En ingeniería eléctrica , 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, que induce una fuerza electromotriz (FEM) 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 se denominan transformadores elevadores o reductores 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 del transformador ideal
Por la ley de inducción de Faraday:
donde es el voltaje instantáneo , es el número de vueltas de 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 ecuación 1 y la ecuación 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 la salida:
donde es la potencia aparente y es la corriente .
Combinando la ecuación 3 y la ecuación 4 con esta nota final [b] [4] se obtiene la identidad del transformador ideal :
¿Dónde está la autoinducción 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 impedancia de carga aparente o del punto de excitación del circuito primario, el superíndice denota que se refiere al primario.
Un transformador ideal es lineal , sin pérdidas y perfectamente acoplado . El acoplamiento perfecto implica una permeabilidad magnética del núcleo y una inductancia del devanado infinitamente altas 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 tensión variable en el devanado secundario. Este fenómeno de inducción electromagnética es la base del funcionamiento 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 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 anula a cero.
Según la ley de Faraday , dado que el mismo flujo magnético pasa por los devanados primario y secundario en un transformador ideal, se induce un voltaje en cada devanado proporcional a su número de vueltas. La relación de voltaje de los devanados del transformador es igual a la relación de vueltas de los devanados. [6]
Un transformador ideal es una aproximación razonable para un transformador comercial típico, donde la relación de voltaje y la relación de vueltas del devanado son inversamente proporcionales a la relación de corriente correspondiente.
La impedancia de carga referida al circuito primario es igual al cuadrado de la relación de vueltas multiplicada por la impedancia de carga del circuito secundario. [7]
El modelo de transformador ideal no tiene en cuenta muchos aspectos lineales básicos de los transformadores reales, incluidas las pérdidas e ineficiencias inevitables. [8]
(a) Pérdidas en el 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 del transformador "real" que se muestra a continuación no incluye la 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 ideal del transformador supone 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. [11] Dicho flujo se denomina flujo de fuga y da como resultado una inductancia de fuga en serie con los devanados del transformador acoplados mutuamente. [12] El flujo de fuga hace que la energía se almacene y descargue alternativamente de los campos magnéticos con cada ciclo de la fuente de alimentación. No es directamente una pérdida de potencia, 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 trayectorias magnéticas largas, espacios de aire o derivaciones magnéticas en el diseño de un transformador para limitar la corriente de cortocircuito que suministrará. [12] Los transformadores con fugas se pueden utilizar para suministrar cargas que presentan resistencia negativa , como arcos eléctricos , lámparas de vapor de mercurio y sodio y letreros de neón , o para manipular de forma segura cargas que se cortocircuitan periódicamente, 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 la impedancia porcentual [e] y la relación de reactancia de fuga de bobinado asociada a resistencia ( X / R ) de dos transformadores fueran iguales, los transformadores compartirían la potencia de carga en proporción a sus respectivas potencias nominales. Sin embargo, las tolerancias de impedancia de los transformadores comerciales son significativas. Además, la impedancia y la relación X/R de transformadores de diferente capacidad 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. [16]
Las pérdidas Joule 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, en la práctica , RS y XS se refieren generalmente al lado primario multiplicando estas impedancias por la relación de vueltas al cuadrado, ( NP / NS ) 2 = a2 .
La pérdida del núcleo y la reactancia están representadas por las siguientes impedancias de las patas de derivación del modelo:
R C y X M se denominan colectivamente la rama magnetizadora del modelo.
Las pérdidas en el núcleo son causadas principalmente por efectos de histéresis y corrientes parásitas en el núcleo y son proporcionales al cuadrado del flujo del núcleo para el funcionamiento a una frecuencia dada. [9] : 142–143 El núcleo de permeabilidad finita requiere una corriente magnetizante I M para mantener el flujo mutuo en el núcleo. La corriente magnetizante está en fase con el flujo, la relación entre los dos es no lineal debido a los efectos de saturación. Sin embargo, todas las impedancias del circuito equivalente mostrado son por definición lineales y tales efectos de no linealidad no se reflejan típicamente en circuitos equivalentes de transformador. [9] : 142 Con suministro sinusoidal , el flujo del núcleo se retrasa 90° con respecto a la FME inducida. Con un devanado secundario en circuito abierto, la corriente de la rama magnetizante I 0 es igual a la corriente sin carga del transformador. [16]
El modelo resultante, aunque a veces se lo denomina circuito equivalente "exacto" basándose en suposiciones de linealidad , conserva una serie de aproximaciones. [16] 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 un error, pero permite la combinación de las resistencias y reactancias primarias y secundarias referidas mediante una simple suma 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 cada devanado 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 de flujo magnético pico B pico en Wb/m 2 o T (tesla) está dada por la ecuación universal EMF: [9]
En los diagramas de circuitos de transformadores, placas de identificación o marcas de terminales se suele utilizar la convención de puntos para definir la polaridad relativa de los devanados del transformador. La corriente instantánea que aumenta positivamente y que entra por el extremo en forma de "punto" del devanado primario induce una tensión de polaridad positiva que sale por el extremo en forma de "punto" del devanado secundario. Los transformadores trifásicos utilizados en sistemas de energía eléctrica tendrán una placa de identificación que indica las relaciones de fase entre sus terminales. Esto puede ser en forma de diagrama fasorial o utilizando un código alfanumérico para mostrar el tipo de conexión interna (en estrella o en triángulo) para cada devanado.
