Transformadores Eléctricos: Teoría y Práctica - PDF

[MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS: EL TRANSFORMADOR] ------------------------------------------------------------- La tensión de la red es demasiado elevada para la mayor parte de los dispositivos empleados en circuitos electrónicos, por ello generalmente se usa un transformador en casi todos los circ...

[MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS: EL TRANSFORMADOR] ------------------------------------------------------------- La tensión de la red es demasiado elevada para la mayor parte de los dispositivos empleados en circuitos electrónicos, por ello generalmente se usa un transformador en casi todos los circuitos electrónicos. Este transformador reduce la tensión a niveles inferiores, más adecuados para su uso en dispositivos como diodos y transistores. Un **[transformador]** es un conjunto de chapas de hierro muy juntas que tienen dos arrollamientos, uno a cada lado del conglomerado de chapas de hierro. Nosotros para trabajar sobre el papel usaremos esta simbología:  La bobina izquierda se llama \"Arrollamiento Primario\" y la derecha se llama \"Arrollamiento Secundario\". El número de vueltas en el arrollamiento primario es N~1~ y el del arrollamiento secundario N~2~. Las rayas verticales entre los arrollamientos primario y secundario indican que el conductor está enrollado alrededor de un [núcleo de hierro]. Designación de bornes en los transformadores: Muchos transformadores disponen de varios secundarios. En este caso los cálculos de relación de transformación, numero de espiras, impedancias, entre otros; deberán ser efectuados para cada secundario como si fuese único. ### Principio de funcionamiento: El principio básico de funcionamiento de un transformador es que una corriente variable en el devanado primario crea un flujo magnético variable en el núcleo del transformador y, por lo tanto, un flujo magnético variable en el devanado secundario. Este flujo magnético variable induce una fuerza electromotriz variable (f.e.m.) o voltaje en el devanado secundario. ### Pérdidas en el transformador - **[Pérdidas magnéticas en el hierro]**: Se presenta en el momento que se conecta la tensión al transformador creando un campo magnético en el núcleo, la cual no se aprovecha en la salida del secundario. - **[Pérdida magnética en el cobre]**: Se presenta en el momento que se conecta la tensión al transformador creando un campo magnético en los conductores, generando calor y corrientes parásitas. - **[Perdidas eléctricas en el cobre]**: Se presenta en el momento que se conecta la tensión al transformador y se crea un flujo magnético y un flujo de corriente, creando corrientes parásitas, generando calor, conocido como efecto joule. ### El transformador en vacío - Al conectar el transformador a una fuente de tensión y no conectarle una carga (al vacío) o con el secundario abierto, En estas condiciones, el primario es recorrido por una corriente alterna de pequeña intensidad, del orden del 5% de la corriente nominal. - La intensidad del primario produce un flujo variable "Φ" que es común, tanto en el bobinado primario como en el secundario. ### El transformador con carga - Al conectar el transformador a una fuente de tensión y conectarle una carga, inmediatamente surge una intensidad de corriente en el bobinado secundario (I~2~). - También hay que saber que la tensión (V2) en el secundario no varía con la carga. ### [RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (K):] Es el valor del cociente que resulta de dividir la cantidad de espiras del bobinado primario (N~1~) y secundario (N~2~). La relación de transformación proporciona el funcionamiento esperado del transformador y la tensión correspondiente requerida en el devanado secundario (V~2~). La relación entre el número de vueltas y la tensión es: \ [\$\$\\mathbf{K} = \\frac{N\_{1}}{N\_{2}}\$\$]{.math.display}\ En un transformador