Transformador

En ingeniería eléctrica , un transformador es un componente pasivo que transfiere energía eléctrica de un circuito eléctrico a otro, o a varios circuitos . Una corriente variable en cualquier bobina del transformador produce un flujo magnético variable en su núcleo, lo que induce una fuerza electromotriz (FEM) variable en cualquier otra bobina enrollada alrededor del mismo núcleo. La energía eléctrica puede transferirse 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 variable que la rodea.

Los transformadores se utilizan para cambiar los niveles de voltaje de CA , y se denominan transformadores elevadores o reductores para aumentar o disminuir el nivel de voltaje, respectivamente. Los transformadores también se pueden utilizar para proporcionar aislamiento galvánico entre circuitos, así como para acoplar etapas de circuitos de procesamiento de señales. 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 electrónica y eléctrica. Los transformadores varían en tamaño desde transformadores de RF de menos de un centímetro cúbico de volumen, hasta unidades que pesan cientos de toneladas utilizadas para interconectar la red eléctrica .

Principios

Transformador ideal

Un transformador ideal es lineal , sin pérdidas y perfectamente acoplado . El acoplamiento perfecto implica una permeabilidad magnética del núcleo y una inductancia del devanado infinitamente altas y una fuerza magnetomotriz neta cero (es decir, i _p n _p − i _s n _s = 0). ^[⁴^]^[^c^]

Una corriente variable en el devanado primario del transformador genera 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 o voltaje variable en dicho devanado. Este fenómeno de inducción electromagnética es la base del funcionamiento del transformador y, de acuerdo con la ley de Lenz , la corriente secundaria así producida crea un flujo igual y opuesto al producido por el devanado primario.

Los devanados están enrollados alrededor de un núcleo de permeabilidad magnética infinitamente alta, de modo que todo el flujo magnético pasa a través de los devanados primario y secundario. Con una fuente de tensión 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 anula.

Según la ley de Faraday , dado que el mismo flujo magnético atraviesa tanto el devanado primario como el secundario en un transformador ideal, se induce una tensión en cada devanado proporcional a su número de espiras. La relación de tensión de los devanados del transformador es igual a la relación de espiras de los devanados. ^{[ 7 ]}

Un transformador ideal es una aproximación razonable para un transformador comercial típico, donde la relación de voltaje y la relación de espiras del devanado son inversamente proporcionales a la relación de corriente correspondiente.

La impedancia de carga referida al circuito primario es igual al cuadrado de la relación de espiras multiplicado por la impedancia de carga del circuito secundario. ^{[ 8 ]}

Transformador real

Desviaciones del transformador ideal

El modelo de transformador ideal ignora muchos aspectos lineales básicos de los transformadores reales, incluidas las pérdidas e ineficiencias inevitables. ^{[ 9 ]}

(a) Pérdidas en el núcleo, denominadas colectivamente pérdidas por corriente de magnetización, que consisten en ^{[ 10 ]}

Pérdidas por histéresis debidas a efectos magnéticos no lineales en el núcleo del transformador, y
Pérdidas por corrientes parásitas 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 de Joule debidas a la resistencia en los devanados primario y secundario ^{[ 10 ]}
Flujo de fuga que 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. Generalmente se consideran tres tipos de capacitancia parásita y se proporcionan las ecuaciones de lazo cerrado ^{[ 11 ].}

Capacitancia entre espiras adyacentes en una misma capa;
Capacitancia entre capas adyacentes;
Capacitancia entre el núcleo y la(s) capa(s) adyacente(s) al núcleo;

La inclusión de la capacitancia en el modelo del transformador es compleja y rara vez se intenta; el circuito equivalente del modelo de transformador "real" que se muestra a continuación no incluye capacitancia parásita. Sin embargo, el efecto de la capacitancia se puede medir comparando la inductancia en circuito abierto, es decir, la inductancia de un devanado primario cuando el circuito secundario está abierto, con la inductancia en cortocircuito cuando el devanado secundario está cortocircuitado.