La FME 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 dado puede 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 pelicular 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 bobinado. [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 requeridos para las frecuencias más altas.
El funcionamiento de un transformador a su voltaje de diseño pero a una frecuencia más alta que la prevista dará lugar a una corriente de magnetización reducida. A una frecuencia más baja, la corriente de magnetización aumentará. El funcionamiento de un transformador grande a una frecuencia distinta a la de diseño puede requerir una evaluación de voltajes, pérdidas y enfriamiento para establecer si es posible un funcionamiento seguro. Los transformadores pueden requerir relés de protección para protegerlos de sobretensiones a una frecuencia superior a la nominal.
Un ejemplo de ello son los transformadores de tracción utilizados en unidades múltiples eléctricas y trenes de alta velocidad que funcionan en regiones con diferentes estándares eléctricos. Los equipos convertidores y los transformadores de tracción deben admitir distintas frecuencias y tensiones de entrada (que van desde 50 Hz hasta 16,7 Hz y hasta 25 kV).
A frecuencias mucho más altas, el tamaño del núcleo del transformador requerido se reduce drásticamente: un transformador físicamente pequeño puede manejar niveles de potencia que requerirían un núcleo de hierro masivo a la frecuencia de la red eléctrica. 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 transformador pequeño.
Los transformadores para aplicaciones de mayor frecuencia, como las fuentes de alimentación conmutadas por secuencias, suelen utilizar materiales de núcleo con pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas mucho menores que los de 50/60 Hz. Los principales ejemplos son los núcleos de hierro en polvo y de ferrita. Las menores pérdidas dependientes de la frecuencia de estos núcleos suelen producirse a expensas de la densidad de flujo en la saturación. Por ejemplo, la saturación de la ferrita se produce a una densidad de flujo sustancialmente menor que la del hierro laminado.
Los transformadores de potencia de gran tamaño son vulnerables a fallas de aislamiento debido a voltajes transitorios con componentes de alta frecuencia, como los causados en la conmutación o por rayos.
Las pérdidas de energía de los transformadores están dominadas por las pérdidas en el devanado y en el núcleo. La eficiencia de los transformadores tiende a mejorar a medida que aumenta la capacidad del transformador. [18] La eficiencia de los transformadores de distribución típicos se encuentra entre el 98 y el 99 por ciento. [18] [19]
Como las pérdidas del transformador varían con la carga, a menudo es útil tabular la pérdida sin carga , la pérdida a plena carga, la pérdida a media carga, etc. Las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas son constantes en todos los niveles de carga y predominan sin carga, mientras que la pérdida del devanado aumenta a medida que aumenta la carga. La pérdida sin carga puede ser significativa, de modo que incluso un transformador inactivo constituye un drenaje en el suministro eléctrico. El diseño de transformadores energéticamente eficientes para una menor pérdida 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 una compensación 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 "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 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 de devanado. [24] El diseño en forma de núcleo tiende a ser, como regla general, más económico y, por lo tanto, más frecuente que el diseño en forma de carcasa para aplicaciones de transformadores de potencia de alta tensión en el extremo inferior de sus rangos de tensión y potencia nominales (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 mayor MVA porque, aunque su fabricación requiere más mano de obra, los transformadores en forma de carcasa se caracterizan por tener inherentemente una mejor relación kVA a peso, mejores características de resistencia a cortocircuitos y mayor inmunidad al daño de 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 ruta que acopla estrechamente los devanados. [28] Los primeros desarrolladores de transformadores pronto se dieron cuenta de que los núcleos construidos a partir de hierro sólido resultaban en pérdidas prohibitivas por corrientes parásitas, y sus diseños mitigaron este efecto con núcleos que consistían en haces de cables de hierro aislados. [29] Los diseños posteriores construyeron el núcleo apilando capas de láminas delgadas de acero, un principio que se ha mantenido en uso. Cada lámina está aislada de sus vecinas por una capa delgada no conductora de aislamiento. [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 muy elípticas que encierran poco flujo, reduciendo así 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 de las laminaciones de acero muy delgadas pueden funcionar hasta a 10 kHz.
