Tema 3: El transformador eléctrico

Un dispositivo que cambia la potencia eléctrica alterna con un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna con otro nivel de voltaje mediante un campo magnético.

Alambres enrollados alrededor de un núcleo ferromagnético que no están conectados directamente.

Parte central de un transformador, donde se enrollan las bobinas y se crea el flujo magnético.

Líneas de fuerza magnética que conectan las bobinas del transformador.

Forma de energía eléctrica que cambia con el tiempo.

Magnitud de la tensión eléctrica.

Proceso de cambiar el voltaje de la corriente eléctrica.

Proporción entre el número de vueltas en las bobinas del transformador.

En sistemas automatizados, los transformadores proporcionan el voltaje adecuado a los componentes electrónicos y mecánicos, para un correcto funcionamiento de equipos como robots y sistemas de control.

Los ingenieros mecatrónicos diseñan sistemas que integran componentes eléctricos y electrónicos. Un buen entendimiento de transformadores permite crear sistemas más eficientes y seguros.

Conocer los transformadores ayuda a los ingenieros a diagnosticar y solucionar problemas en sistemas eléctricos complejos, mejorando fiabilidad y tiempo de actividad.

La capacidad de trabajar con transformadores permite a los ingenieros en mecatrónica innovar en el diseño de nuevos productos y sistemas que requieren una gestión eficiente de la energía.

Fundamentos del funcionamiento de un transformador, incluyendo la ley de Faraday y el concepto de fuerza contraelectromotriz.

Un transformador consiste en dos o más bobinas enrolladas sobre un núcleo ferromagnético. Un devanado se conecta a la fuente de energía, y otros suministran energía a cargas.

Los transformadores tienen múltiples bobinas, incluyendo la primaria que se conecta a la fuente de energía y secundaria(s) para proveer energía a las cargas.

Comprender el principio de funcionamiento de un transformador, la ley de Faraday y la fuerza contra electromotriz.

El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia.

El devanado del transformador que se conecta a la carga.

Tipo de transformador con una pieza de acero rectangular laminada con los devanados enrollados en dos de sus lados.

Tipo de transformador con un núcleo laminado de tres columnas, donde las bobinas están enrolladas en la columna central.

Tensión inducida en un conductor que se opone al cambio de corriente.

Campo generado alrededor de un conductor por el flujo de corriente.

El voltaje inducido produce corriente, y la circulación de corriente produce un campo magnético variable. Este campo magnético variable induce voltaje en una espira.

El sentido de la corriente inducida se opone a la causa que la produce.

Un transformador ideal es un modelo teórico que no tiene pérdidas de potencia ni de flujo magnético. Además, la permeabilidad magnética del núcleo es infinita. En la práctica, aunque no existen transformadores ideales, se utilizan para aproximar el comportamiento de transformadores reales.

La permeabilidad del núcleo en un transformador ideal tiende a infinito (μ → ∞). Esto significa que la reluctancia del núcleo es despreciable, y el flujo magnético se concentra completamente dentro del núcleo.

En un transformador ideal, no hay flujo de fuga. Todo el flujo magnético creado por el devanado primario se acopla al devanado secundario.

Un transformador ideal no tiene pérdidas de potencia ni en los devanados (pérdidas Joule) ni en el núcleo.

La relación de transformación (a) es la relación entre el número de vueltas en el devanado secundario (Ns) y el número de vueltas en el devanado primario (Np).

El voltaje inducido (Ep) en el devanado secundario de un transformador ideal es igual al voltaje en los terminales del devanado secundario (Vp).

La fuerza electromotriz (fem) inducida en el devanado primario de un transformador ideal es igual a la frecuencia del flujo magnético multiplicada por el número de vueltas en el primario.

La diferencia principal entre un transformador ideal y uno real es que los ideales no tienen pérdidas de potencia ni de flujo magnético, mientras que los reales sí.

La conductancia del resistor de pérdidas en el núcleo de un transformador se calcula como la inversa de la resistencia de las pérdidas, la cual representa la energía disipada en forma de calor en el núcleo.

La susceptancia del inductor de magnetización es la capacidad del inductor para almacenar energía magnética en su campo magnético. Se calcula como la inversa de la reactancia del inductor de magnetización.

La admitancia de excitación total se obtiene sumando las admitancias del resistor de pérdidas y el inductor de magnetización, ya que ambos elementos están conectados en paralelo.

La magnitud de la admitancia de excitación se deduce a partir del voltaje y la corriente medidos en la prueba de circuito abierto, usando la ley de Ohm.

El ángulo de la admitancia se determina a partir del factor de potencia del circuito abierto, que es el coseno del ángulo de fase entre la corriente y el voltaje.

En los transformadores trifásicos, los devanados primarios y secundarios se pueden conectar en dos configuraciones principales: delta (Δ) e Y (estrella). Las conexiones delta (Δ) y Y (estrella) permiten el flujo de energía trifásica (tres fases).

La polaridad del transformador se refiere a la dirección del flujo de corriente en los devanados. Es crucial tener en cuenta la polaridad al conectar los transformadores en trifásico.

La relación de voltaje de entrada a salida en un transformador trifásico depende no solo de la relación de vueltas de los devanados, sino también de la forma en que los devanados están conectados (delta o Y).

El modelo ideal de un transformador nos ayuda a entender mejor el funcionamiento de un transformador real, simplificando la realidad para facilitar el análisis. Aunque en la realidad haya pérdidas y flujo magnético, el modelo ideal nos da una base para comprender la transformación de energía sin las complicaciones adicionales.

El circuito de excitación en un transformador representa las pérdidas en el núcleo y está constituido por dos componentes: el resistor de pérdidas (RP) y el inductor de magnetización (XM).

La prueba de circuito abierto es un método para determinar las características del circuito de excitación. En esta prueba, se abre el circuito del devanado secundario y se aplica voltaje al devanado primario. Mediante la medición de voltaje, corriente y potencia, se puede calcular la admitancia de excitación.

La admitancia de excitación representa la facilidad con la que el circuito de excitación acepta flujo de corriente. Se determina mediante la prueba de circuito abierto, analizando la relación entre el voltaje y la corriente.

El resistor de pérdidas representa la energía disipada en el núcleo del transformador debido a la resistencia del material del núcleo y al flujo magnético.

El inductor de magnetización representa la energía almacenada en el campo magnético que se genera en el núcleo del transformador, al aplicar voltaje al devanado primario.