Flujo de fuga

El modelo ideal del transformador supone que todo el flujo generado por el devanado primario enlaza todas las espiras de cada devanado, incluido él mismo. En la práctica, parte del flujo recorre caminos que lo llevan fuera de los devanados. ^{[ 12 ]} Este flujo se denomina flujo de fuga y produce una inductancia de fuga en serie con los devanados del transformador acoplados entre sí. ^{[ 13 ]} El flujo de fuga produce energía que se almacena y se descarga alternativamente de los campos magnéticos con cada ciclo de la fuente de alimentación. No es directamente una pérdida de potencia, pero produce una regulación de voltaje deficiente , lo que provoca que el voltaje secundario no sea directamente proporcional al voltaje primario, particularmente bajo cargas pesadas. ^{[ 12 ]} Por lo tanto, los transformadores normalmente se diseñan para tener una inductancia de fuga muy baja.

En algunas aplicaciones, se desea una mayor fuga, y se pueden introducir deliberadamente trayectorias magnéticas largas, entrehierros o derivaciones magnéticas en el diseño de un transformador para limitar la corriente de cortocircuito que suministrará. ^{[ 13 ]} Los transformadores con fugas se pueden utilizar para alimentar cargas que presentan resistencia negativa , como arcos eléctricos , lámparas de vapor de mercurio y sodio y letreros de neón , o para manejar de forma segura cargas que se cortocircuitan periódicamente, como las soldadoras de arco eléctrico . ^{[ 10 ]}^{: 485}

Los espacios de aire también se utilizan para evitar la saturación de un transformador, especialmente en transformadores de audiofrecuencia en circuitos que tienen un componente de CC fluyendo por los devanados. ^{[ 14 ]} Un reactor saturable aprovecha la saturación del núcleo para controlar la corriente alterna.

El conocimiento de la inductancia de fuga también resulta útil cuando los transformadores operan en paralelo. Se puede demostrar que si la impedancia porcentual ^{[ e ]} y la relación reactancia-resistencia de fuga del devanado ( X / R ) asociada de dos transformadores fueran iguales, estos compartirían la potencia de carga en proporción a sus respectivas potencias 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. ^{[ 16 ]}

Circuito equivalente

En referencia al diagrama, el comportamiento físico de un transformador práctico puede representarse mediante un modelo de circuito equivalente , que puede incorporar un transformador ideal. ^{[ 17 ]}

Las pérdidas por efecto Joule en los devanados y la reactancia de fuga están representadas por las siguientes impedancias de bucle en serie del modelo:

Bobinado primario: R _P , X _P
Bobinado secundario: R _S , X _S .

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

Las pérdidas y la reactancia del núcleo están representadas por las siguientes impedancias de rama en derivación del modelo:

Pérdidas en el núcleo o en el hierro: R _C
Reactancia magnetizante: X _M .

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

Las pérdidas en el núcleo se deben principalmente a la histéresis y a los efectos de corrientes parásitas en el núcleo, y son proporcionales al cuadrado del flujo del núcleo para operar a una frecuencia dada. ^{[ 10 ]}^{: 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, siendo la relación entre ambos no 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 los circuitos equivalentes de transformadores. ^{[ 10 ]}^{: 142} Con alimentación sinusoidal , el flujo del núcleo está retrasado 90° con respecto a la FEM inducida . Con el devanado secundario en circuito abierto, la corriente de la rama de magnetización I ₀ es igual a la corriente en vacío del transformador. ^{[ 17 ]}

El modelo resultante, aunque a veces se denomina circuito equivalente «exacto» basado en supuestos de linealidad , conserva varias aproximaciones. ^{[ 17 ]} El análisis puede simplificarse asumiendo que la impedancia de la rama magnetizante es relativamente alta y reubicando la rama a la izquierda de las impedancias primarias. Esto introduce un error, pero permite combinar las resistencias y reactancias primarias y secundarias referidas mediante una simple suma como dos impedancias en serie.

Los parámetros de impedancia del circuito equivalente del transformador y de relación de transformación se pueden obtener a partir de las siguientes pruebas: prueba de circuito abierto , prueba de cortocircuito , prueba de resistencia del devanado y prueba de relación de transformación.

