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Se llama transformador a un elemento eléctrico que permite subir o bajar la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que entra al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene de salida. Las máquinas reales tienen un mínimo porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basado en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, en general, es hecho bien de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, una aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario, según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
Funcionamiento
Funcionamiento
El funcionamiento de los transformadores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, cuya explicación matemática se resume en las ecuaciones de Maxwell.
Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario o inductor, producida esta por la corriente eléctrica que lo atraviesa, se produce la inducción de un flujo magnético en el núcleo de hierro. Según la ley de Faraday, si dicho flujo magnético es variable, aparece una fuerza electromotriz en el devanado secundario o inducido. De este modo, el circuito eléctrico primario y el circuito eléctrico secundario quedan acoplados mediante un campo magnético.
La tensión inducida en el devanado secundario depende directamente de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario y de la tensión del devanado primario. Dicha relación se denomina relación de transformación.
Componentes de un transformador
Componentes de un transformador
Núcleo
El núcleo de un transformador es la zona por la que circula el campo magnético entre los devanados primario y secundario. Dependiendo de la finalidad del transformador, puede tener varias formas y estar constituido por diferentes materiales.
Material
El núcleo está formado habitualmente por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las pérdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para reducir las corrientes de Foucault y, consiguientemente, reducir las pérdidas de energía en el núcleo.
Algunos transformadores no tienen núcleo y se les denomina transformadores sin núcleo o con núcleo de aire. Un núcleo de aire es esencialmente un núcleo sin pérdidas por histéresis o corrientes de Foucault. Sin embargo, la inductancia de dispersión es muy alta, siendo inapropiados para la transmisión de potencia. Por el contrario, tienen un ancho de banda muy alto y se emplean frecuentemente en aplicaciones de radiocomunicación. Dentro del concepto de transformadores de núcleo de aire entran también los sistemas de carga inalámbrica y las bobinas de Tesla.
La corriente de Foucault (corriente parásita también conocida como "corrientes torbellino o turbillonarias", o eddy current en inglés) es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico francés Léon Foucault en 1851. Se produce cuando un conductor está en un campo magnético variable, o cuando el conductor se mueve en un campo magnético. El cambio en el campo magnético o el movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida, dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado (ver Ley de Lenz). Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores generados.[1]
En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de este.
Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética, en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, cuando no perjudicial. A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas se pueden minimizar considerablemente.
Bobinas
Material
Las bobinas son generalmente de cobre enrollado en el núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.
Disposición
El devanado primario y secundario se suelen arrollar uno dentro del otro. La razón es reducir al máximo la inductancia de dispersión y aprovechar al máximo el núcleo magnético disponible. Entre los arrollamientos es necesario una capa aislante, puesto que ambos funcionan a tensiones diferentes. Para evitar tener espesores de capa aislante demasiado gruesos, lo más habitual es encontrar el devanado de baja tensión arrollado sobre el núcleo y el devanado de alta tensión arrollado sobre el devanado de baja tensión.
Calculos de Transformador
Calculos de Transformador
El cálculo de un transformador se puede dividir en tres fases :
1-Eleccion del núcleo a usar
2-nº de espiras de cada bobinado
3-calibre o sección del alambre de cada bobinado
ELECCION DEL NUCLEO
La elección adecuada de nuestro transformador depende únicamente de un sólo parámetro: La potencia que consume el equipo que alimentaremos con dicho transformador. Este es el único dato que necesitamos para dimensionar correctamente el núcleo necesario.
Haremos un ejemplo con el cálculo de un transformador.
POTENCIA DEL TRANSFORMADOR
Supongamos que alimentaremos un equipo que necesite 24 volts y 5 Amperios de corriente. Con estos datos podemos calcular la potencia de nuestro transformador.
La Potencia que provee un transformador no es otra cosa que el producto de su tensión de salida y su corriente, en este caso, 24V y 5A.
Reemplazando:
P= VxI =24V x 5A = 120 Watts
Eso quiere decir que el transformador a realizar deberá proveer 120 Watts.
SECCION DEL NUCLEO
La sección del núcleo se elige conociendo la potencia continua máxima que se le exigirá, en nuestro caso 120 W. La fórmula que emplearemos para conocer el área del núcleo necesaria es la siguiente:
S= AxB = 3,8cm x 4cm = 15,2cm
Esto tiene razón de ser, ya que la potencia que hemos calculado es la real, RMS, pero para poder obtener esa cifra efectiva de potencia nuestro núcleo tiene que poder proveer una potencia pico, la cual se calcula como la potencia RMS por raíz de dos (1,41421356).
Entonces, la sección del núcleo necesaria la calculamos como la raíz cuadrada de la potencia pico del transformador. El resultado obtenido es la sección mínima necesaria para conseguir la potencia buscada.
