Transformador

Electrical device that transfers energy through electromagnetic induction from one circuit to another circuit. It may be used to step up or step down the voltage.

Este artículo trata sobre el dispositivo eléctrico. Para la franquicia de juguetes y medios, consulte Transformers . Para otros usos, consulte Transformador (desambiguación) .

Polo montado transformador de distribución con toma central devanado secundario utilizado para proporcionar " de fase dividida de potencia" para el servicio residencial y comercial, que en Norteamérica es típicamente una clasificación de 120/240 V. ^[1]

Un transformador es un dispositivo eléctrico pasivo que transfiere energía eléctrica de un circuito eléctrico a otro, o 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 variable a través de 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 más comúnmente para aumentar los voltajes de CA bajos a alta corriente (un transformador elevador) o disminuir los voltajes de CA altos a baja corriente (un transformador reductor) en aplicaciones de energía eléctrica y para acoplar las etapas de los circuitos de procesamiento de señales. . Los transformadores también se pueden usar para aislamiento, donde el voltaje de entrada es igual al voltaje de salida, con bobinas separadas no unidas eléctricamente entre sí.

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. ^[2] 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 que se utilizan para interconectar la red eléctrica .

Principios

Ecuaciones de transformadores ideales

Según la ley de inducción de Faraday:

${\displaystyle V_{\text{P}}=-N_{\text{P}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$. . . (ecuación 1) ^{[a] [3]}

${\displaystyle V_{\text{S}}=-N_{\text{S}}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}}$. . . (ecuación 2)

Donde es el voltaje instantáneo , es el número de vueltas en 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.${\displaystyle V}$ ${\displaystyle N}$

Combinando la razón de la ecuación. 1 y eq. 2:

Relación de vueltas . . . (ecuación 3)${\displaystyle ={\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}=a}$

Donde para un transformador reductor a > 1, para un transformador elevador a <1, y para un transformador de aislamiento a = 1.

Por ley de conservación de la energía , las potencias aparente , real y reactiva se conservan en la entrada y en la salida:

${\displaystyle I_{\text{P}}V_{\text{P}}=I_{\text{S}}V_{\text{S}}}$. . . . (ecuación 4)

Donde es actual .${\displaystyle I}$

Combinando eq. 3 y eq. 4 con esta nota al final ^{[b] [4]} da la identidad ideal del transformador :

${\displaystyle {\frac {V_{\text{P}}}{V_{\text{S}}}}={\frac {I_{\text{S}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {N_{\text{P}}}{N_{\text{S}}}}={\sqrt {\frac {L_{\text{P}}}{L_{\text{S}}}}}=a}$. (ecuación 5)

¿Dónde está la autoinducción de bobinado?${\displaystyle L}$

Según la ley de Ohm y la identidad ideal del transformador:

${\displaystyle Z_{\text{L}}={\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}}$. . . (ecuación 6)

${\displaystyle Z'_{\text{L}}={\frac {V_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {aV_{\text{S}}}{I_{\text{S}}/a}}=a^{2}{\frac {V_{\text{S}}}{I_{\text{S}}}}=a^{2}{Z_{\text{L}}}}$. (ecuación 7)

¿Dónde está la impedancia de carga del circuito secundario y es la carga aparente o la impedancia del punto de activación del circuito primario? El superíndice indica que se refiere al primario.${\displaystyle Z_{\text{L}}}$${\displaystyle Z'_{\text{L}}}$${\displaystyle '}$

Transformador ideal

Un transformador ideal es un transformador lineal teórico sin pérdidas y perfectamente acoplado . El acoplamiento perfecto implica una permeabilidad magnética del núcleo infinitamente alta e inductancias de bobinado y una fuerza magnetomotriz neta cero (es decir, i _p n _p - i _s n _s = 0). ^{[5] [c]}

Transformador ideal conectado con la fuente V _P en el primario y la impedancia de carga Z _L en el secundario, donde 0 <Z _L <∞.

Transformador ideal y ley de inducción.

Una corriente variable en el devanado primario del transformador intenta crear 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 variable (EMF, voltaje) en el devanado secundario debido a la inducción electromagnética y la corriente secundaria así producida crea un flujo igual y opuesto al producido por el devanado primario, de acuerdo con la ley de Lenz. .

Los devanados se enrollan alrededor de un núcleo de permeabilidad magnética infinitamente alta de modo que todo el flujo magnético pasa a través del devanado 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 cancela a cero.

De acuerdo con la ley de Faraday , dado que el mismo flujo magnético pasa a través de los devanados primario y secundario en un transformador ideal, se induce un voltaje en cada devanado proporcional a su número de devanados. La relación de voltaje del devanado del transformador es directamente proporcional a la relación de vueltas del devanado. ^[7]

La identidad ideal del transformador que se muestra en la ecuación. 5 es una aproximación razonable para el transformador comercial típico, con la relación de voltaje y la relación de vueltas del devanado ambas inversamente proporcionales a la relación de corriente correspondiente.

La impedancia de carga referida al circuito primario es igual a la relación de vueltas al cuadrado por la impedancia de carga del circuito secundario. ^[8]

Transformador real

Flujo de fuga de un transformador

Desviaciones del transformador ideal

El modelo de transformador ideal ignora los siguientes aspectos lineales básicos de los transformadores reales:

(a) Pérdidas de núcleo, denominadas colectivamente pérdidas de corriente magnetizante, que consisten en ^[9]

• Pérdidas de histéresis debido a efectos magnéticos no lineales en el núcleo del transformador, y
• Pérdidas por corrientes de Foucault debidas al calentamiento joule en el núcleo que son proporcionales al cuadrado de la tensión aplicada al transformador.