Ecuación de la fuerza electromotriz del transformador

Si el flujo en el núcleo es puramente sinusoidal , la relación para cada bobinado entre su tensión eficaz E _rms del bobinado y la frecuencia de alimentación f , el número de espiras N , el área de la sección transversal del núcleo A en m² ^y la densidad de flujo magnético pico B _pico en Wb/m² ^o T (tesla) viene dada por la ecuación universal de la fuerza electromotriz: ^{[ 10 ]}

E_{\text{rms}}={\frac {2\pi fNAB_{\text{peak}}}{\sqrt {2}}}\approx 4.44fNAB_{\text{peak}}

Polaridad

En los diagramas de circuitos, placas de identificación o marcas de terminales de los transformadores, se suele utilizar un sistema de puntos para definir la polaridad relativa de sus devanados. Una corriente instantánea positiva que entra por el extremo marcado con un punto del devanado primario induce una tensión de polaridad positiva que sale por el extremo marcado con un punto del devanado secundario. Los transformadores trifásicos utilizados en sistemas de energía eléctrica llevan una placa de identificación que indica la relación de fases entre sus terminales. Esta información puede representarse mediante un diagrama fasorial o mediante un código alfanumérico que indique el tipo de conexión interna (estrella o triángulo) de cada devanado.

Efecto de la frecuencia

La fuerza electromotriz (FEM) de un transformador a un flujo dado aumenta con la frecuencia. ^{[ 10 ]} Al operar a frecuencias más altas, los transformadores pueden ser físicamente más compactos porque un núcleo dado puede transferir más potencia sin alcanzar la saturación, y se necesitan menos espiras para lograr la misma impedancia. Sin embargo, propiedades como las pérdidas en el núcleo y el efecto pelicular del conductor también aumentan con la frecuencia. Las aeronaves y los equipos militares emplean fuentes de alimentación de 400 Hz, lo que reduce el peso del núcleo y del bobinado. ^{[ 18 ]} 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 normales de la red eléctrica (50-60 Hz) por razones históricas relacionadas principalmente con las limitaciones de los primeros motores de tracción eléctrica . En consecuencia, los transformadores utilizados para reducir los altos voltajes de las líneas aéreas eran mucho más grandes y pesados para la misma potencia nominal que los requeridos para las frecuencias más altas.

El funcionamiento de un transformador a su tensión nominal, pero a una frecuencia superior a la prevista, provocará una disminución de la corriente de magnetización. A una frecuencia inferior, la corriente de magnetización aumentará. El funcionamiento de un transformador de gran tamaño a una frecuencia distinta a la nominal puede requerir una evaluación de las tensiones, las pérdidas y la refrigeración para determinar si es viable un funcionamiento seguro. Los transformadores pueden requerir relés de protección para protegerlos de sobretensiones a frecuencias superiores a la nominal.

Un ejemplo de ello son los transformadores de tracción utilizados en trenes eléctricos de unidades múltiples y de alta velocidad que operan en regiones con diferentes estándares eléctricos. Los convertidores y transformadores de tracción deben adaptarse a distintas frecuencias y tensiones de entrada (desde 50 Hz hasta 16,7 Hz y con una tensión nominal de hasta 25 kV).

A frecuencias mucho más altas, el tamaño del núcleo del transformador necesario disminuye drásticamente: un transformador físicamente pequeño puede manejar niveles de potencia que requerirían un núcleo de hierro masivo a la frecuencia de la red eléctrica. El desarrollo de los dispositivos semiconductores de potencia conmutada hizo viables las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), que permiten generar una alta frecuencia y luego cambiar el nivel de voltaje con un transformador pequeño.

Los transformadores para aplicaciones de alta frecuencia, como las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), suelen utilizar materiales de núcleo con pérdidas por histéresis y corrientes parásitas mucho menores que los utilizados para 50/60 Hz. Los principales ejemplos son los núcleos de polvo de hierro y ferrita. Las menores pérdidas dependientes de la frecuencia de estos núcleos a menudo se producen a expensas de la densidad de flujo en la saturación. Por ejemplo, la saturación de la ferrita se produce a una densidad de flujo sustancialmente menor que la del hierro laminado.

Los transformadores de potencia de gran tamaño son vulnerables a fallos de aislamiento debido a tensiones transitorias con componentes de alta frecuencia, como las causadas por la conmutación o por rayos.

pérdidas de energía

Las pérdidas de energía de los transformadores están dominadas por las pérdidas en los devanados y el núcleo. La eficiencia de los transformadores tiende a mejorar con el aumento de su capacidad. ^{[ 19 ]} La eficiencia de los transformadores de distribución típicos se sitúa entre el 98 y el 99 por ciento. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}

