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TRANSFORMADOR
El transformador es un dispositivo que convierte la energa
elctrica alterna de un cierto
nivel de tensin, en energa alterna de otro nivel de tensin,
basndose en el fenmeno de la
induccin electromagntica.
La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un
transformador ideal (esto es, sin
prdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las mquinas
reales presentan un pequeo
porcentaje de prdidas, dependiendo de su diseo y tamao, entre
otros factores.
Est constituido por dos o ms bobinas de material conductor,
devanadas sobre un ncleo
cerrado de material ferromagntico, pero aisladas entre s
elctricamente. La nica
conexin entre las bobinas la constituye el flujo magntico comn
que se establece en el
ncleo. El ncleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o
de lminas apiladas de
acero elctrico, aleacin apropiada para optimizar el flujo
magntico. Las bobinas o
devanados se denominan primario y secundario segn correspondan a
la entrada o salida
del sistema en cuestin, respectivamente. Tambin existen
transformadores con ms
devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario",
de menor tensin que el
secundario.
Representacin esquemtica del transformador.
Este elemento elctrico se basa en el fenmeno de la induccin
electromagntica, ya que si
aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado
primario, debido a la variacin
de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce
la induccin de un flujo
magntico variable en el ncleo de hierro.
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Este flujo originar por induccin electromagntica, la aparicin de
una fuerza
electromotriz en el devanado secundario. La tensin en el
devanado secundario depender
directamente del nmero de espiras que tengan los devanados y de
la tensin del devanado
primario.
Relacin de Transformacin
La relacin de transformacin indica el aumento o decremento que
sufre el valor de la
tensin de salida con respecto a la tensin de entrada, esto
quiere decir, la relacin entre la
tensin de salida y la de entrada.
La relacin entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la
aplicada al devanado primario y
la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el
secundario, es directamente
proporcional al nmero de espiras de los devanados primario (Np)
y secundario (Ns) ,
segn la ecuacin:
La relacin de transformacin (m) de la tensin entre el bobinado
primario y el bobinado
secundario depende de los nmeros de vueltas que tenga cada uno.
Si el nmero de vueltas
del secundario es el triple del primario, en el secundario habr
el triple de tensin.
Donde: (Vp) es la tensin en el devanado primario o tensin de
entrada, (Vs) es la tensin
en el devanado secundario o tensin de salida, (Ip) es la
corriente en el devanado primario
o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado
secundario o corriente de salida.
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Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energa
elctrica: al poder efectuar el
transporte a altas tensiones y pequeas intensidades, se
disminuyen las prdidas por el
efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.
As, si el nmero de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces
mayor que el del
primario, al aplicar una tensin alterna de 230 voltios en el
primario, se obtienen 23.000
voltios en el secundario (una relacin 100 veces superior, como
lo es la relacin de espiras).
A la relacin entre el nmero de vueltas o espiras del primario y
las del secundario se le
llama relacin de vueltas del transformador o relacin de
transformacin.
Ahora bien, como la potencia elctrica aplicada en el primario,
en caso de un transformador
ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:
El producto de la fuerza electromotriz por la intensidad
(potencia) debe ser constante, con
lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por
el primario es de 10 amperios,
la del secundario ser de solo 0,1 amperios (una centsima
parte).
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Principio de funcionamiento
Transformador monofsico ideal
Corriente de Inrush
La corriente de Inrush o corriente transitoria de magnetizacin
es una corriente varias veces
la corriente nominal que se produce al momento de conectar el
transformador a la red.
Puede ser de 10 veces la corriente nominal hasta 100 veces en
casos raros.
ransformador trifsico
Existen muchos tipos de transformadores, de entre los cuales el
transformador trifsico
tiene una importancia indudable. Este tipo de transformador se
ocupa tanto en generacin
cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensin de
estos. As como tambin en
transmisin por lneas de transmisin y en distribucin en donde se
transporta la energa
elctrica a voltaje menores hacia casas , comercio e industria.