(b) A diferencia del modelo ideal, los devanados de un transformador real tienen resistencias e inductancias distintas de cero asociadas con:

• Pérdidas en julios por resistencia en los devanados primario y secundario ^[9]
• Flujo de fuga que se escapa del núcleo y pasa a través de un solo devanado, lo que da como resultado una impedancia reactiva primaria y secundaria.

(c) similar a un inductor , capacitancia parásita y fenómeno de autorresonancia debido a la distribución del campo eléctrico. Por lo general, se consideran tres tipos de capacitancia parásita y se proporcionan las ecuaciones de bucle cerrado ^[10]

• Capacitancia entre espiras adyacentes en cualquier capa;
• Capacitancia entre capas adyacentes;
• Capacitancia entre el núcleo y la (s) capa (s) adyacentes al núcleo;

La inclusión de capacitancia en el modelo de transformador es complicada y rara vez se intenta; el circuito equivalente 'real' del modelo de transformador se muestra a continuación no incluye la capacidad parásita. Sin embargo, el efecto de 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 cortocircuitado.

Flujo de fuga

Artículo principal: inductancia de fuga

El modelo de transformador ideal asume que todo el flujo generado por el devanado primario enlaza todas las vueltas de cada devanado, incluido él mismo. En la práctica, algún flujo atraviesa caminos que lo llevan fuera de los devanados. ^[11] Tal 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 da como resultado que la energía se almacene y descargue alternativamente en 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 de derivación magnética en el diseño de un transformador para limitar la corriente de cortocircuito que suministrará. ^{[12] Los} transformadores con fugas pueden usarse para alimentar cargas que exhiben resistencia negativa , como arcos eléctricos , lámparas de vapor de mercurio y sodio y letreros de neón o para manejar de manera segura cargas que se cortocircuitan periódicamente, como los 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 el porcentaje de impedancia ^[d] y la relación reactancia-resistencia ( X / R ) de fuga del devanado asociada de dos transformadores fueran iguales, los transformadores compartirían la potencia de carga en proporción a sus respectivos valores 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]

Circuito equivalente

Ver también: circuito equivalente de Steinmetz

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. ^[dieciséis]

Las pérdidas en julios de los devanados y las reactancias de fuga están representadas por las siguientes impedancias de bucle en serie del modelo:

• Bobinado primario: R _P , X _P
• El devanado secundario: R _S , X _S .

En el curso normal de la transformación de equivalencia de circuito, R _S y X _S se refieren en la práctica al lado primario multiplicando estas impedancias por la relación de vueltas al cuadrado, ( N _P / N _S )  ²  = a ² .

Circuito equivalente de transformador real

La pérdida y la reactancia del núcleo están representadas por las siguientes impedancias de la rama de derivación del modelo:

• Pérdidas de núcleo o hierro: R _C
• Reactancia de magnetización: X _M .

R _C y X _M se denominan colectivamente la rama magnetizante del modelo.

Las pérdidas del núcleo son causadas principalmente por la histéresis y los efectos de las corrientes parásitas en el núcleo y son proporcionales al cuadrado del flujo del núcleo para el funcionamiento a una frecuencia determinada. ^{[9] : 142-143} El núcleo de permeabilidad finita requiere una corriente de magnetización I _M para mantener el flujo mutuo en el núcleo. La corriente de magnetización está en fase con el flujo, la relación entre los dos no es 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 sinusoidalsuministro, el flujo del núcleo se retrasa el EMF inducido en 90 °. Con el devanado secundario en circuito abierto, la corriente de derivación de magnetización I ₀ es igual a la corriente sin carga del transformador. ^[dieciséis]

Transformador de instrumentos, con punto de polaridad y marcas X1 en el terminal del lado de BT

El modelo resultante, aunque a veces se denomina circuito equivalente "exacto" basado en supuestos de linealidad , conserva una serie de aproximaciones. ^{[16] El} análisis se puede simplificar asumiendo que la impedancia de la rama de magnetización es relativamente alta y reubicando la rama a la izquierda de las impedancias primarias. Esto introduce error pero permite la combinación de resistencias y reactancias primarias y secundarias referidas por simple suma como dos impedancias en serie.

Transformador de impedancia de circuito equivalente y los parámetros de relación de transformación se pueden derivar de las siguientes pruebas: la prueba de circuito abierto , la prueba de cortocircuito , sinuosas prueba de resistencia, y el transformador de prueba ratio.

Ecuación del transformador EMF

Si el flujo en el núcleo es puramente sinusoidal , la relación para cualquiera de los devanados entre su voltaje rms E _rms del devanado y la frecuencia de suministro f , número de vueltas N , área de la sección transversal del núcleo a en m ² y densidad de flujo magnético pico El _pico B en Wb / m ² o T (tesla) viene dado por la ecuación universal EMF: ^[9]

${\displaystyle E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNaB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNaB_{\text{peak}}}$

Polaridad

Una convención de puntos se usa a menudo en diagramas de circuitos de transformadores, placas de identificación o marcas de terminales para definir la polaridad relativa de los devanados del transformador. La corriente instantánea que aumenta positivamente que ingresa al extremo "punto" del devanado primario induce un voltaje de polaridad positivo que sale del extremo "punto" del devanado secundario. Los transformadores trifásicos utilizados en los sistemas de energía eléctrica tendrán una placa de identificación que indique las relaciones de fase entre sus terminales. Esto puede ser en forma de diagrama fasorial o usando un código alfanumérico para mostrar el tipo de conexión interna (estrella o delta) para cada devanado.