Un diseño común de núcleo laminado está hecho de pilas intercaladas de láminas de acero en forma de E rematadas con piezas en forma de I , lo que lleva a su nombre de transformador EI . [31] Este diseño 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 C con una correa de acero. [31] Tienen la ventaja de que el flujo siempre está orientado paralelo a los granos de metal, lo que reduce la reluctancia.
La remanencia de un núcleo de acero significa que conserva un campo magnético estático cuando se corta la energía. Cuando se vuelve a aplicar la energía, el campo residual provocará una corriente de entrada alta hasta que se reduzca el efecto del magnetismo restante, generalmente después de unos pocos 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 corriente de entrada inofensiva.
En los transformadores conectados a líneas de transmisión de energía aéreas y 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 con una aleación de metal amorfo (no cristalino) . El mayor costo inicial del material del núcleo se compensa durante la vida útil del transformador con sus menores pérdidas con cargas ligeras. [34]
Los núcleos de hierro en polvo se utilizan en circuitos como 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 en masa . Para frecuencias que se extienden más allá de la banda VHF , son comunes los núcleos hechos de 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 permalloy enrollada en una bobina, hierro en polvo o ferrita . [35] Una construcción de tira asegura que los límites de grano estén alineados de manera óptima, mejorando 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 están disponibles núcleos más caros con secciones transversales circulares. Las bobinas primarias y secundarias a menudo se enrollan de forma concéntrica para cubrir toda la superficie del núcleo. Esto minimiza la longitud del cable necesario y proporciona protección para minimizar el campo magnético del núcleo que genera interferencias electromagnéticas .
Los transformadores toroidales son más eficientes que los tipos EI laminados más económicos para un nivel de potencia similar. Otras ventajas en comparación con los tipos EI incluyen un tamaño más pequeño (aproximadamente la mitad), un peso menor (aproximadamente la mitad), menos zumbido mecánico (lo que los hace superiores en amplificadores de audio), un campo magnético exterior más bajo (aproximadamente una décima parte), bajas pérdidas sin carga (lo que los hace más eficientes en circuitos de reserva), montaje con un solo perno y una mayor variedad de formas. Las principales desventajas son un mayor costo y una capacidad de potencia limitada (consulte los parámetros de clasificación a continuación). Debido a la falta de un espacio residual en el camino magnético, 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, típicamente 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 de mano de obra del bobinado. Esto se debe a que es necesario pasar toda la longitud de un devanado de bobina a través de la abertura del núcleo cada vez que se agrega una sola vuelta a la bobina. Como consecuencia, los transformadores toroidales con una potencia nominal de más de unos pocos kVA son poco comunes. Se ofrecen relativamente pocos toroides con potencias nominales superiores a 10 kVA, y prácticamente ninguno por encima de 25 kVA. Los transformadores de distribución pequeños pueden lograr algunos de los beneficios de un núcleo toroidal al dividirlo y forzarlo 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 de núcleo de aire elimina la pérdida debido 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 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 una pérdida razonablemente baja 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 través 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 a menudo se enrollan con alambre magnético esmaltado . Los transformadores de potencia más grandes pueden enrollarse con conductores de tira rectangular de cobre aislados con papel impregnado de aceite y bloques de cartón prensado . [38]
Los transformadores de alta frecuencia que funcionan en el rango de decenas a cientos de kilohercios a menudo tienen devanados hechos de alambre trenzado Litz para minimizar las pérdidas por efecto pelicular y por efecto de proximidad. [39] Los transformadores de potencia grandes también utilizan conductores multifilares, ya que incluso a bajas frecuencias de potencia existiría una distribución no uniforme de la corriente en los devanados de alta corriente. [38] Cada hebra está aislada individualmente y las hebras están dispuestas de manera que en ciertos puntos del devanado, o en todo el devanado, cada porción ocupa diferentes posiciones relativas en el conductor completo. La transposición iguala la corriente que fluye en cada hebra 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 intercalan 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. Las tomas se pueden reconectar manualmente, o se puede proporcionar un interruptor manual o automático para cambiar las tomas. Los cambiadores de tomas automáticos en carga se utilizan en la transmisión o distribución de energía eléctrica, en equipos como transformadores de hornos de arco o para reguladores de voltaje automáticos para cargas sensibles. Los transformadores de audiofrecuencia, utilizados para la distribución de audio a altavoces de megafonía, tienen tomas para permitir el ajuste de la impedancia de cada altavoz. Un transformador con toma 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 transmisores de AM son muy similares.