Todos los transformadores
desde la generadora hasta la entrada de nuestros hogares o
industrias son transformadores
trifsicos.
Un transformador trifsico consta de tres fases desplazadas en
120 grados, en sistemas
equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo
positivo y negativo por el
que circula una corriente alterna. No es necesario decir que un
transformador no funciona
con corriente continua, puesto que para que exista un voltaje V
debe haber una variacin
del flujo. V = N d/dt donde N es el nmero de espiras del lado de
alta o baja tensin del
transformador. El trmino d/dt es una derivada del flujo, o en
trminos simples la
variacin del flujo magntico. Faraday demostr en el siglo XVIII
que si se acerca un imn
a una bobina moviendo el imn o la bobina se induce una corriente
y produce un voltaje los
cuales pueden hacer trabajo como encender una bombilla. A modo
de curiosidad, en
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Internet existen varios dispositivos, denominados free energy,
algunos de los cuales son
falsos. Uno de ellos usa un imn permanente de neodimio fijo o
esttico sujeto a una bobina
tambin fija, supuestamente al conectar una pequea ampolleta esta
dara luz. Esto es
claramente un engao pues no es posible generar corriente con un
flujo magntico
constante, de hecho el voltaje es 0 en esta situacin. El autor
sin embargo ocupa otra bobina
debajo de la mesa oculta a la cmara, creando un transformador
sencillo monofsico
(formado por dos bobinas, una oculta y otra visible) en el cual
en la primera bobina oculta
induce una corriente sinusoidad la cual genera un flujo variable
que induce una corriente y
enciende la bombilla.
Partes
El ncleo
El ncleo est formado por varias chapas u hojas de metal
(generalmente material
ferromagntico) que estn apiladas una junto a la otra, sin
soldar, similar a las hojas de un
libro. La funcin del ncleo es mantener el flujo magntico
confinado dentro de l y evitar
que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el ncleo
y reduciendo la eficiencia.
La configuracin por laminas del ncleo laminado se realiza para
evitar las corrientes de
Foucault, que son corrientes que circulan entre laminas,
indeseadas pues favorecen las
perdidas.
Bobinas
Las bobinas son simplemente alambre generalmente de cobre
enrollado en las piernas del
ncleo. Segn el nmero de espiras (vueltas) alrededor de una
pierna inducir un voltaje
mayor. Se juega entonces con el nmero de vueltas en el primario
versus las del secundario.
En un transformador trifsico el nmero de vueltas del primario y
secundario debera ser
igual para todas las fases.
Cambiador de taps
El cambiador de taps o derivaciones es un dispositivo
generalmente mecnico que puede
ser girado manualmente para cambiar la razn de transformacin en
un transformador,
tpicamente, son 5 pasos uno de ellos es neutral, los otros
alteran la razn en ms o menos
el 5%. Por ejemplo esto ayuda a subir el voltaje en el
secundario para mejorar un voltaje
muy bajo en alguna barra del sistema
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Rel de sobrepresin
Es un dispositivo mecnico nivela aumento de presin del
transformador que pueden
hacerlo explotar. Sin embargo existen varios equipos que
explotan a pesar de tener este
dispositivo. Existen el rel de presin sbita para presiones
transitorias y el rel de
sobrepresin para presiones ms permanentes.
Tablero de control
Contiene las conexiones elctricas para el control, rels de
proteccin elctrica, seales de
control de vlvulas de sobrepresin hacia dispositivos de
proteccin.
Configuraciones
Las bobinas pueden ser conectadas de forma diferente en delta,
estrella, o T. Se pueden
hacer transformadores trifsicos de tres formas distintas:
1. Conectando tres transformadores monofsicos
2. Ncleo tipo acorazado
3. Transformador tipo ncleo.
Clases de ventilacin
Hay diferentes tipos de ventilacin en un transformador La
ventilacin puede ser por:
Conveccin natural (N).
Ventilacin forzada (F).