Efecto de la frecuencia

La EMF de un transformador con 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 es capaz de transferir más energía 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 de la piel del conductor también aumentan con la frecuencia. Las aeronaves y los 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 de servicios públicos normales (50-60 Hz) por razones históricas relacionadas principalmente con las limitaciones de los primerosMotores eléctricos de tracción . En consecuencia, los transformadores utilizados para reducir los altos voltajes de la línea aérea eran mucho más grandes y pesados ​​para la misma potencia nominal que los requeridos para las frecuencias más altas.

Condición de sobreexcitación del transformador de potencia causada por una disminución de la frecuencia; flujo (verde), características magnéticas del núcleo de hierro (rojo) y corriente de magnetización (azul).

El funcionamiento de un transformador a su voltaje diseñado pero a una frecuencia más alta de la prevista conducirá a una corriente de magnetización reducida. A una frecuencia más baja, aumentará la corriente de magnetización. El funcionamiento de un transformador grande a una frecuencia distinta a la de diseño puede requerir la evaluación de voltajes, pérdidas y refrigeración para establecer si es práctico un funcionamiento seguro. Los transformadores pueden requerir relés de protección para proteger el transformador de sobretensiones a una frecuencia superior a la nominal.

Un ejemplo son los transformadores de tracción utilizados para el servicio de trenes de alta velocidad y unidades múltiples eléctricas que operan en regiones con diferentes estándares eléctricos. El equipo convertidor y los transformadores de tracción deben adaptarse a diferentes frecuencias de entrada y voltaje (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 cae drásticamente: un transformador físicamente pequeño puede manejar niveles de potencia que requerirían un núcleo de hierro masivo a la frecuencia de la red. El desarrollo de dispositivos semiconductores de potencia conmutada hizo viables las fuentes de alimentación conmutadas , para generar una alta frecuencia y luego cambiar el nivel de voltaje con un pequeño transformador.

Los transformadores de potencia grandes son vulnerables a fallas de aislamiento debido a voltajes transitorios con componentes de alta frecuencia, como los causados ​​por interrupciones o rayos.

Pérdidas de energía

Las pérdidas de energía del transformador están dominadas por las pérdidas de bobinado y núcleo. ^[18] La eficiencia de los transformadores tiende a mejorar al aumentar la capacidad del transformador. La eficiencia de los transformadores de distribución típicos está entre el 98 y el 99 por ciento. ^{[19] [20]}

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 por corrientes parásitas son constantes en todos los niveles de carga y dominan 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 reducir las pérdidas 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. ^[21]

Las pérdidas del transformador surgen de:

Pérdidas de julios de bobinado

La corriente que fluye a través del conductor de un devanado provoca un calentamiento en julios debido a la resistencia del cable. A medida que aumenta la frecuencia, el efecto piel y el efecto de proximidad hacen que la resistencia del devanado y, por lo tanto, aumenten las pérdidas.

Pérdidas de núcleo

Pérdidas por histéresis

Cada vez que se invierte el campo magnético, se pierde una pequeña cantidad de energía debido a la histéresis dentro del núcleo, causada por el movimiento de los dominios magnéticos dentro del acero. Según la fórmula de Steinmetz, la energía térmica debida a la histéresis viene dada por

${\displaystyle W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6},}$ y,

La pérdida por histéresis viene dada por

${\displaystyle P_{\text{h}}\approx {W}_{\text{h}}f\approx \eta {f}\beta _{\text{max}}^{1.6}}$

donde, f es la frecuencia, η es el coeficiente de histéresis y β _max es la densidad de flujo máxima, cuyo exponente empírico varía de aproximadamente 1,4 a 1,8 pero a menudo se da como 1,6 para el hierro. ^[21] Para un análisis más detallado, consulte Núcleo magnético y ecuación de Steinmetz .

Pérdidas por corrientes de Foucault

Las corrientes parásitas son inducidas en el núcleo del transformador de metal conductor por el campo magnético cambiante, y esta corriente que fluye a través de la resistencia del hierro disipa energía en forma de calor en el núcleo. La pérdida por corrientes parásitas es una función compleja del cuadrado de la frecuencia de suministro y el cuadrado inverso del espesor del material. ^{[21] Las} pérdidas por corrientes de Foucault se pueden reducir haciendo que el núcleo de una pila de laminaciones (placas delgadas) esté aislado eléctricamente entre sí, en lugar de un bloque sólido; todos los transformadores que operan a bajas frecuencias utilizan núcleos laminados o similares.

Zumbido del transformador relacionado con la magnetostricción

El flujo magnético en un material ferromagnético, como el núcleo, hace que se expanda físicamente y se contraiga ligeramente con cada ciclo del campo magnético, un efecto conocido como magnetostricción , cuya energía de fricción produce un ruido audible conocido como zumbido de red o "transformador tararear". ^[22] Este zumbido del transformador es especialmente desagradable en transformadores alimentados a frecuencias de potencia y en transformadores de retorno de alta frecuencia asociados con CRT de televisión .

Pérdidas perdidas

La inductancia de fuga es por sí misma en gran medida sin pérdidas, ya que la energía suministrada a sus campos magnéticos se devuelve al suministro con el siguiente medio ciclo. Sin embargo, cualquier flujo de fuga que intercepte materiales conductores cercanos, como la estructura de soporte del transformador, dará lugar a corrientes parásitas y se convertirá en calor. ^[23]

Radiativo

También hay pérdidas por radiación debido al campo magnético oscilante, pero suelen ser pequeñas.

Vibración mecánica y transmisión de ruido audible.