al vacío (que no tiene carga conectada al bobinado secundario), las fuerzas electromotrices inducidas (V~2~ y V~1~) guardan una relación directa, por lo que también se puede determinar la relación de transformación con las tensiones. \ [\$\$\\mathbf{K} = \\frac{V\_{1}}{V\_{2}}\$\$]{.math.display}\ Otra forma de determinar la razón de transformación es partiendo de las intensidades (corrientes) nominales del bobinado primario y del bobinado secundario (I~1~ e I~2~), basado en la relación inversa que guardan con las fuerzas electromotrices. Entonces K= I~2~/I~1~. [\$\\mathbf{K}\\mathbf{=}\\frac{\\mathbf{I}\_{\\mathbf{2}}}{\\mathbf{I}\_{\\mathbf{1}}}\$]{.math.inline} [\$\\mathbf{K}\\mathbf{=}\\frac{\\mathbf{N}\_{\\mathbf{1}}}{\\mathbf{N}\_{\\mathbf{2}}}\\mathbf{=}\\frac{\\mathbf{V}\_{\\mathbf{1}}}{\\mathbf{V}\_{\\mathbf{2}}}\\mathbf{=}\\frac{\\mathbf{I}\_{\\mathbf{2}}}{\\mathbf{I}\_{\\mathbf{1}}}\$]{.math.inline} ### [TIPOS DE TRANSFORMADORES SEGÚN SU RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN] ### [TRANSFORMADOR ELEVADOR: ] - Este tipo de transformador aumenta el voltaje de la corriente eléctrica. - Se utiliza en las plantas generadoras de energía eléctrica para elevar el voltaje antes de la transmisión a largas distancias. Esto reduce las pérdidas de energía durante la transmisión. - La relación de transformación de un transformador elevador es mayor que 1. El número de espiras en el devanado primario es menor que el número de espiras en el devanado secundario. Cuando el arrollamiento secundario tiene [más vueltas] que el arrollamiento primario (N~2~ \> N~1~), la tensión del secundario es superior a la del primario (V~2~\>V~1~), es decir, N~2~ **:** N~1~ es mayor que 1 (N~2~ **:** N~1~ \> 1). Por lo tanto si N~2~ tiene el triple de vueltas que N~1~, la tensión en el secundario será el triple que la tensión en el primario. T4Trans\_entr4 A la vez que elevador de tensión este transformador es \"Reductor de Corriente\".  ### [TRANSFORMADOR REDUCTOR: ] - Este tipo de transformador disminuye el voltaje de la señal eléctrica. - Se utiliza comúnmente en la distribución de energía eléctrica para reducir el voltaje de las líneas de transmisión a un nivel adecuado para el uso doméstico o industrial. - La relación de transformación de un transformador reductor es menor que 1. Esto significa que el número de espiras en el devanado primario (donde se aplica el voltaje de entrada) es mayor que el número de espiras en el devanado secundario (donde se obtiene el voltaje reducido). Cuando el arrollamiento secundario tiene [menos vueltas] que el arrollamiento primario (N~2~ \< N~1~), se induce una tensión menor en el secundario de la que hay en el primario. En este caso N~2~ **:** N~1~ sería menor que 1 (N~2~ **:** N~1~ \< 1). **Ejemplo**: T4Trans\_entr6 Por cada 9 espiras en N~1~ hay 1 espira en N~2~.  Esta fórmula se cumple para V~1~ y V~2~ eficaces. Como se ha visto, ha habido una reducción muy grande. T4Trans\_entr8 A este tipo de transformador se le llama \"Transformador Reductor\" (de tensión). A la vez también es elevador de corriente. -------------------------------------- -----------------  T4Trans\_entr10 -------------------------------------- ----------------- ### Efecto sobre la potencia y corriente: En la figura siguiente se puede ver una resistencia de carga conectada al arrollamiento secundario, esto es, el transformador en carga (L=Load).  