El refrigerante al interior del estante del transformador es de
varios tipos:
Aceite (O del ingls Oil).
Agua (W, del ingls Water).
Gas (G).
La nomenclatura que designa la ventilacin es del tipo XXYY,
donde XX indica el tipo de
ventilacin, y el YY el refrigerante usado. Segn esto
existen:
ONAN
ONAF
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ONWF
OFAF
Tipos de transformadores
SEGN SUS APLICACIONES
Transformador elevador/reductor de tensin
Son empleados por empresas de generacin elctrica en las
subestaciones de la red de
transporte de energa elctrica, con el fin de disminuir las
prdidas por efecto Joule. Debido
a la resistencia de los conductores, conviene transportar la
energa elctrica a tensiones
elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente
dichas tensiones para
adaptarlas a las de utilizacin. La mayora de los dispositivos
electrnicos en hogares hacen
uso de transformadores reductores conectados a un circuito
rectificador de onda completa
para producir el nivel de tensin de corriente directa que
necesitan. Este es el caso de las
fuentes de poder de equipos de audio, video y computacin.
Transformadores variables
Tambin llamados "Variacs", toman una lnea de tensin fija (en la
entrada) y proveen de
tensin de salida variable ajustable, dentro de dos valores.
Transformador de aislamiento
Proporciona aislamiento galvnico entre el primario y el
secundario, de manera que
consigue una alimentacin o seal "flotante". Suele tener una
relacin 1:1 entre las
tensiones del primario y secundario. Se utiliza principalmente
como medida de proteccin,
en equipos que trabajan directamente con la tensin de red y
tambin para acoplar seales
procedentes de sensores lejanos, en equipos de electromedicina y
donde se necesitan
tensiones flotantes.
Transformador de alimentacin
Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las
tensiones necesarias para
el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que
corta su circuito primario
cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva,
evitando que ste se queme, con
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la emisin de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio.
Estos fusibles no suelen ser
reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el
transformador.
Transformador trifsico. Conexin estrella-tringulo.
Transformador trifsico
Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario.
Pueden adoptar forma de
estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -tringulo- () y
las combinaciones entre ellas:
-, -Y, Y- y Y-Y. Hay que tener en cuenta que an con relaciones
1:1, al pasar de a
Y o viceversa, las tensiones de fase varan.
Transformador de pulsos
Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rpida
(baja autoinduccin)
destinado a funcionar en rgimen de pulsos. Su principal
aplicacin es transferir impulsos
de mando sobre elementos de control de potencia como SCR,
triacs, etc. logrando un
aislamiento galvnico entre las etapas de mando y potencia.
Transformador de lnea o Flyback
Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en
los televisores con TRC
(CRT) para generar la alta tensin y la corriente para las
bobinas de deflexin horizontal.
Suelen ser pequeos y econmicos. Adems suele proporcionar otras
tensiones para el tubo
(foco, filamento, etc.). Adems de poseer una respuesta en
frecuencia ms alta que muchos
transformadores, tiene la caracterstica de mantener diferentes
niveles de potencia de salida
debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados
secundarios.
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Transformador diferencial de variacin lineal
El transformador diferencial de variacin lineal (LVDT segn sus
siglas en ingls) es un
tipo de transformador elctrico utilizado para medir
desplazamientos lineales. El
transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo
alrededor de un tubo. La
bobina central es el devanado primario y las externas son los
secundarios. Un centro
ferromagntico de forma cilndrica, sujeto al objeto cuya posicin
desea ser medida, se
desliza con respecto al eje del tubo.
Los LVDT son usados para la realimentacin de posicin en
servomecanismos y para la
medicin automtica en herramientas y muchos otros usos
industriales y cientficos.
Transformador con diodo dividido
Es un tipo de transformador de lnea que incorpora el diodo
rectificador para proporcionar
la tensin continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo
dividido porque est
formado por varios diodos ms pequeos repartidos por el bobinado
y conectados en serie,
de modo que cada diodo slo tiene que soportar una tensin inversa
relativamente baja. La
salida del transformador va directamente al nodo del tubo, sin
diodo ni triplicador.