Además de la magnetoestricción, el campo magnético alterno provoca fuerzas fluctuantes entre los devanados primario y secundario. Esta energía incita la transmisión de vibraciones en la estructura metálica interconectada, amplificando así el zumbido audible del transformador. ^[24]

Construcción

Núcleos

Forma de núcleo = tipo de núcleo; forma de concha = tipo de concha

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. ^{[25] El} diseño de forma de carcasa puede ser más frecuente que el diseño de forma de núcleo para aplicaciones de transformadores de distribución debido a la relativa facilidad para apilar el núcleo alrededor de bobinas de bobinado. ^[25] El diseño de forma de núcleo tiende, como regla general, a ser más económico, y por lo tanto más frecuente, que el diseño de forma de carcasa para aplicaciones de transformadores de potencia de alto voltaje en el extremo inferior de sus rangos de voltaje y potencia nominal (menor o igual a , nominalmente, 230 kV o 75 MVA). A valores de voltaje y potencia más altos, los transformadores en forma de carcasa tienden a ser más frecuentes. ^{[25] [26][27] El} diseño de forma de carcasa tiende a ser preferido para aplicaciones de voltaje extra alto y MVA más alto porque, aunque su fabricación requiere más mano de obra, los transformadores de forma de carcasa se caracterizan por tener una relación inherentemente mejor entre kVA y peso, mejor resistencia a cortocircuitos características y mayor inmunidad a los daños causados ​​por el tránsito. ^[27]

Núcleos de acero laminado

Transformador de núcleo laminado que muestra el borde de las laminaciones en la parte superior de la foto

Laminaciones de transformador EI intercaladas que muestran espacios de aire y trayectorias de flujo

Los transformadores que se utilizan a frecuencias de potencia o de audio suelen tener núcleos hechos de acero al silicio de alta permeabilidad . ^[28] 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 de magnetización y confinar el flujo a una trayectoria que acople estrechamente los devanados. ^{[29] Los} primeros desarrolladores de transformadores pronto se dieron cuenta de que los núcleos construidos con hierro sólido producían pérdidas prohibitivas por corrientes parásitas, y sus diseños mitigaron este efecto con núcleos que consistían en haces de alambres de hierro aislados. ^[30]Los diseños posteriores construyeron el núcleo apilando capas de laminaciones de acero delgadas, un principio que se ha mantenido en uso. Cada laminado está aislado de sus vecinos por una fina capa de aislamiento no conductor. ^[31] 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 y, por lo tanto, reducen su magnitud. Las laminaciones más delgadas reducen las pérdidas, ^[28] pero son más laboriosas y caras de construir. ^[32] Las laminaciones delgadas se utilizan generalmente en transformadores de alta frecuencia, con algunas de las laminaciones de acero muy delgadas capaces de operar hasta 10 kHz.

Laminar el núcleo reduce en gran medida las pérdidas por corrientes parásitas

Un diseño común de núcleo laminado está hecho de pilas intercaladas de láminas de acero en forma de E cubiertas con piezas en forma de I , lo que lleva a su nombre de 'transformador EI'. ^[32] Tal diseño tiende a exhibir 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 en C con una correa de acero. ^[32] Tienen la ventaja de que el fundente siempre está orientado en paralelo a los granos de metal, lo que reduce la reticencia.

La remanencia de un núcleo de acero significa que retiene un campo magnético estático cuando se corta la energía. Cuando se vuelve a aplicar la energía, el campo residual provocará una alta corriente de irrupción hasta que se reduzca el efecto del magnetismo restante, generalmente después de unos pocos ciclos de la forma de onda de CA aplicada. ^{[33] Los} dispositivos de protección contra sobrecorriente, como los fusibles, deben seleccionarse para permitir que pase esta irrupción inofensiva.

En los transformadores conectados a líneas aéreas largas de transmisión de energía, las corrientes inducidas debido a las perturbaciones geomagnéticas durante las tormentas solares pueden causar la saturación del núcleo y el funcionamiento de los dispositivos de protección del transformador. ^[34]

Los transformadores de distribución pueden lograr bajas pérdidas sin carga mediante el uso de núcleos hechos con acero al silicio de baja pérdida y alta permeabilidad o aleación de metal amorfo (no cristalino) . El costo inicial más alto del material del núcleo se compensa durante la vida útil del transformador por sus pérdidas más bajas con carga ligera. ^[35]

Núcleos sólidos

Los núcleos de hierro en polvo se utilizan en circuitos como las 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 a granel . Para las frecuencias que se extienden más allá de la banda de VHF , son comunes los núcleos hechos de materiales cerámicos magnéticos no conductores llamados ferritas . ^[32] Algunos transformadores de radiofrecuencia también tienen núcleos móviles (a veces denominados "slugs") que permiten ajustar el coeficiente de acoplamiento (y el ancho de banda ) de los circuitos de radiofrecuencia sintonizados.

Núcleos toroidales

Transformador de núcleo toroidal pequeño

Los transformadores toroidales se construyen alrededor de un núcleo en forma de anillo, que, según la frecuencia de operación, está hecho de una tira larga de acero al silicio o permalloy enrollado en una bobina, hierro en polvo o ferrita . ^[36] Una construcción de tira asegura que los límites de grano estén alineados de manera óptima, mejorando la eficiencia del transformador al reducir la reticencia 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 se encuentran disponibles núcleos más costosos con secciones transversales circulares. Las bobinas primaria y secundaria a menudo se enrollan concéntricamente para cubrir toda la superficie del núcleo. Esto minimiza la longitud de cable necesaria y proporciona un apantallamiento para minimizar el campo magnético del núcleo para que no genere interferencia electromagnética .

