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Transformadores

1.1. Introducción.

Es un dispositivo que se encarga de "transformar" la tensión de corriente

alterna que tiene a la entrada en otra diferente a la salida.

Este dispositivo se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han

arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de

vueltas se llaman bobinas y se denominarán: "primario" a la que recibe la

tensión de entrada y "secundario" a aquella que dona la tensión transformada.

La bobina "primaria"

recibe una tensión

alterna que hará circular,

por ella, una corriente

alterna. Esta corriente

inducirá un flujo

magnético en el núcleo

de hierro. Como el

bobinado "secundario" está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo

magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético

que atraviesa las espiras del "secundario" se generará por el alambre del

secundario una tensión. Habría corriente si hubiera una carga (si el secundario

estuviera conectado a una resistencia, por ejemplo). La razón de la

transformación de tensión entre el bobinado "PRIMARIO" y el "SECUNDARIO"

depende del número de vueltas que tenga cada uno.

La relación de transformación es de la forma

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,

donde N , N son el número de espiras y T y T son las tensiones del primario

y del secundario respectivamente.

Entonces:  

Un transformador puede ser elevador o reductor, dependiendo del número de

espiras de cada bobinado.

Si se supone que el transformador es ideal (la potencia que se le entrega es

igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras),

entonces:

Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps).

Pi = Ps

Si tenemos los datos de intensidad y tensión de un dispositivo, se puede

averiguar su potencia usando la siguiente fórmula.

Potencia (P) = Tensión (V) x Intensidad (I)

P = V x I (W)

Aplicamos este concepto al transformador y deducimos que la única manera de

mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando la tensión se

eleve la intensidad disminuya en la misma proporción y viceversa. Entonces:

Así, para conocer la corriente en el secundario cuando tengo la corriente Ip

(intensidad en el primario), Np (espiras en el primario) y Ns (espiras en el

secundario) se utiliza siguiente fórmula:

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1.2. Constitución y clasificación.

Durante el transporte de la energía eléctrica se originan pérdidas que

dependen de su intensidad. Para reducir estas pérdidas se utilizan tensiones

elevadas, con las que, para la misma potencia, resultan menores intensidades.

Por otra parte es necesario que en el lugar donde se aplica la energía eléctrica,

la distribución se efectúe a tensiones más bajas y además se adapten las

tensiones de distribución a los diversos casos de aplicación.

La ventaja que tiene la corriente alterna frente a la continua radica en que la

corriente alterna se puede transformar con facilidad. La utilización de corriente

continua queda limitada a ciertas aplicaciones, por ejemplo, para la regulación

de motores. Sin embargo, la corriente continua adquiere en los últimos tiempos

una significación creciente, por ejemplo para el transporte de energía a

tensiones muy altas.

Para transportar energía eléctrica de sistemas que trabajan a una tensión dada

a sistemas que lo hacen a una tensión deseada se utilizan los transformadores.

A este proceso de cambio de tensión se le "llama transformación".

El transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de un cierto

nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, por medio de la

acción de un campo magnético. Esta constituido por dos o más bobinas de

alambre, aisladas entre si eléctricamente por lo general y arrolladas alrededor

de un mismo núcleo de material ferromagnético. El arrollamiento que recibe la

energía eléctrica se denomina arrollamiento de entrada, con independencia si

se trata del mayor (alta tensión) o menor tensión (baja tensión). El arrollamiento

del que se toma la energía eléctrica a la tensión transformada se denomina

arrollamiento de salida. En concordancia con ello, los lados del transformador

se denominan lado de entrada y lado de salida.

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El arrollamiento de entrada y el de salida envuelven la misma columna del

núcleo de hierro. El núcleo se construye de hierro por que tiene una gran

permeabilidad, o sea, conduce muy bien el flujo magnético.

En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales:

a. Desde el punto de vista eléctrico –y esta es su misión principal-

es la vía por que discurre el flujo magnético. A través de las

partes de la culata conduce el flujo magnético siguiendo un

circuito prescrito, de una columna a otra.

b. Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los

arrollamientos que en él se apoyan.

Para generar el flujo magnético, es decir, para magnetizar el núcleo de hierro

hay que gastar energía eléctrica. Dicha energía eléctrica se toma del

arrollamiento de entrada.

El constante cambio de magnetización del núcleo de hierro origina pérdidas.

Estas pérdidas pueden minimizarse eligiendo tipos de chapa con un bajo

coeficiente de pérdidas.

Además, como el campo magnético varía respecto al tiempo, en el hierro se

originan tensiones que dan origen a corrientes parásitas, también llamadas de

Foucault. Estas corrientes, asociadas a la resistencia óhmica del hierro,

motivan pérdidas que pueden reducirse empleando chapas especialmente finas

aisladas entre sí (apiladas). En cambio, en un núcleo de hierro macizo se

producirían pérdidas por corrientes parásitas excesivamente grandes que

motivarían altas temperaturas.

El flujo magnético, periódicamente variable en el tiempo, originado por la

corriente que pasa a través del arrollamiento de entrada induce en el

arrollamiento de salida una tensión que varía con la misma frecuencia.

Su magnitud depende de la intensidad y de la frecuencia del flujo así como del

número de vueltas que tenga el arrollamiento de salida.

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1.3. El transformador ideal.

Un transformador ideal es una

máquina sin pérdidas, con una

bobina de entrada y una bobina

de salida. Las relaciones entre

las tensiones de entrada y de

salida, y entre la intensidad de

entrada y de salida, se establece

mediante dos ecuaciones

sencillas. La figura muestra un

transformador ideal.

El transformador tiene NP espiras de alambre sobre su lado primario y NS de

espiras de alambre en su lado secundario. La relación entre la tensión VP (t)

aplicada al lado primario del transformador y la tensión VS(t) inducido sobre su

lado secundario es

VP(t) / VS(t) = NP / NS = a

En donde a se define como la relación de espiras del transformador.

La relación entre la corriente ip(t) que fluye en el lado primario del

transformador y la corriente is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del

transformador es

NP * iP(t) = NS * iS(t)

iP(t) / iS(t) = 1 / a

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