Transformador de impedancia
Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y
lneas de transmisin (tarjetas
de red, telfonos, etc.) y era imprescindible en los
amplificadores de vlvulas para adaptar
la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.
Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y
llamamos n a Ns/Np, como Is=-
Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario ser Ep/Ip
= -Es/nIs = Z/n.
As, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en
otra de Z/n. Colocando
el transformador al revs, lo que hacemos es elevar la impedancia
en un factor n.
Estabilizador de tensin
Es un tipo especial de transformador en el que el ncleo se
satura cuando la tensin en el
primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de
tensin en el secundario
quedan limitadas. Tena una labor de proteccin de los equipos
frente a fluctuaciones de la
red. Este tipo de transformador ha cado en desuso con el
desarrollo de los reguladores de
tensin electrnicos, debido a su volumen, peso, precio y baja
eficiencia energtica.
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Transformador hbrido o bobina hbrida
Es un transformador que funciona como una hbrida. De aplicacin
en los telfonos, tarjetas
de red, etc.
Balun
Es muy utilizado como balun para transformar lneas equilibradas
en no equilibradas y
viceversa. La lnea se equilibra conectando a masa la toma
intermedia del secundario del
transformador.
Transformador electrnico
Est compuesto por un circuito electrnico que eleva la frecuencia
de la corriente elctrica
que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir
drsticamente su tamao.
Tambin pueden formar parte de circuitos ms complejos que
mantienen la tensin de
salida en un valor prefijado sin importar la variacin en la
entrada, llamados fuente
conmutada.
Transformador de frecuencia variable
Son pequeos transformadores de ncleo de hierro, que funcionan en
la banda de
audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de
acoplamiento en circuitos
electrnicos para comunicaciones, medidas y control.
Transformadores de medida
Entre los transformadores con fines especiales, los ms
importantes son los transformadores
de medida para instalar instrumentos, contadores y rels
protectores en circuitos de alta
tensin o de elevada corriente. Los transformadores de medida
aslan los circuitos de
medida o de rels, permitiendo una mayor normalizacin en la
construccin de contadores,
instrumentos y rels.
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SEGN SU CONSTRUCCIN
Autotransformador
El primario y el secundario del transformador estn conectados en
serie, constituyendo un
bobinado nico. Pesa menos y es ms barato que un transformador y
por ello se emplea
habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en
otras aplicaciones similares.
Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvnico
entre el primario y el
secundario.
Transformador con ncleo toroidal o envolvente
El ncleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos
artificiales de ferrita, sobre el
que se bobinan el primario y el secundario. Son ms voluminosos,
pero el flujo magntico
queda confinado en el ncleo, teniendo flujos de dispersin muy
reducidos y bajas prdidas
por corrientes de Foucault.
Transformador de grano orientado
El ncleo est formado por una chapa de hierro de grano orientado,
enrollada sobre s
misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las lminas de
hierro dulce separadas
habituales. Presenta prdidas muy reducidas pero es caro. La
chapa de hierro de grano
orientado puede ser tambin utilizada en transformadores
orientados (chapa en E),
reduciendo sus prdidas.
Transformador de ncleo de aire
En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un
carrete sin ncleo o con
un pequeo cilindro de ferrita que se introduce ms o menos en el
carrete, para ajustar su
inductancia.
Transformador de ncleo envolvente
Estn provistos de ncleos de ferrita divididos en dos mitades
que, como una concha,
envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersin.
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Transformador piezoelctrico
Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado
transformadores que no estn
basados en el flujo magntico para transportar la energa entre el
primario y el secundario,
sino que se emplean vibraciones mecnicas en un cristal
piezoelctrico. Tienen la ventaja
de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se
usan en algunos
convertidores de tensin para alimentar las lmparas fluorescentes
de los monitores de LED
y TFT usados en computacin y en televisin.