Como las pérdidas de los transformadores varían con la carga, suele ser útil tabular las pérdidas en vacío , a plena carga, a media carga, etc. Las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas son constantes en todos los niveles de carga y predominan en vacío, mientras que las pérdidas en el devanado aumentan con la carga. Las pérdidas en vacío pueden ser significativas, de modo que incluso un transformador inactivo supone una pérdida para 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 coste inicial. La elección de la construcción representa una compensación entre el coste inicial y el coste operativo. ^{[ 21 ]}

Las pérdidas de los transformadores se deben a:

Pérdidas de julios de bobinado

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

Pérdidas principales

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 calorífica debida a la histéresis viene dada por

W_{\text{h}}\approx \eta \beta _{\text{max}}^{1.6}

y,

La pérdida por histéresis viene dada por

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, véase Núcleo magnético y ecuación de Steinmetz .

pérdidas por corrientes parásitas

Las corrientes parásitas se inducen en el núcleo metálico conductor del transformador debido al campo magnético variable, y esta corriente, al fluir 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 alimentación y del inverso del cuadrado del espesor del material. ^{[ 21 ]} Las pérdidas por corrientes parásitas se pueden reducir haciendo que el núcleo sea un conjunto de láminas (placas delgadas) aisladas 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, provoca que se expanda y 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 "zumbido de transformador". ^{[ 22 ]} Este zumbido de transformador es especialmente molesto en transformadores alimentados a frecuencias de potencia y en transformadores flyback de alta frecuencia asociados con tubos de rayos catódicos de televisión .

Pérdidas aisladas

La inductancia de fuga es, en sí misma, prácticamente sin pérdidas, ya que la energía suministrada a sus campos magnéticos se devuelve a la fuente de alimentación con el siguiente semiciclo. 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 existen pérdidas por radiación debidas al campo magnético oscilante, pero estas suelen ser pequeñas.

Transmisión de vibraciones mecánicas y ruido audible

Además de la magnetostricción, el campo magnético alterno provoca fuerzas fluctuantes entre los devanados primario y secundario. Esta energía induce la transmisión de vibraciones en las estructuras metálicas interconectadas, amplificando así el zumbido audible del transformador. ^{[ 24 ]}

Construcción

Núcleos

Forma del núcleo = tipo del núcleo; forma de la carcasa = tipo de la carcasa

Los transformadores de núcleo cerrado se construyen en forma de núcleo o de carcasa. Cuando los devanados rodean el núcleo, el transformador es de forma de núcleo; cuando los devanados están rodeados por el núcleo, el transformador es de 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 de apilar el núcleo alrededor de las bobinas de devanado. ^{[ 25 ]} El diseño de forma de núcleo tiende, por 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 alta tensión en el extremo inferior de sus rangos de tensión y potencia nominal (menor o igual a, nominalmente, 230 kV o 75 MVA). A tensiones y potencias nominales más altas, los transformadores de forma de carcasa tienden a ser más frecuentes. ^{[ 25 ]}^{[ 26 ]}^{[ 27 ]} El diseño de forma de carcasa tiende a preferirse 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 inherentemente una mejor relación kVA/peso, mejores características de resistencia a cortocircuitos y mayor inmunidad a daños durante el transporte. ^{[ 27 ]}

núcleos de acero laminado

Transformador tipo carcasa con núcleo laminado que muestra los bordes de las laminaciones en la parte superior de la foto.

Los transformadores para uso en frecuencias de potencia o audio suelen tener núcleos hechos de acero al silicio de alta permeabilidad . ^{[ 28 ]} El acero tiene una permeabilidad muchas veces mayor que la del vacío , por lo que el núcleo sirve para reducir considerablemente la corriente de magnetización y confinar el flujo a una trayectoria que acopla estrechamente los devanados. ^{[ 29 ]} Los primeros desarrolladores de transformadores pronto se dieron cuenta de que los núcleos construidos con hierro sólido producían pérdidas por corrientes parásitas prohibitivas, y sus diseños mitigaron este efecto con núcleos que consistían en haces de alambres de hierro aislados. ^{[ 30 ]} Diseños posteriores construyeron el núcleo apilando capas de finas láminas de acero, un principio que se ha mantenido en uso. Cada lámina está aislada de sus vecinas por una fina capa aislante no conductora. ^{[ 31 ]} La ecuación universal de la fuerza electromotriz del transformador se puede utilizar para calcular el área de la sección transversal del núcleo para un nivel preferido de flujo magnético. ^{[ 10 ]}

El efecto de las laminaciones es confinar las corrientes parásitas a trayectorias altamente elípticas que encierran poco flujo, reduciendo así su magnitud. Las laminaciones más delgadas reducen las pérdidas, ^{[ 28 ]} pero su construcción es más laboriosa y costosa. ^{[ 32 ]} Generalmente, las laminaciones delgadas se utilizan en transformadores de alta frecuencia, y algunas laminaciones de acero muy delgadas pueden operar hasta 10 kHz.