A causa de la tensión inducida en el arrollamiento secundario, a través de la carga circula una corriente. Si el transformador es ideal (k = 1 y no hay pérdidas de potencia en el arrollamiento y en el núcleo), la potencia de entrada es igual a la potencia de salida: T4Trans\_entr12 Si aplicamos esta ecuación:  Por lo tanto nos quedaría: T4Trans\_entr14 Y al final tenemos esta ecuación:  ### Aplicaciones: **[Reactor de Línea:]** Un **reactor de línea** es un componente eléctrico, que consiste en una o más bobinas inductoras o transformadoras, cada elemento es cableado en serie con una fase del circuito, generalmente entre la [[fuente de poder]](https://es.wikipedia.org/wiki/Fuente_de_poder) y la carga eléctrica. De acuerdo con las propiedades de un inductor, el reactor en línea se opondrá a cambios rápidos en la corriente y/o frecuencias. Este dispositivo sirve también para atenuar picos de corrientes. El tipo más común es diseñado para energía eléctrica en 3 fases, en el cual 3 inductores aislados están conectados en serie con cada una de las tres fases. ### Practica sobre transformadores: 1. Calcule la tensión del secundario en un transformador cuya tensión primaria es de 120V, N1=10 vueltas, I1=2A y N2=20 vueltas. ¿Cuál es la potencia del primario? Indique de qué tipo de transformador se trata: elevador o reductor. 2. En un transformador de 200W, la corriente del secundario es de 2A y la tensión del primario es de 200V, N2=50. ¿Cuál es la tensión en el secundario? ¿Cuál es el número de vueltas del primario? 3. Calcule la tensión del primario en un transformador cuya tensión secundaria es de 12V, N2=6 vueltas, corriente secundaria es de 3A y N1=18 vueltas. ¿Cuál es la potencia del secundario? Indique de qué tipo de transformador se trata: elevador o reductor. 4. Calcule la corriente del secundario en un transformador cuya corriente primaria es de 30A, N1=60 vueltas y N2=120 vueltas. ¿Cuál es la potencia del primario si la tensión primaria es de 240V? ### Diseño de Transformadores Cálculo y diseño de transformadores de poder, para potencias de hasta 1000W. Para diseñar o construir los transformadores de alimentación para red eléctrica de 50 o 60 Hz. (No aplica para transformadores de fuentes conmutadas) **[RESUMEN DE CONCEPTOS]** **Relación o razón de transformación (n):\ **Es la relación (o resultado de dividir) entre el número de espiras del primario y del secundario, la cual es igual a la relación entre la tensión del primario y del secundario sin carga. **Relación entre corrientes:**\ Es inversa a la relación de transformación. Es decir que a mayor corriente menos vueltas o espiras. Mientras que en la relación de transformación a mayor tensión (voltaje) más espiras o vueltas.   **Rendimiento:**\ Nos dice cuanta potencia se aplica al transformador y cuanta entrega éste a la carga. La diferencia se pierde en los devanados en forma de calor por el efecto de Joule, debido a que estos no tienen una resistencia nula, y también en el núcleo debido a histéresis y corrientes de Foucault. El transformador ideal rendirá un 100 % pero en la práctica no existe. **Núcleo:**\ Son las chapas de material ferro-magnético, hierro al que se añade una pequeña porción de silicio. Se recubre de barniz aislante que evita la circulación de corrientes de Foucault. De su calidad depende que aumente el rendimiento del transformador hasta un valor cercano al 100 %. **Potencia (P) = V x I** **n=N1/N2 = V1/V2 ** léase: número de vueltas del primario sobre el número de vueltas del secundario es igual a la relación entre el voltaje del primario sobre el voltaje del secundario. ### ### Fórmulas para cálculo de transformadores Son muchas las fórmulas que entran en juego pero la mayoría tienen que ver con elementos que afectan muy poco el rendimiento. Sin embargo hay dos sumamente importantes que no podemos ignorar y son las siguientes:   **Área del núcleo = A**  \ [\$\$A = k\*\\ \\sqrt{P}\$\$]{.math.display}\ Dónde: A: Área en cm^2^ k: Coeficiente del material del núcleo P: Potencia en watts. Léase: área es igual a la constante "k" multiplicada por la raíz cuadrada de la potencia del transformador. Donde k = 0.8 si el núcleo es fino y 1.2 si el núcleo es de inferior calidad. Tomamos normalmente 1. El resultado se obtiene en cm^2^ y es el área rectangular del núcleo marcada en azul de la figura.