Transformadores

Transformador

El transformador es una de las más importantes aplicaciones técnicas de la inducción. Se puede encontrar en todos los tamaños, como transformador de alta tensión, en la transmisión de energía, o como transformador de baja tensión, prácticamente, en todos los aparatos que se alimentan con la tensión de la red.

Los transformadores sólo se pueden operar básicamente con corriente alterna. Entre las funciones que cumplen se encuentran:

Transmisión de energía

Un transformador puede transportar energía, con pocas pérdidas, de un nivel de tensión a otro.

Adaptación de tensión

Un transformador convierte tensiones, es decir, transforma tensiones en otras mayores o menores.

Separación segura de la tensión de la red

Con frecuencia, la función principal de un transformador consiste en la separación de circuitos eléctricos. Por ejemplo, dado que la tensión de 230 V es peligrosa, la mayoría de los transformadores para equipos vienen diseñados como transformadores de separación, con dos devanados separados, que producen un aislamiento galvánico entre el lado "peligroso" y el "no peligroso".

También existen los llamados autotransformadores que, a diferencia de los transformadores de separación, sólo poseen un devanado y no producen ningún aislamiento.

Principio del transformador

Por lo general, los transformadores constan de devanados acoplados magnéticamente.

Se diferencia entre el devanado primario, es decir, el que consume potencia eléctrica, y el devanado secundario, es decir, el que entrega potencia eléctrica. Igualmente, de modo análogo se habla de

• Tensión primaria u1 y secundaria u2

• Corriente primaria1 y secundaria i2

• Número de espiras del devanado primario n1 y del secundario n2

Los transformadores tienen diversas formas. En los pequeños transformadores monofásicos, como el que se muestra en el ejemplo, ambos devanados se encuentran arrollados en un sólo lado del núcleo de hierro. Con esto se logra que el flujo magnético generado por una bobina se transmita casi por completo a la otra bobina. Las líneas de campo se encuentran prácticamente dentro del núcleo, la dispersión es mínima y el circuito magnético se cierra a través de los otros lados exteriores .

Si por el devanado primario circula una corriente, debido a la variación del flujo magnético en el tiempo, en el devanado secundario se inducirá una tensión. La relación entre las dos tensiones corresponderá a la existente entre el número de espiras de los devanados. Las corrientes, al contrario, tienen una relación inversamente proporcional a la de los devanados:

Comportamiento

El transformador no se puede considerar de ningún modo como un componente ideal, carente de dispersión y pérdidas. En la práctica se determinan pérdidas que se manifiestan en el calentamiento del transformador. Las causas de esto son:

• Pérdidas en los devanados debidas a la resistencia del alambre de cobre

• Pérdidas en el hierro debidas a corrientes parásitas y pérdidas por histéresis, causadas por la inversión magnética del hierro

Para reducir estas pérdidas, el núcleo del transformador se construye de capas de chapas individuales, aisladas entre sí.

Esto evita considerablemente la formación de corrientes parásitas. La chapa del transformador se construye de material magnético suave, con una curva de histéresis angosta.

Las pérdidas resistivas son la causa especial de que la tensión secundaria del transformador con carga no permanezca constante, sino que descienda. Este fenómeno se aprecia más en los transformadores pequeños, que poseen devanados de alambre de cobre delgado.

Transformador sin núcleo y con núcleo

Se estudiará la transmisión de energía en un transformador con y sin núcleo de hierro y se conocerá el efecto importante que tiene dicho componente.

Monte el siguiente arreglo experimental.

Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen del instrumento.

Realice los siguientes ajustes:

• Forma de la curva SINUS

• Frecuencia en 500Hz

• Amplitud 1:1 y 100%

Active el botón POWER y observe la luminosidad de la lámpara.

Apague de nuevo el botón POWER del generador de funciones.

Pulse a continuación STEP2, en la animación, y complemente el transformador, como se indica, con el núcleo de hierro.

Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lámpara.

¿Cómo se comporta la lámpara en el devanado secundario de un transformador con y sin núcleo?

Con el núcleo, la lámpara no se enciende.

Con el núcleo, la lámpara se enciende.

Sin el núcleo, la lámpara se enciende más claramente.

¡Correcto!

¿En el transformador, qué influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión de energía?

El núcleo de hierro hace que el transformador sea más pesado y más estable.

El núcleo de hierro procura un buen acoplamiento magnético entre el devanado primario y el secundario.

La mayor parte de las líneas del campo magnético pasan por el interior del núcleo de hierro.

Gracias al núcleo de hierro, el flujo magnético generado por el devanado primario se conduce a través del secundario.

El núcleo de hierro protege los devanados contra daños mecánicos.

Relación de transformación

Se aplicará una tensión alterna al transformador; se medirá con el voltímetro la amplitud de las tensiones primarias y secundarias y se calculará la relación de transformación.

Monte el siguiente arreglo experimental:

Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:

• Rango: 5 V, DC

• Display digital

• Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:

• Rango: 2 V, DC

• Display digital

• Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:

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