Un diseño común de núcleo laminado se fabrica a partir de pilas intercaladas de láminas de acero en forma de E rematadas con piezas en forma de I , lo que da lugar a su nombre de transformador EI . ^{[ 32 ]} Este diseño tiende a presentar mayores pérdidas, pero es muy económico de fabricar. El tipo de núcleo cortado o núcleo en C se fabrica enrollando una tira de acero alrededor de una forma rectangular y luego uniendo las capas entre sí. A continuación, se corta en dos, formando dos formas de C, y el núcleo se ensambla uniendo las dos mitades de C con una correa de acero. ^{[ 32 ]} Tienen la ventaja de que el flujo siempre está orientado en paralelo a los granos del metal, lo que reduce la reluctancia.

La remanencia de un núcleo de acero implica que conserva un campo magnético estático al interrumpirse la alimentación. Al restablecerse la alimentación, el campo residual provoca una elevada corriente de irrupción hasta que el efecto del magnetismo remanente disminuye, generalmente tras 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 el paso de esta corriente de irrupción inofensiva.

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

Los transformadores de distribución pueden lograr bajas pérdidas en vacío mediante el uso de núcleos fabricados con acero al silicio de baja pérdida y alta permeabilidad o aleación metálica amorfa (no cristalina) . El mayor costo inicial del material del núcleo se compensa a lo largo de la vida útil del transformador gracias a sus menores pérdidas con carga ligera. ^{[ 35 ]}

núcleos sólidos

Los núcleos de hierro en polvo se utilizan en circuitos como las fuentes de alimentación conmutadas que operan por encima de las frecuencias de la red eléctrica y hasta unas pocas decenas de kilohercios. Estos materiales combinan una alta permeabilidad magnética con una alta resistividad eléctrica volumétrica . Para frecuencias que se extienden más allá de la banda 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 llamados "slugs") que permiten ajustar el coeficiente de acoplamiento (y el ancho de banda ) de los circuitos de radiofrecuencia sintonizados.

núcleos toroidales

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 enrollada 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 reluctancia del núcleo . La forma de anillo cerrado elimina los entrehierros inherentes a la construcción de un núcleo EI. ^{[ 10 ]}^{: 485} La sección transversal del anillo suele ser cuadrada o rectangular, pero también hay 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 apantallamiento para minimizar el campo magnético del núcleo y evitar la generación de interferencia electromagnética .

Los transformadores toroidales son más eficientes que los transformadores laminados EI más económicos para un nivel de potencia similar. Otras ventajas en comparación con los transformadores EI incluyen un tamaño menor (aproximadamente la mitad), menor peso (aproximadamente la mitad), menor zumbido mecánico (lo que los hace superiores en amplificadores de audio), menor campo magnético externo (aproximadamente una décima parte), bajas pérdidas en vacío (lo que los hace más eficientes en circuitos de reserva), montaje con un solo perno y mayor variedad de formas. Las principales desventajas son un mayor costo y una capacidad de potencia limitada (ver Parámetros de clasificación a continuación). Debido a la ausencia de un entrehierro residual en la trayectoria magnética, los transformadores toroidales también tienden a presentar una corriente de irrupción mayor en comparación con los transformadores laminados EI.

Los núcleos toroidales de ferrita se utilizan a frecuencias más altas, generalmente entre unas pocas decenas de kilohercios y cientos de megahercios, para reducir las pérdidas, el tamaño físico y el peso de los componentes inductivos. Una desventaja de la construcción de transformadores toroidales es el mayor costo de mano de obra del bobinado. Esto se debe a que es necesario pasar toda la longitud del bobinado a través de la abertura del núcleo cada vez que se agrega una sola espira a la bobina. En consecuencia, los transformadores toroidales con una potencia nominal superior a unos pocos kVA son poco comunes. Se ofrecen relativamente pocos toroides con potencias nominales 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 abriéndolo a la fuerza, para luego insertar una bobina que contenga los bobinados primario y secundario. ^{[ 37 ]}

núcleos de aire

Un transformador se puede fabricar colocando los devanados cerca unos de otros, 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. ^{[ 13 ]} La inductancia de magnetización se reduce drásticamente por la ausencia 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, ^{[ 13 ]} 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