\   **Relación de vueltas (espiras) por voltio** **= ** A x 0.02112 El voltaje deseado para cada caso se dividirá por el resultado de este número. El resultado es el número de vueltas o espiras para ese voltaje en particular. Ejemplo real:\ **Para construir o bobinar un transformador de 200 Watt para un Voltaje primario de 115V y un secundario 50V** Comenzamos por el área del núcleo del Transformador:\ Ver la formula arriba en fondo gris. Para una potencia de 200W, obtenemos un área de 14.14 cm^2^ Luego calculamos la relación de vueltas por voltio:\   **A x 0.02112**  14.14 x 0.02112 = 0.29  **Relación de vueltas = 0.29** Entonces:\  115V / 0.29  = **396 vueltas en el primario**\  50V / 0.29 = **172 vueltas en el secundario** Ahora sabiendo la potencia (P = 200W) podemos calcular la corriente máxima presente en ambos devanados para esa potencia, partiendo de la fórmula: I = P / V  I~1~ = 200 / 115 = 1.73A  **corriente en el primario = 1.73 amperios.**  I~2~ = 200 / 50 = 4A  **corriente máxima en el secundario = 4 amperios.** Si utilizamos una tabla de equivalencias en [[AWG]](http://www.comunidadelectronicos.com/articulos/awg.htm) (American Wire Gauge) como la que mostramos a continuación, sabremos el calibre del alambre a utilizar para los respectivos bobinados (o embobinados). De acuerdo a la tabla (AWG): Para el primario necesitamos alambre calibre AWG 19 o 20 Para el secundario alambre calibre 15 o 16. **AWG** **Diam. mm** **Amperaje**   **AWG** **Diam. mm** **Amperaje** --------- -------------- -------------- --- --------- -------------- -------------- 1 7.35 120 16 1.29 3,7 2 6.54 96 17 1.15 3,2 3 5.86 78 18 1.024 2,5 4 5.19 60 19 0.912 2,0 5 4.62 48 20 0.812 1,6 6 4.11 38 21 0.723 1,2 7 3.67 30 22 0.644 0,92 8 3.26 24 23 0.573 0,73 9 2.91 19 24 0.511 0,58 10 2.59 15 25 0.455 0,46 11 2.30 12 26 0.405 0,37 12 2.05 9,5 27 0.361 0,29 13 1.83 7,5 28 0.321 0,23 14 1.63 6,0 29 0.286 0,18 15 1.45 4,8 30 0.255 0,15 ### Practica sobre diseño de transformadores: 1. Cuál debe ser el calibre del alambre primario y secundario para construir o bobinar un transformador de 200 Watt para un Voltaje primario de 220V y un secundario 24V. 2. Realizar los cálculos necesarios para construir un transformador monofásico de 40W de potencia, siendo la tensión del primario de 220V y un secundario de 12+12V. Área de 4cm^2^. Colegio Técnico Profesional Nataniel Arias Murillo Departamento de Electrotecnia Valor total 250 puntos Mantenimiento de Máquinas Eléctricas Porcentaje 20% Prof. Oscar Gutiérrez Proyecto I Periodo 2022 Undécimo Nombre \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ Sección: [11-4] Puntos Obtenidos: Nota: Porcentaje Obtenido: **Fecha de Inicio: \_\_\_\_\_\_\_\_ Fecha de finalización: \_\_\_\_\_\_\_\_\_** 1. Si trabaja en grupos, cada miembro del equipo debe llevar su propio reporte y entregarlo para ser incluido en el Portafolio de Evidencias. La calificación es individual. 2. Consiga un transformador monofásico en el taller y tome los datos necesarios para su rebobinado. 3. Tómele las fotos necesarias para ver la posición de las terminales y el armado. (Valor 6 pts: 3 pts cada foto impresa) 4. Haga un diagrama del transformador y rotule cada terminal apropiadamente. (Valor 12 pts: 3 pts cada terminal rotulada) 5. Haga un dibujo donde indique la posición del bobinado primario y del secundario. (Valor 9 pts: 3 pts cada posición y 3 pts el dibujo) 6. Haga un dibujo donde indique el sentido de giro en el que esta arrollado el alambre en el primario y en el secundario. Márquelo también físicamente en el transformador. (Valor 9 pts: 3 pts cada bobinado y 3 pts el dibujo) 7. Mida con el Pie de Rey y escriba el diámetro del alambre en el primario: \_\_\_\_\_\_\_ y en el secundario \_\_\_\_\_\_\_\_\_. Sin barniz, solo el cobre. (6 pts) 8. Usando la tabla para alambres AWG escriba el Calibre del alambre usado para el primario: \_\_\_\_\_\_\_\_\_ y para el secundario \_\_\_\_\_\_\_\_\_. (Valor 6 pts) 9. Determine el tipo de material aislante usado: \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_. 