Los transformadores toroidales son más eficientes que los tipos de EI laminados más baratos para un nivel de potencia similar. Otras ventajas en comparación con los tipos de EI incluyen un tamaño más pequeño (aproximadamente la mitad), menor peso (aproximadamente la mitad), menos zumbidos mecánicos (lo que los hace superiores en amplificadores de audio), menor campo magnético exterior (aproximadamente una décima parte), bajas pérdidas de descarga ( haciéndolos más eficientes en circuitos de reserva), montaje de un solo perno y mayor variedad de formas. Las principales desventajas son un mayor costo y una capacidad de energía limitada (consulte los parámetros de clasificación a continuación). Debido a la falta de un espacio residual en la trayectoria magnética, los transformadores toroidales también tienden a exhibir una corriente de irrupción más alta, en comparación con los tipos de EI laminados.

Los núcleos toroidales de ferrita se utilizan a frecuencias más altas, normalmente entre unas pocas decenas de kilohercios y cientos de megahercios, para reducir las pérdidas, el tamaño físico y el peso de los componentes inductivos. Un inconveniente de la construcción de transformadores toroidales es el mayor costo laboral 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 de más de unos pocos kVA son poco comunes. Se ofrecen relativamente pocos toroides con potencias superiores a 10 kVA y prácticamente ninguno superior a 25 kVA. Los transformadores de distribución pequeños pueden lograr algunos de los beneficios de un núcleo toroidal dividiéndolo y forzándolo a abrirse, luego insertando una bobina que contiene devanados primarios y secundarios. ^[37]

Núcleos de aire

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 las pérdidas debidas a la histéresis en el material del núcleo. ^[12] La inductancia de magnetización se reduce drásticamente por la falta de un núcleo magnético, lo que resulta en grandes corrientes de magnetización y pérdidas si se utiliza a bajas frecuencias. Los transformadores de núcleo de aire no son adecuados para su uso en la distribución de energía, ^[12] pero se emplean con frecuencia en aplicaciones de radiofrecuencia. ^[38] Los núcleos de aire también se utilizan para transformadores resonantes como las bobinas de Tesla, donde pueden lograr pérdidas razonablemente bajas a pesar de la baja inductancia de magnetización.

Bobinados

Los devanados suelen estar dispuestos de forma concéntrica para minimizar las fugas de flujo.

Corte la vista a través de los devanados del transformador. Leyenda:
Blanco : Aire, líquido u otro medio aislante
Espiral verde : Acero al silicio de grano orientado
Negro : Devanado primario
Rojo : Devanado secundario

El conductor eléctrico utilizado para los devanados depende de la aplicación, pero en todos los casos, las espiras individuales deben estar eléctricamente aisladas entre sí para garantizar que la corriente viaje a lo largo de cada vuelta. 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 se pueden enrollar con conductores de tiras rectangulares de cobre aislados con papel impregnado de aceite y bloques de cartón prensado . ^[39]

Los transformadores de alta frecuencia que operan en decenas a cientos de kilohercios a menudo tienen devanados hechos de alambre Litz trenzado para minimizar el efecto de piel y las pérdidas por efecto de proximidad. ^{[40] Los} grandes transformadores de potencia también utilizan conductores de múltiples hilos, ya que incluso a bajas frecuencias de potencia existiría una distribución no uniforme de la corriente en los devanados de alta corriente. ^[39]Cada hebra está aislada individualmente y las hebras están dispuestas de modo que en ciertos puntos del devanado, o en todo el devanado, cada porción ocupe 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 ayuda a la fabricación. ^[39]

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. Los grifos se pueden volver a conectar manualmente o se puede proporcionar un interruptor manual o automático para cambiar los grifos. 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 automáticos de voltaje para cargas sensibles. Los transformadores de audiofrecuencia, que se utilizan para la distribución de audio a los altavoces de megafonía, tienen tomas para permitir el ajuste de la impedancia de cada altavoz. Un transformador con toma central se usa a menudo en la etapa de salida de un amplificador de potencia de audio en uncircuito push-pull . Los transformadores de modulación en los transmisores de AM son muy similares.

Enfriamiento

Vista en corte del transformador sumergido en líquido. El conservador (depósito) en la parte superior proporciona aislamiento de líquido a atmósfera a medida que cambia el nivel del refrigerante y la temperatura. Las paredes y las aletas proporcionan la disipación de calor necesaria.

Es una regla general que la esperanza de vida del aislamiento eléctrico se reduce a la mitad por aproximadamente cada aumento de 7 ° C a 10 ° C en la temperatura de funcionamiento (un ejemplo de la aplicación de la ecuación de Arrhenius ). ^[41]

Los transformadores pequeños de tipo seco y sumergidos en líquido a menudo se autoenfrían por convección natural y disipación de calor por radiación . A medida que aumentan las clasificaciones de potencia, los transformadores a menudo se enfrían mediante enfriamiento por aire forzado, enfriamiento por aceite forzado, enfriamiento por agua o combinaciones de estos. ^[42] Los transformadores grandes se llenan con aceite de transformador que enfría y aísla los devanados. ^[43] El aceite de transformador es un aceite mineral altamente refinado que enfría los devanados y el aislamiento al circular dentro del tanque del transformador. El aceite mineral y el papelEl sistema de aislamiento 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. ^{[44] [45]} El funcionamiento prolongado a temperaturas elevadas degrada las propiedades aislantes del aislamiento del devanado y el refrigerante dieléctrico, lo que no solo acorta la vida útil del transformador sino que, en última instancia, puede provocar una falla catastrófica del mismo. ^[41] Con un gran cuerpo de estudios empíricos como guía, las pruebas de aceite de transformadores , incluido el análisis de gas disuelto, proporcionan información valiosa de mantenimiento.

