctrico se reduce a la mitad aproximadamente cada 7 °C a 10 °C de aumento en la temperatura de funcionamiento (un ejemplo de la aplicación de la ecuación de Arrhenius ). [40]
Los transformadores pequeños de tipo seco y sumergidos en líquido a menudo se autoenfrían mediante convección natural y disipación de calor por radiación . A medida que aumentan las potencias nominales, los transformadores a menudo se enfrían mediante enfriamiento por aire forzado, enfriamiento por aceite forzado, enfriamiento por agua o combinaciones de estos. [41] Los transformadores grandes se llenan con aceite de transformador que enfría y aísla los devanados. [42] El aceite de transformador es a menudo un aceite mineral altamente refinado que enfría los devanados y el aislamiento al circular dentro del tanque del transformador. El sistema aislante 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 alrededor del 30% de las fallas de los transformadores de potencia se deben a fallas de aislamiento y sobrecarga. [43] [44] El funcionamiento prolongado a temperatura elevada degrada las propiedades aislantes del devanado y del refrigerante dieléctrico, lo que no sólo acorta la vida útil del transformador sino que, en última instancia, puede provocar una falla catastrófica del mismo. [40] Con una gran cantidad de estudios empíricos como guía, las pruebas de aceite de transformadores , incluido el análisis de gases disueltos, proporcionan información valiosa sobre el mantenimiento.
Las normas de construcción en muchas jurisdicciones exigen que los transformadores interiores llenos de líquido utilicen fluidos dieléctricos que sean menos inflamables que el aceite o que se instalen en habitaciones resistentes al fuego. [18] Los transformadores secos enfriados por aire pueden ser más económicos ya que eliminan el costo de una sala de transformadores resistente al fuego.
El tanque de los transformadores llenos de líquido suele tener radiadores por los que circula el líquido refrigerante 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. [42] 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 utiliza para alarmar o desenergizar el transformador. [32] Las instalaciones de transformadores sumergidos en aceite generalmente incluyen medidas de protección contra incendios, como paredes, contención de aceite y sistemas de rociadores contra 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. [45] Hoy en día, se pueden utilizar aceites estables y no tóxicos a base de silicona o hidrocarburos fluorados cuando el gasto de un líquido resistente al fuego compensa el costo adicional de construcción de una bóveda de transformador. [18] [46] Sin embargo, la larga vida útil de los transformadores puede significar que el potencial de exposición puede ser alto mucho después de la prohibición. [47]
Algunos transformadores están aislados con gas. Sus devanados están encerrados en tanques presurizados sellados y, a menudo, enfriados con gas nitrógeno o hexafluoruro de azufre . [46]
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. [48] [49]
Se debe proporcionar aislamiento entre las espiras individuales de los devanados, entre los devanados, entre los devanados y el núcleo, y en los terminales del devanado.
El aislamiento entre espiras de transformadores pequeños puede ser una capa de barniz aislante sobre el cable. Se pueden insertar capas de papel o películas de polímero entre capas de devanados y entre devanados primarios y secundarios. Un transformador puede recubrirse o sumergirse 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 utilizando combinaciones de vacío y presión durante el proceso de recubrimiento, eliminando todos los huecos de aire en el devanado. En el límite, toda la bobina puede colocarse en un molde y moldearse con resina a su alrededor como un bloque sólido, encapsulando los devanados. [50]
Los grandes transformadores de potencia llenos de aceite utilizan devanados envueltos con papel aislante, que se impregna de aceite durante el montaje del transformador. Los transformadores llenos de aceite utilizan 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 calentamiento por resistencia mediante inyección de corriente en los devanados.
Los transformadores más grandes cuentan con casquillos aislados de alto voltaje hechos de polímeros o porcelana. Un casquillo 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. [51]
Los transformadores se pueden clasificar de muchas formas, como las siguientes:
Varios diseños de aplicaciones eléctricas específicas requieren una variedad de tipos de transformadores . Aunque todos comparten los principios característicos básicos del transformador, están personalizados en cuanto a construcción o propiedades eléctricas 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 ubicar las plantas de generación a una distancia económica de los consumidores de electricidad. [52] Casi toda la energía eléctrica mundial, excepto una pequeña fracción, ha pasado por una serie de transformadores cuando llega al consumidor. [22]
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 eléctrica o mediante una fuente de alimentación de modo conmutado .
Los transformadores de señal y audio se utilizan para acoplar etapas de amplificadores y para hacer coincidir dispositivos como micrófonos y tocadiscos con la entrada de 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 con referencia a tierra en una señal que tiene voltajes equilibrados a tierra , como entre cables externos y circuitos internos. Los transformadores de aislamiento evitan la fuga de corriente hacia el 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 de Tesla de alto voltaje.
La inducción electromagnética , el principio de funcionamiento del transformador, fue descubierto de forma independiente por Michael Faraday en 1831 y Joseph Henry en 1832. [54] [55] [56] [57] Sólo Faraday amplió sus experimentos hasta el punto de resolver el ecuación que describe la relación entre EMF y el flujo magnético ahora conocida como ley de inducción de Faraday :
donde es la magnitud de la FEM en voltios y Φ B es el flujo magnético a través del circuito en webers . [58]
Faraday realizó los primeros experimentos sobre inducción entre bobinas de alambre, incluido enrollar un par de bobinas alrededor de un anillo de hierro, creando así el primer transformador toroidal de núcleo cerrado. [57] [59] 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.
El primer tipo de transformador que se utilizó ampliamente fue la bobina de inducción , inventada por el reverendo católico irlandés Nicholas Callan del Maynooth College , Irlanda, en 1836. [57] Fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más vueltas tiene el devanado secundario 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 por 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 vibratorios 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 por construir mejores bobinas de inducción, principalmente mediante prueba y error, revelaron lentamente los principios básicos de los transformadores.