10. Escriba la cantidad de láminas que tiene el núcleo: \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_ y dibuje la posición en la que van las láminas externas. (Valor 9 puntos: 3 pts la cantidad de láminas y 6 pts el dibujo) 11. Escriba el número de vueltas en el primario: \_\_\_\_\_\_ y en el secundario: \_\_\_\_. 12. Anote el calibre del cable de las terminales de conexión y su respectivo color: \_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_. 13. Bobine de nuevo el primario del transformador usando el calibre de alambre adecuado, manteniendo el mismo sentido de giro y respetando la cantidad de vueltas. (Valor 68 pts: 10 pts la cantidad de vueltas completas, 6 pts el sentido de giro, 6 pts ubicación correcta de cada bobinado, 6 pts usar el calibre correcto de alambre, 20 pts el acomodo de las espiras, 20 pts el acomodo de la bobina) 14. Bobine de nuevo el secundario del transformador usando el calibre de alambre adecuado, manteniendo el mismo sentido de giro y respetando la cantidad de vueltas. (Valor 68 pts: 10 pts la cantidad de vueltas completas, 6 pts el sentido de giro, 6 pts ubicación correcta de cada bobinado, 6 pts usar el calibre correcto de alambre, 20 pts el acomodo de las espiras, 20 pts el acomodo de la bobina) 15. Arme de nuevo el núcleo del transformador colocan las chapas externas en la misma posición en la que venían. (Valor 30 pts: 10 pts la correcta colocación de cada lamina, 10 pts la cantidad de láminas acomodadas, 10 pts el acomodo de las láminas) 16. Empalme las terminales de conexión al alambre, soldándolas con estaño y aislándolas apropiadamente, preferiblemente con termocontraible. (Valor 24 pts: 6 pts cada terminal) 17. Verifique que la bobina primaria y secundaria no estén abiertas internamente. 18. Verifique que la bobina primaria y secundaria no estén en cortocircuito entre ellas. (6 pts si están bien) 19. Verifique que la bobina primaria y secundaria no estén a masa o en cortocircuito con el núcleo del transformador. (6 pts si están bien) 20. Conecte el transformador a un tomacorriente de 120VAC, luego mida y anote la tensión de salida en el secundario: \_\_\_\_\_\_\_\_\_ para cuando esta en vacio. 21. Tome fotografías del transformador rebobinado (3 pts cada foto impresa). ### Pruebas de funcionamiento de un transformador 1. **Inspecciona el transformador visualmente:** El sobrecalentamiento, el cual causa que el cableado interno del transformador trabaje a temperaturas elevadas, es una causa común del fallo de transformadores. Si el exterior del transformador tiene alguna protuberancia o muestra algo similar a marcas de quemado, no pruebes el transformador. 2. **Hacer un esquema del cableado del transformador:** El transformador debe estar etiquetado correctamente. Sin embargo, siempre es mejor obtener un esquema del circuito que contiene al transformador para determinar cómo está conectado el mismo. El esquema del circuito estará disponible en la documentación del producto o en la página web del fabricante del circuito. 3. **Identifica las entradas y salidas del transformador:** El primer circuito eléctrico, el cual genera el campo magnético, estará conectado al primario del transformador. El voltaje que es suministrado al primario debe estar tanto en la etiqueta del transformador como en el esquema general. El segundo circuito que está recibiendo energía del campo magnético estará conectado al secundario del transformador. El voltaje que es generado por el secundario debe estar tanto en la etiqueta del transformador como en el esquema general. 