Aplicando la fórmula tenemos que el área buscada es de 13.03cm2, esta se calcula como el producto entre la altura y el ancho de las chapas E del núcleo. Deberemos buscar un núcleo que se adapte a nuestras necesidades. En este caso podremos usar un núcleo de 3.8cm x 4cm.
es un núcleo ligeramente más grande, pero es el tamaño comercial que mejor se ajusta.
Para conocer la potencia REAL que puede proveer un transformador conociendo el área de su núcleo, basta con elevar al cuadrado el área y luego dividirlo por raiz de dos.
Nuestro núcleo puede proveernos un máximo de 163,37W.
NUMERO DE ESPIRAS DE CADA BOBINADO
Ya sabemos el núcleo que utilizaremos, ahora toca calcular cuántas vueltas va a tener cada uno de los bobinados de nuestro transformador.
Para el bobinado primario será:
N1: Número de espiras del bobinado primario
N2: Número de espiras del bobinado secundario
V1: Voltaje bobinado primario (Volts)
V2: Voltaje bobinado secundario (volts)
F: Frecuencia de la red eléctrica (Hertz)
S: Sección del núcleo (Cm2)
B: Inducción magnética del núcleo (Gauss)
4,44: Constante. Factor de forma de una onda senoidal
10^-8: Constante. Las variables quedan en el sistema MKS (Metro, Kilómetro, Segundo)
Para los países con 220V en la tensión de red eléctrica corresponde una frecuencia de 50 Hertz. Por el contrario, para aquellos países que tienen 110V en la red, la frecuencia es de 60 Hertz.
La inducción en Gauss es una indicación del flujo magnético por centímetro cuadrado en el núcleo. Este valor puede variar entre 8000 y 14000. Si no se conoce a ciencia cierta la inductancia de las chapas a utilizar, recomiendo adoptar un valor de 10000Gspara los cálculos. Si usamos un valor muy alto el núcleo puede saturarse, absorbiendo la energia de forma indebida, generando una pérdida en el rendimiento cuando aumente la demanda de corriente. Por otra parte, un valor de inductancia muy bajo puede dar por resultado un transformador muy voluminoso.
Volviendo a nuestra fórmula, adoptaremos un valor de 10000Gs de inductancia, una tension en el primario de 220V y una frecuencia de 50Hz. Ya tenemos todos los datos necesarios para calcular las vueltas de nuestros bobinados.
CALCULO DEL CALIBRE DEL ALAMBRE DE LOS BOBINADOS
El grosor de los alambres usados depende directamente de la corriente que lo recorre. Esta corriente podemos calcularla fácilmente con la potencia y la tensión del bobinado(en caso de que no tengamos el dato).
El alambre de cobre admite una densidad máxima de corriente dada su resistividad. De ser superado este valor corremos el riesgo de sobrecalentar el conductor, lo cual terminaría por quemarlo.
La densidad máxima de corriente admitida depende de la potencia a manejar. Podemos usar la siguiente tabla como referencia.
Como nuestro transformador es de 120W, le corresponde una densidad de 3 A/mm2 .
Para conocer la sección de los alambres a utilizar vamos a valernos de la siguiente fórmula:
Donde:
S= Sección del alambre (mm2)
I= Intensidad de corriente (Amperios)
D= Densidad de corriente (ver tabla) (Amper/mm2)
Para aplicar la fórmula al bobinado primario primero deberemos hallar la corriente. La podemos deducir fácilmente, ya que conocemos tanto el voltaje como la potencia.
si P= VxI entonces I=P/V
I = 120W/220v
I = 0,54 A
Ahora ya podemos hallar la sección del alambre para el bobinado primario..!
También deberemos hallar el calibre de alambre del bobinado secundario (Recordemos que es de 24V 5A):
SECCIÓN NORMALIZADA TRANSVERSAL DEL CONDUCTOR PARA CADA BOBINADO
Es muy probable que la sección que hayamos calculado no sea un calibre comercial, por eso, ayudándose de esta tabla que me he tomado el trabajo de transcribir, podrán buscar el alambre que más se acerque a la sección que han calculado. Si el valor no está en la tabla, elijan el siguiente hacia arriba.
En este caso, para el bobinado primario nos serviría un AWG 24, que es de 0.20mm2 y soporta 0,58A de corriente. Para el devanado secundario un AWG 14 sería el que mejor se adapta, el cual soporta 6A y es de 2,08mm2
RESUMIENDO
BOBINADO PRIMARIO
220V 0,54A
653 Vueltas de un alambre #24
BOBINADO SECUNDARIO
24V 5A
72 Vueltas de un alambre #14
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