Una regla general es que la esperanza de vida del aislamiento eléctrico se reduce a la mitad por cada aumento de aproximadamente 7 °C a 10 °C 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 suelen autoenfriarse mediante convección natural y disipación de calor por radiación . A medida que aumentan las potencias nominales, los transformadores suelen enfriarse mediante refrigeración por aire forzado, refrigeración por aceite forzado, refrigeración por agua o combinaciones de estas. [41] Los transformadores grandes se llenan con aceite de transformador que enfría y aísla los devanados. [42] 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 papel y aceite mineral 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. [43] [44] El funcionamiento prolongado a temperaturas elevadas degrada las propiedades aislantes del aislamiento del devanado y del refrigerante dieléctrico, lo que no solo 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 del transformador, incluido el análisis de gases disueltos, proporcionan información valiosa sobre el mantenimiento.
Las normas de construcción en muchas jurisdicciones requieren que los transformadores interiores llenos de líquido utilicen fluidos dieléctricos que sean menos inflamables que el aceite o se instalen en salas 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 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. [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 activar una alarma 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 usar aceites a base de silicona estables y no tóxicos 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 bobinados están encerrados en tanques sellados y presurizados y, a menudo, refrigerados 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 refrigerados con nitrógeno líquido o helio , lo que elimina las pérdidas del devanado sin afectar las pérdidas del núcleo. [48] [49]
Se debe proporcionar 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 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 las capas de devanados y entre los devanados primario y secundario. Un transformador puede estar recubierto o sumergido en una resina de polímero para mejorar la resistencia de los devanados y protegerlos de la humedad o la corrosión. La resina puede impregnarse 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, la bobina completa puede colocarse en un molde y la resina se puede verter alrededor de ella como un bloque sólido, encapsulando los devanados. [50]
Los transformadores de potencia grandes llenos de aceite utilizan bobinados envueltos con papel aislante, que se impregna con aceite durante el montaje del transformador. Los transformadores llenos de aceite utilizan aceite mineral altamente refinado para aislar y enfriar los bobinados y el núcleo. La construcción de transformadores llenos de aceite requiere que el aislamiento que cubre los bobinados se seque completamente de 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 disolvente 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 bobinados.
Los transformadores de mayor tamaño están equipados con bujes aislantes de alto voltaje fabricados con polímeros o porcelana. Un buje grande puede ser una estructura compleja, ya que debe proporcionar un control cuidadoso del gradiente del campo eléctrico sin dejar que el transformador pierda aceite. [51]
Los transformadores se pueden clasificar de muchas maneras, como las siguientes:
Diversos diseños de aplicaciones eléctricas específicas requieren una variedad de tipos de transformadores . Si bien todos comparten los principios característicos básicos de los transformadores, su construcción o sus propiedades eléctricas se personalizan para determinados requisitos de instalación o condiciones de circuito.
En la transmisión de energía eléctrica , los transformadores permiten la transmisión de energía eléctrica a altos voltajes, lo que reduce la pérdida por calentamiento de los cables. Esto permite que las plantas generadoras se ubiquen de manera económica a una distancia de los consumidores eléctricos. [52] Toda la energía eléctrica del mundo, salvo una pequeña fracción, ha pasado por una serie de transformadores para 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 en la frecuencia de la línea de alimentación o a través de 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 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 equilibrados a tierra , como entre cables externos y circuitos internos. Los transformadores de aislamiento evitan la fuga de corriente en el circuito secundario y se utilizan en equipos médicos y en sitios de construcción. Los transformadores resonantes se utilizan para el acoplamiento entre etapas de receptores de radio o en bobinas Tesla de alto voltaje.
La inducción electromagnética , el principio del funcionamiento del transformador, fue descubierto independientemente por Michael Faraday en 1831 y Joseph Henry en 1832. [54] [55] [56] [57] Sólo Faraday profundizó sus experimentos hasta el punto de elaborar la ecuación que describe la relación entre el EMF y el flujo magnético, ahora conocida como ley de inducción de Faraday :
donde es la magnitud de la FME en voltios y Φ B es el flujo magnético a través del circuito en webers . [58]
Faraday realizó experimentos tempranos sobre inducción entre bobinas de alambre, incluyendo enrollar un par de bobinas alrededor de un anillo de hierro, creando así el primer transformador toroidal de núcleo cerrado. [57] [59] Sin embargo, sólo aplicó pulsos individuales de corriente a su transformador, y nunca descubrió la relación entre la relación de vueltas y la FME 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 tenga 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 los 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 la década de 1830 y la de 1870, los esfuerzos por construir mejores bobinas de inducción, principalmente por ensayo y error, revelaron lentamente los principios básicos de los transformadores.