4. **Prueba de resistencia eléctrica con multímetro:** Un valor \"Abierto\" significa bobina cortada, el transformador no sirve. Con un multímetro se comprueba continuidad de las bobinas si estas dan un valor mayor a 1000 Ohms es como para desconfiar (Esto NO incluye transformadores para alta tensión \> 2000VCA). Un valor de supongamos 5000 Ohms será característico de una bobina cortada con pérdidas por humedad o aislamientos quemados, muchos materiales aislantes cuando se queman se convierten en conductores (Malos pero conductores al fin) engañando la medición. En la prueba de resistencia eléctrica también se debe incluir la resistencia entre el cuerpo metálico y las bobinas. Si existe continuidad el transformador no sirve aunque esta sea muy baja (Continuidad muy baja = Resistencia muy Alta). Que una bobina de una resistencia muy baja (0,1 Ohms o menos) NO significa que este en cortocircuito. Para tener una idea: Un transformador \"Chico\" primario 220VCA secundario 12 0 12 VCA de 300mA tiene una resistencia en el primario de 650Ohms y 0,00631Ohms entre cada uno de los secundarios y \"0\" a mayor potencia del transformador menor resistencia de las bobinas. 5. **Determina el filtro de salida:** Es común añadir capacitores y diodos al transformador secundario para dar forma a la energía AC desde la salida hasta la energía DC. Esta filtración y formación no estarán disponibles en la etiqueta del transformador. Ambos se encontrarán en el esquema general. 6. **Prepárate para medir los voltajes del circuito:** Remueve las cubiertas y paneles necesarios para ganar acceso al circuito que contiene el transformador. Adquiere un multímetro digital (DMM) para tomar las lecturas de voltaje. 7. **Conecte la lámpara serie:** Si el transformador pasó la prueba de continuidad probaremos ahora el funcionamiento: La prueba anterior NO garantiza que nuestro transformador NO este en cortocircuito o que tenga una espira en cortocircuito, entonces lo trataremos con las precauciones necesarias como para evitar que salten los fusibles. El método es con una lámpara serie, esta consta de una lámpara de alumbrado común y silvestre con un polo conectado al vivo de la red eléctrica y el otro a una punta de prueba, cierra el circuito al tomacorriente otro cable que servirá de segunda punta de pruebas. [Precaución]: Creo que se imaginarán que esto posee un riesgo físico puesto que en sus manos tendrán la tensión de línea 220 VCA o 110VCA que le puede dar un buen sacudón o algo peor, por favor extrema precaución. Al alimentar el transformador con esta lámpara, esta oficiará de limitador de corriente. Si el transformador está en cortocircuito o posee una espira en cortocircuito la lámpara enciende con todo su brillo. Si el transformador está sano, la lámpara enciende muy poco y el transformador estará funcionando, si mantenemos esta conexión, incluso podremos medir las tensiones de salida que estarán por debajo de la nominal pero igualmente nos dará una buena apreciación del voltaje. 8. **Confirma una entrada apropiada al transformador:** Aplica energía al circuito. Usa el DMM en modo AC para medir el primario del transformador. Si la medición es menor que un 80 por ciento del voltaje esperado, la falla puede ser tanto de transformador como del sistema de circuitos que alimenta al primario. En este caso, el primario debe estar separado del circuito de entrada. Si la energía de entrada (no el primario del transformador desconectado) aumenta al valor esperado, entonces el primario del transformador está dañado. Si la energía de entrada no aumenta al valor esperado, entonces el problema no reside en el transformador, sino en el sistema de circuitos de entrada. 9. **Mide la salida del secundario del transformador:** Si has determinado que no hay filtración o deformación creada por el sistema de circuitos del secundario, usa el modo AC del DMM. Si sí hay filtración y deformación en el sistema de circuitos del secundario, usa la escala DC del DMM. Si el voltaje esperado no está presente en el secundario, puede que el transformador o un filtro o forma del componente esté dañado. Prueba los componentes de filtración y formado por separado. Si la prueba de ambos componentes no muestra problema alguno, entonces el transformador está en buen estado.