Las regulaciones de construcción en muchas jurisdicciones requieren que los transformadores de interior llenos de líquido utilicen fluidos dieléctricos que sean menos inflamables que el aceite o se instalen en habitaciones resistentes al fuego. ^[19] Los transformadores secos enfriados por aire pueden ser más económicos cuando 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. ^[43] 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 la alarma o desactivar el transformador. ^[33] Las instalaciones de transformadores sumergidos en aceite generalmente incluyen medidas de protección contra incendios como paredes, contención de aceite y sistemas de rociadores de extinción de 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. ^[46] En la actualidad, se pueden usar aceites a base de silicona no tóxicos y estables o hidrocarburos fluorados cuando el costo de un líquido resistente al fuego compensa el costo adicional de construcción de una bóveda de transformador. ^{[19] [47]}

Algunos transformadores, en lugar de estar llenos de líquido, tienen sus devanados encerrados en tanques sellados, presurizados y enfriados por gas hexafluoruro de nitrógeno o azufre . ^[47]

Los transformadores de potencia experimentales en el rango de 500 a 1000 kVA se han construido con devanados superconductores refrigerados por helio o nitrógeno líquido , lo que elimina las pérdidas de los devanados sin afectar las pérdidas del núcleo. ^{[48] [49]}

Aislamiento

Transformador de subestación en prueba.

Se debe proporcionar aislamiento entre las espiras individuales de los devanados, entre los devanados, entre los devanados y el núcleo, y en los terminales del devanado.

El aislamiento entre vueltas de pequeños transformadores puede ser una capa de barniz aislante en el cable. Se puede insertar una capa de papel o películas de polímero entre las capas de devanados y entre los devanados primarios y secundarios. Un transformador puede revestirse o sumergirse en una resina polimérica para mejorar la resistencia de los devanados y protegerlos de la humedad o la corrosión. La resina se puede impregnar 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, toda la bobina se puede colocar en un molde y la resina se moldea a su alrededor como un bloque sólido, encapsulando los devanados. ^[50]

Los transformadores de potencia grandes llenos de aceite utilizan bobinas envueltas con papel aislante, que se impregna de aceite durante el montaje del transformador. Los transformadores llenos de aceite utilizan aceite mineral altamente refinado para aislar y enfriar los devanados y el núcleo. La construcción de transformadores llenos de aceite requiere que el aislamiento que cubre los devanados se seque completamente para eliminar 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 solvente 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 devanados.

Aislamiento del transformador El aislamiento en la mayoría de los transformadores de potencia consiste tanto en aceite como en celulosa (papel / cartón prensado). El aislamiento sólido se divide en estructuras de aislamiento mayores y menores. El sistema de aislamiento principal incluye barreras, espaciadores y abrazaderas, mientras que el aislamiento menor consiste en aislamiento de bobinado.

El aislamiento de transformador celulósico tiene tres funciones. Principalmente, actúa como dieléctrico al almacenar carga eléctrica cuando el transformador está energizado y, por lo tanto, aísla los componentes del transformador que existen en diferentes voltajes. También cumple una función mecánica al soportar los devanados y contribuye a una mejor salud térmica del transformador al crear conductos de refrigeración para el aceite.

Bujes

Los transformadores más grandes están provistos de bujes aislados de alto voltaje hechos de 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]

Parámetros de clasificación

Una subestación eléctrica en Melbourne , Australia , que muestra tres de cinco transformadores de 220 kV - 66 kV, cada uno con una capacidad de 150 MVA

Transformador camuflado en Langley City

Los transformadores se pueden clasificar de muchas formas, como las siguientes:

• Potencia nominal : desde una fracción de voltio-amperio (VA) hasta más de mil MVA.
• Deber de un transformador : continuo, de corta duración, intermitente, periódico, variable.
• Rango de frecuencia : de frecuencia industrial , de audiofrecuencia , o de radiofrecuencia .
• Clase de voltaje : desde unos pocos voltios hasta cientos de kilovoltios.
• Tipo de enfriamiento : seco o sumergido en líquido; auto-enfriado, enfriado por aire forzado; enfriado por aceite a la fuerza, enfriado por agua.
• Aplicación : fuente de alimentación, adaptación de impedancia, voltaje de salida y estabilizador de corriente, pulso , aislamiento de circuito, distribución de energía , rectificador , horno de arco , salida de amplificador, etc.
• Forma magnética básica : forma de núcleo, forma de concha, concéntrica, sándwich.
• Descriptor de transformador de potencial constante : Step-up, step-down, aislamiento .
• Configuración general del devanado : por grupo de vectores IEC , combinaciones de dos devanados de las designaciones de fase delta, estrella o estrella y zigzag ; autotransformador , Scott-T
• Configuración del devanado de cambio de fase del rectificador : 2 devanados, 6 pulsos; 3 devanados, 12 pulsos; . . . n-devanado, [n-1] * 6 pulsos; polígono; etc.

Aplicaciones

Transformador en la estación generadora de piedra caliza en Manitoba , Canadá

Artículo principal: tipos de transformadores

Varios diseños de aplicaciones eléctricas específicas requieren una variedad de tipos de transformadores . Aunque todos comparten los principios característicos básicos del transformador, están personalizados en cuanto a construcción o propiedades eléctricas para ciertos requisitos de instalación o condiciones del 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 de generación se ubiquen económicamente a una distancia de los consumidores eléctricos. ^[52] Todo menos una pequeña fracción de la energía eléctrica del mundo ha pasado a través de una serie de transformadores cuando llega al consumidor. ^[23]

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 a la frecuencia de la línea de alimentación o mediante una fuente de alimentación conmutada .

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 amplificadores. Los transformadores de audio permitían 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 balanceados a tierra, como entre cables externos y circuitos internos. Los transformadores de aislamiento evitan la fuga de corriente al 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.