En la década de 1870, ya estaban disponibles 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, en el que los devanados primarios estaban conectados a una fuente de corriente alterna. Los devanados secundarios podían conectarse a varias "bujías eléctricas" (lámparas de arco) de su propio diseño. Las bobinas que empleaba Yablochkov funcionaban esencialmente como transformadores. [60]
En 1878, la fábrica Ganz de Budapest (Hungría) comenzó a producir equipos para iluminación eléctrica y, en 1883, había instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría. Sus sistemas de corriente alterna utilizaban lámparas de arco e incandescentes, 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 muy criticado, llamado "generador secundario", y luego vendieron la idea a la empresa Westinghouse en los Estados Unidos en 1886. [29] También exhibieron la invención en Turín, Italia, en 1884, donde tuvo un gran éxito y fue adoptada para un sistema de iluminación eléctrica. [62] Su dispositivo usaba una relación fija de 1:1 para alimentar 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 de CA desde una fuente de alto voltaje a una carga de bajo voltaje era un circuito en serie. Los transformadores de núcleo abierto con una relación cercana a 1:1 se conectaban con sus primarios en serie para permitir el uso de un alto voltaje para la transmisión mientras se presentaba un bajo voltaje a las lámparas. La falla inherente en 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 empleaban métodos de ajuste del 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 fundamental en la guerra de las corrientes y en ver a los sistemas de distribución de CA triunfar sobre sus contrapartes de CC, una posición en la que han permanecido dominantes desde entonces. [64]
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. [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 había enviado el 16 de septiembre de 1884. [65] Esta primera unidad se había fabricado con las siguientes especificaciones: 1400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, relación 1,67:1, monofásica, forma de carcasa. [65] En sus solicitudes de patente conjuntas de 1885 para transformadores novedosos (posteriormente llamados transformadores ZBD), describieron dos diseños con circuitos magnéticos cerrados donde los devanados de cobre se enrollaban alrededor de un núcleo de anillo de alambre de hierro o estaban 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 viajaba casi en su totalidad dentro de los confines 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. [67] Las patentes de ZBD incluyeron 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 vueltas de modo que el voltaje de la red de suministro pudiera ser mucho más alto (inicialmente 1.400 a 2.000 V) que el voltaje de las cargas de utilización (100 V inicialmente preferidos). [68] [69] Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron técnica y económicamente factible proporcionar energía eléctrica para iluminación en hogares, empresas y espacios públicos. Bláthy había sugerido el uso de núcleos cerrados, Zipernowsky había sugerido el uso de conexiones en derivación paralela 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 que modifica la fuerza electromotriz de una corriente eléctrica [72], aunque el término ya se utilizaba 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]
Basándose en el avance de la tecnología de corriente alterna en Europa, [76] George Westinghouse fundó Westinghouse Electric en Pittsburgh, Pensilvania, el 8 de enero de 1886. [77] La nueva empresa se dedicó activamente al desarrollo de infraestructura eléctrica de corriente alterna (CA) en todo Estados Unidos. La Edison Electric Light Company tenía una opción sobre los derechos estadounidenses para los transformadores ZBD, lo que requería 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 la FME presente en el devanado secundario (ver imagen). Este diseño [80] se utilizó por primera vez comercialmente en los EE. UU. en 1886 [81], pero Westinghouse tenía la intención de mejorar el diseño de Stanley para que fuera (a diferencia del tipo ZBD) fácil y económico de producir. [80]
Westinghouse, Stanley y sus asociados desarrollaron rápidamente un núcleo más fácil de fabricar, que consistía en una pila de placas de hierro delgadas en forma de «E» aisladas por láminas delgadas de papel u otro material aislante. A continuación, se podían colocar en su lugar bobinas de cobre preenrolladas y se colocaban placas de hierro rectas para crear un circuito magnético cerrado. Westinghouse obtuvo una patente para el nuevo diseño de bajo coste en 1887. [70]
En 1889, el ingeniero nacido en Rusia 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 utilizaron transformadores de audiofrecuencia (" bobinas repetidoras ") en el desarrollo del teléfono . [84]
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