En la década de 1870, se disponía de generadores eficientes que producían corriente alterna (CA) y se descubrió que la corriente alterna 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 CA. Los devanados secundarios podrían conectarse a varias "bujías eléctricas" (lámparas de arco) de su propio diseño. Las bobinas que utilizó Yablochkov funcionaron esencialmente como transformadores. [60]
En 1878, la fábrica 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 utilizaban lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros equipos. [57] [61]
En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs exhibieron por primera vez en Londres un dispositivo con un núcleo de hierro abierto de placa laminada inicialmente ampliamente criticado llamado "generador secundario", y luego vendieron la idea a la compañía Westinghouse en los Estados Unidos en 1886. [29] También exhibieron el invento en Turín, Italia, en 1884, donde tuvo gran éxito y fue adoptado como sistema de iluminación eléctrica. [62] Su dispositivo utilizaba una relación fija de 1:1 para suministrar un circuito en serie para la carga de utilización (lámparas). El voltaje de su sistema se controlaba empujando y sacando su núcleo de hierro abierto. [63]
Las bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos son ineficientes para transferir energía a las cargas . Hasta aproximadamente 1880, el paradigma para la transmisión de energía 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 voltaje alto para la transmisión y al mismo tiempo presentar un voltaje bajo a 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 aquellos que emplean métodos para ajustar el núcleo o desviar el flujo magnético alrededor de parte de una bobina. [62] Los diseños de transformadores eficientes y prácticos no aparecieron hasta la década de 1880, pero dentro de una década, el transformador sería decisivo en la guerra de las corrientes y en el triunfo de los sistemas de distribución de CA sobre sus homólogos de CC, una posición en la que han siguió siendo dominante desde entonces. [64]
En el otoño de 1884, Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy y Miksa Déri (ZBD), tres ingenieros húngaros asociados con la fábrica Ganz , habían determinado que los dispositivos de núcleo abierto eran impracticables, ya que eran incapaces de regular el voltaje de manera confiable. [61] La fábrica de Ganz también había entregado 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. [65] Esta primera unidad se había fabricado para las siguientes especificaciones: 1.400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, relación 1,67:1, monofásico, forma de carcasa. [65] 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. [62] 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". [66]
En ambos diseños, el flujo magnético que une los devanados primario y secundario viajó casi en su totalidad dentro de los límites del núcleo de hierro, sin ningún recorrido 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. [67] Las patentes ZBD incluían otras dos innovaciones importantes interrelacionadas: una relacionada con el uso de cargas de utilización conectadas en paralelo, en lugar de conectadas en serie, la otra relacionada con la capacidad de tener transformadores de alta relación de transformación, de modo que el voltaje de la red de suministro podría ser mucho mayor. (inicialmente de 1.400 a 2.000 V) que el voltaje de las cargas de utilización (inicialmente se prefiere 100 V). [68] [69] Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron que fuera técnica y económicamente viable 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 en derivación paralelas y Déri había realizado los experimentos; [70] A principios de 1885, los tres ingenieros también eliminaron el problema de las pérdidas por corrientes parásitas con la invención de la laminación de núcleos electromagnéticos. [71]
Los transformadores actuales se diseñan según los principios descubiertos por los tres ingenieros. También popularizaron la palabra "transformador" para describir un dispositivo para alterar la FEM de una corriente eléctrica [72] aunque el término ya se había utilizado en 1882. [73] [74] En 1886, los ingenieros de ZBD diseñaron y La fábrica de Ganz suministró equipos eléctricos para la primera central eléctrica del mundo que utilizaba generadores de CA para alimentar una red eléctrica común conectada en paralelo: la central eléctrica de vapor Rome-Cerchi. [75]
Aprovechando el avance de la tecnología de CA en Europa, [76] George Westinghouse fundó Westinghouse Electric en Pittsburgh, Pensilvania, el 8 de enero de 1886. [77] La nueva empresa se volvió activa en el desarrollo de infraestructura eléctrica de corriente alterna (CA) en todo Estados Unidos. Estados. Edison Electric Light Company tenía una opción sobre los derechos estadounidenses de los transformadores ZBD, lo que exigía que Westinghouse buscara diseños alternativos basados en los mismos principios. George Westinghouse había comprado las patentes de Gaulard y Gibbs por 50.000 dólares en febrero de 1886. [78] Asignó a William Stanley la tarea de rediseñar el transformador de Gaulard y Gibbs para uso comercial en Estados Unidos. [79] El primer diseño patentado de Stanley fue para bobinas de inducción con núcleos individuales de hierro dulce y espacios ajustables para regular el EMF presente en el devanado secundario (ver imagen). Este diseño [80] se utilizó comercialmente por primera vez en los EE. UU. en 1886 [81] , pero Westinghouse tenía la intención de mejorar el diseño de Stanley para hacerlo (a diferencia del tipo ZBD) fácil y barato de producir. [80]
Westinghouse, Stanley y sus asociados pronto desarrollaron un núcleo que era más fácil de fabricar y que consistía en una pila de finas placas de hierro en forma de E aisladas por finas hojas de papel u otro material aislante. Luego se podrían deslizar bobinas de cobre preenrolladas en su lugar y colocar placas de hierro rectas para crear un circuito magnético cerrado. Westinghouse obtuvo una patente para el nuevo diseño de bajo costo en 1887. [70]
En 1889, el ingeniero ruso Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló el primer transformador trifásico en la Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft ('Compañía General de Electricidad') en Alemania. [82]
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. [83]
Los primeros experimentadores en el desarrollo del teléfono utilizaron transformadores de audiofrecuencia (" bobinas de repetición ") . [84]
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