Transformadores

TRANSFORMADORES

2.1 Introducción a los Transformadores

Un transformador consiste en dos o más devanados interrelacionados mediante flujo magnético mutuo. Si uno de esos devanados, el primario, se conecta a una fuente de voltaje alterno, se produce un flujo alterno cuya amplitud dependerá del voltaje primario y del número de vueltas. El flujo mutuo encandecerá al otro devanado, el secundario, einducirá un voltaje en él, cuyo valor dependerá del número de vueltas de ese devanado.

La acción del transformador demanda, de manera evidente, sólo la presencia del flujo mutuo que es variable en el tiempo y que enlaza los devanados, lo cual es simplemente la utilización del concepto de inductancia mutua. Se obtiene esa acción si se usa un núcleo de aire, pero se obtiene con mayor eficienciacon un núcleo de hierro u otro material ferromagnético, porque la mayor parte del flujo se confina entonces a un camino definido que encadena los dos devanados y que tiene una permeabilidad mucho mayor que la del aire. A este tipo de transformador se le llama en
general transformador de núcleo de hierro.

2.2 Condiciones de operación sin carga

La Fig 2.4 muestra un transformador con un circuitosecundario abierto y un voltaje alterno v1 aplicado a las terminales de su primario. Para simplificar el esquema se acostumbra, en el caso de los transformadores, indicar los devanados primario y secundario como si estuvieran en columnas separadas del núcleo.
Existe una pequeña corriente de estado estacionario iϕ, llamada la corriente de excitación en el primario, y establece un flujo alterno en elcircuito magnético. Este flujo induce una fuerza electromotriz(fem) en el primario igual a:

e1 = dƛ1 = N1dϕ
dt dt

En la cual:

ƛ1 = escadenamiento de flujo con el primario.

ϕ = flujo (aquí se supone confinado al núcleo).

N1 = número de vueltas en el devanado primario. El voltaje e1 está en volts cuando ϕ se da en webers. Esta fuerza contra electromotriz, junto con la caída devoltaje debida a la resistencia en el primario R1 debe compensar el voltaje aplicado a v1 y entonces:

V1 = R1 iϕ + e1

En la mayor parte de los transformadores de potencia, la resistencia sin carga (o de vacío) es en realidad muy pequeña, y la fem inducida e1 es casi igual que el voltaje aplicado v1.
El flujo está determinado únicamente por el voltaje aplicado, su frecuencia y el número de vueltas deldevanado. Las propiedades magnéticas del núcleo determinan la corriente de excitación.

2.3 Efecto de la corriente del secundario; El transformador ideal

Como primera aproximación a una teoría cuantitativa, consideramos un transformador con un devanado primario de N1 vueltas y un devanado secundario con N2 vueltas, como se muestra en forma esquemática en la siguiente figura.

Note que lacorriente en el secundario se define como positiva cuando sale del devanado; por lo tanto la corriente positiva en el secundario crea una fuerza magnetomotriz en dirección opuesta a la creada por la corriente positiva en el primario. Consideramos que las propiedades de este transformador se pueden idealizar haciendo que las resistencias en los devanados sean despreciables, y supongamos que todo el flujose confina al núcleo y enlaza a ambos devanados, que las pérdidas del núcleo son despreciables, y que la permeabilidad del núcleo es tan alta que sólo se necesita una fuerza magnetomotriz despreciable para establecer el flujo. A un transformador hipotético que tiene esas propiedades se le llama transformador ideal.

2.4 Reactancias del transformador y circuitos equivalentes

Las desviaciones de laspropiedades de en un transformador real con respecto a las anteriormente postuladas se deben tener en cuenta, en mayor o menor grado, en la mayor parte de los análisis del funcionamiento del transformador. Una teoría más completa debe tener en cuenta los efectos de las resistencias de los devanados, la dispersión magnética, flujos, y las corrientes finitas de excitación.
Hay dos métodos de...