Esquema de un transformador de potencia grande lleno de aceite 1. Tanque 2. Tapa 3. Tanque conservador 4. Indicador de nivel de aceite 5. Relé Buchholz para detectar burbujas de gas después de una falla interna 6. Tuberías 7. Cambiador de tomas 8. Motor de accionamiento para cambiador de tomas 9 Eje de accionamiento para cambiador de tomas 10. Buje de alta tensión (HV) 11. Transformadores de corriente de buje de alto voltaje 12. Buje de baja tensión (BT) 13. Transformadores de corriente de baja tensión 14. Transformador de voltaje de buje para medida 15. Núcleo 16. Yugo de el núcleo 17. Las ramas conectan los yugos y los sostienen 18. Bobinas 19. Cableado interno entre las bobinas y el cambiador de tomas 20. Válvula de liberación de aceite 21. Válvula de vacío

Historia

Descubrimiento de la inducción

El experimento de Faraday con inducción entre bobinas de alambre ^[53]

La inducción electromagnética , el principio de funcionamiento del transformador, fue descubierto de forma independiente por Michael Faraday en 1831 y Joseph Henry en 1832. ^{[54] [55] [56] [57]} Sólo Faraday avanzó en sus experimentos hasta el punto de resolver el ecuación que describe la relación entre los campos electromagnéticos y el flujo magnético, ahora conocida como ley de inducción de Faraday :

${\displaystyle |{\mathcal {E}}|=\left|{{\mathrm {d} \Phi _{\text{B}}} \over \mathrm {d} t}\right|,}$

donde es la magnitud del EMF en voltios y Φ _B es el flujo magnético a través del circuito en webers . ^[58]${\displaystyle |{\mathcal {E}}|}$

Faraday realizó los primeros experimentos de inducción entre bobinas de alambre, incluido el enrollado de un par de bobinas alrededor de un anillo de hierro, creando así el primer transformador toroidal de núcleo cerrado. ^{[57] [59]} Sin embargo, solo aplicó pulsos individuales de corriente a su transformador, y nunca descubrió la relación entre la relación de espiras y la EMF en los devanados.

Bobina de inducción, 1900, Bremerhaven, Alemania

Bobinas de inducción

Artículo principal: bobina de inducción

Transformador de anillo de Faraday

El primer tipo de transformador que tuvo un amplio uso fue la bobina de inducción , inventada por el reverendo Nicholas Callan de Maynooth College , Irlanda en 1836. ^[57] Fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de las más vueltas que tiene el devanado secundario en relación con el devanado primario, mayor será la EMF secundaria inducida. Las bobinas de inducción evolucionaron a partir de los esfuerzos de científicos e inventores para 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 vibrantesque interrumpía regularmente la corriente en el primario para crear los cambios de flujo necesarios para la inducción. Entre las décadas de 1830 y 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, principalmente por prueba y error, revelaron lentamente los principios básicos de los transformadores.

Primeros transformadores de corriente alterna

En la década de 1870, se disponía de 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 donde los devanados primarios estaban conectados a una fuente de CA. Los devanados secundarios podrían conectarse a varias 'velas eléctricas' (lámparas de arco) de su propio diseño. Las bobinas empleadas por Yablochkov funcionaron esencialmente como transformadores. ^[60]

En 1878, la fábrica de Ganz , Budapest, Hungría, comenzó a producir equipos para iluminación eléctrica y, en 1883, había instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría. Sus sistemas de CA utilizaban lámparas de arco e incandescentes, generadores y otros equipos. ^{[57] [61]}

Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs exhibieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro abierto llamado 'generador secundario' en Londres en 1882, luego vendieron la idea a la compañía Westinghouse en los Estados Unidos. ^[30] También exhibieron la invención en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptada para un sistema de iluminación eléctrica. ^[62]

Distribución de transformadores de circuito en serie temprana

Las bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos son ineficaces para transferir energía a las cargas . Hasta aproximadamente 1880, el paradigma para la transmisión de energía CA desde un suministro 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 conectaron con sus primarios en serie para permitir el uso de un alto voltaje para la transmisión mientras presentaban un voltaje bajo a las lámparas. El defecto inherente de 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 los que emplean métodos para ajustar el núcleo o eludir 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 triunfar a los sistemas de distribución de CA sobre sus contrapartes de CC, una posición en la que han permanecido dominantes siempre. ya que. ^[63]

Transformador de forma de carcasa. Boceto utilizado por Uppenborn para describir las patentes de 1885 y los primeros artículos de los ingenieros de ZBD. ^[62]

Forma de núcleo, frente; forma de concha, espalda. Las primeras muestras de transformadores de potencial constante de alta eficiencia diseñados por ZBD fabricados en la fábrica de Ganz en 1885.

El equipo de ZBD estaba formado por Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy y Miksa Déri

Diseño 1886 de Stanley para bobinas de inducción de núcleo abierto con separación ajustable

Transformadores de núcleo cerrado y distribución de energía en paralelo

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] En sus solicitudes de patente conjunta de 1885 para transformadores novedosos (más tarde llamados transformadores ZBD), describieron dos diseños con circuitos magnéticos cerrados donde los devanados de cobre estaban enrollados alrededor de un núcleo de anillo de alambre de hierro o 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". ^[64]La fábrica de Ganz también había realizado en el otoño de 1884 la entrega de los primeros cinco transformadores de CA de alta eficiencia del mundo, la primera de estas unidades se envió 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, monofásico, forma de carcasa. ^{[sesenta y cinco]}

En ambos diseños, el flujo magnético que une los devanados primario y secundario viajó casi en su totalidad dentro de los confines del núcleo de hierro, sin una trayectoria 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. ^[66] Las patentes de ZBD incluían otras dos importantes innovaciones interrelacionadas: una relativa al uso de cargas de utilización conectadas en paralelo, en lugar de conectadas en serie, y la otra relativa a la capacidad de tener transformadores de alta relación de espiras, de modo que el voltaje de la red de suministro podría ser mucho mayor. (inicialmente 1.400 a 2.000 V) que el voltaje de las cargas de utilización (100 V inicialmente preferido). ^{[67] [68]}Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron que fuera técnica y económicamente viable proporcionar energía eléctrica para la iluminación de hogares, empresas y espacios públicos. Bláthy había sugerido el uso de núcleos cerrados, Zipernowsky había sugerido el uso de conexiones de derivación paralelas y Déri había realizado los experimentos; ^[69] 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. ^[70]

Los transformadores de hoy están diseñados según los principios descubiertos por los tres ingenieros. También popularizaron la palabra 'transformador' para describir un dispositivo para alterar los campos electromagnéticos de una corriente eléctrica ^[71], aunque el término ya había estado en uso en 1882. ^{[72] [73]} En 1886, los ingenieros de ZBD diseñaron, y el La fábrica de Ganz suministró equipos eléctricos para la primera central eléctrica del mundo que utilizó generadores de CA para alimentar una red eléctrica común conectada en paralelo, la planta de energía de vapor Rome-Cerchi. ^[74]

Mejoras en Westinghouse

Placas en forma de "E" para núcleos de transformadores desarrolladas por Westinghouse

Aunque George Westinghouse había comprado las patentes de Gaulard y Gibbs en 1885, Edison Electric Light Company tenía una opción sobre los derechos estadounidenses para los transformadores ZBD, lo que requería que Westinghouse buscara diseños alternativos con los mismos principios. Encargó a William Stanley la tarea de desarrollar un dispositivo para uso comercial en Estados Unidos. ^[75] El primer diseño patentado de Stanley fue para bobinas de inducción con núcleos simples de hierro dulce y espacios ajustables para regular la EMF presente en el devanado secundario (ver imagen). Este diseño ^[76] se utilizó por primera vez comercialmente en los EE. UU. En 1886 ^[77]pero Westinghouse tenía la intención de mejorar el diseño de Stanley para hacerlo (a diferencia del tipo ZBD) fácil y económico de producir. ^[76]

Westinghouse, Stanley y asociados pronto desarrollaron un núcleo que era más fácil de fabricar, que consistía en una pila de placas de hierro delgadas en forma de "E" aisladas por finas hojas de papel u otro material aislante. Las bobinas de cobre pre-enrolladas se pueden deslizar en su lugar y se pueden colocar placas de hierro rectas para crear un circuito magnético cerrado. Westinghouse obtuvo una patente para el nuevo diseño de bajo costo en 1887. ^[69]

Otros diseños de transformadores tempranos

En 1889, el ingeniero de origen ruso Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desarrolló el primer transformador trifásico en la Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft ('Compañía General de Electricidad') en Alemania. ^[78]

En 1891, Nikola Tesla inventó la bobina Tesla , un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire para producir voltajes muy altos a alta frecuencia. ^[79]

Los primeros experimentadores utilizaron transformadores de frecuencia de audio (" bobinas de repetición ") en el desarrollo del teléfono . ^{[ cita requerida ]}

Ver también

• Barreras cortafuegos para transformadores de alto voltaje
• Acoplamiento inductivo
• Cargar perfil
• Magnetización
• Paraformador
• Sistema polifásico
• Inversor de energia
• Rectificador
• Convertidor de voltaje

Notas

1. Con las vueltas del devanado orientadas perpendicularmente a las líneas del campo magnético, el flujo es el producto de la densidad del flujo magnético y el área del núcleo, variando el campo magnético con el tiempo de acuerdo con la excitación del primario. La expresión dΦ / dt, definida como la derivada del flujo magnético Φ con el tiempo t, proporciona una medida de la tasa de flujo magnético en el núcleo y, por tanto, de los campos electromagnéticos inducidos en el devanado respectivo. El signo negativo en la ecuación. 1 y eq. 2 es consistente con la ley de Lenz y la ley de Faraday en que, por convención, la EMF "inducida por un aumento de los enlaces de flujo magnético es opuesta a la dirección que daría la regla de la mano derecha ".
2. Aunque las inductancias de devanado de los transformadores ideales son infinitamente altas, la raíz cuadrada de la relación de las inductancias de devanado es igual a la relación de vueltas.
3. Esto también implica lo siguiente: El flujo neto del núcleo es cero, la impedancia de entrada es infinita cuando el secundario está abierto y cero cuando el secundario está en corto; hay cambio de fase cero a través de un transformador ideal; se conservan la potencia de entrada y salida y los voltios-amperios reactivos; estas tres afirmaciones se aplican a cualquier frecuencia por encima de cero y se conservan las formas de onda periódicas. ^[6]
4. porcentaje de impedancia es la relación de la caída de voltaje en el secundario desde sin carga hasta carga completa. ^[14]

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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Transformers .

Wikibook School Science tiene una página sobre el tema: Cómo hacer un transformador

Enlaces generales :

• Introducción a los transformadores de corriente
• Transformador (subprograma interactivo de Java) por Chui-king Ng
• (Video) Corriente de entrada del transformador de potencia (amortiguación)
• (Video) Sobreexcitación del transformador de potencia (amortiguación)
• Circuitos transformadores trifásicos de All About Circuits
• Bibliografía de Transformer Books por PM Balma / IEEE
• Manual del transformador , 212 págs.
• Learnengineering.org ¿Cómo funciona un transformador?