El conductor eléctrico utilizado para los devanados depende de la aplicación, pero en todos los casos, las espiras individuales deben estar aisladas eléctricamente entre sí para asegurar que la corriente circule por todas ellas. Para transformadores pequeños, en los que las corrientes son bajas y la diferencia de potencial entre espiras adyacentes es pequeña, las bobinas suelen estar hechas de alambre de cobre esmaltado . Los transformadores de potencia más grandes pueden estar hechos de conductores de tiras rectangulares de cobre aislados con papel impregnado en aceite y bloques de cartón prensado . ^{[ 39 ]}

Los transformadores de alta frecuencia que operan en el rango de decenas a cientos de kilohercios suelen tener bobinados hechos de alambre Litz trenzado para minimizar las pérdidas por efecto piel y efecto de proximidad. ^{[ 40 ]} Los transformadores de potencia grandes también utilizan conductores multifilares, ya que, incluso a bajas frecuencias de potencia, de lo contrario existiría una distribución no uniforme de la corriente en los bobinados de alta corriente. ^{[ 39 ]} Cada hilo está aislado individualmente, y los hilos están dispuestos de manera que, en ciertos puntos del bobinado, o a lo largo de todo el bobinado, cada porción ocupa diferentes posiciones relativas en el conductor completo. La transposición iguala la corriente que fluye en cada hilo del conductor y reduce las pérdidas por corrientes parásitas en el propio bobinado. El conductor trenzado también es más flexible que un conductor sólido de tamaño similar, lo que facilita la fabricación. ^{[ 39 ]}

Los devanados de los transformadores de señal minimizan la inductancia de fuga y la capacitancia parásita para mejorar la respuesta en alta frecuencia. Las bobinas se dividen en secciones, y estas 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 de mayor tensión, para ajustar el voltaje. Las tomas pueden reconectarse manualmente o mediante un interruptor manual o automático. Los cambiadores de tomas automáticos bajo carga se utilizan en la transmisión o distribución de energía eléctrica, en equipos como transformadores de hornos de arco o en reguladores automáticos de voltaje para cargas sensibles. Los transformadores de audiofrecuencia, utilizados para la distribución de audio a altavoces de megafonía, tienen tomas que permiten ajustar la impedancia de cada altavoz. Un transformador con toma central se utiliza a menudo en la etapa de salida de un amplificador de potencia de audio en un circuito push-pull . Los transformadores de modulación en transmisores AM son muy similares.

Enfriamiento

Como regla general, la vida útil del aislamiento eléctrico se reduce a la mitad por 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 suelen refrigerarse por convección natural y disipación de calor por radiación . A medida que aumenta la potencia nominal, los transformadores suelen refrigerarse por aire forzado, aceite forzado, agua o combinaciones de estos. ^{[ 42 ]} Los transformadores grandes se llenan con aceite para transformadores que refrigera y aísla los devanados. ^{[ 43 ]} El aceite para transformadores suele ser un aceite mineral altamente refinado que refrigera los devanados y el aislamiento al circular dentro del tanque del transformador. El sistema de aislamiento de aceite mineral y papel se ha estudiado y utilizado ampliamente 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 alrededor del 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 bobinado y del refrigerante dieléctrico, lo que no solo acorta la vida útil del transformador, sino que en última instancia puede provocar una falla catastrófica del transformador. ^{[ 41 ]} Con un amplio conjunto de estudios empíricos como guía, las pruebas de aceite de transformador , incluido el análisis de gases disueltos , proporcionan información valiosa para el mantenimiento.

En muchas jurisdicciones, las normativas de construcción exigen que los transformadores interiores llenos de líquido utilicen fluidos dieléctricos menos inflamables que el aceite o que se instalen en salas resistentes al fuego. ^{[ 19 ]} Los transformadores secos refrigerados 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 suele tener radiadores por los que circula el refrigerante líquido por convección natural o aletas. Algunos transformadores grandes emplean ventiladores eléctricos para refrigeración por aire forzado, bombas para refrigeración por líquido forzado o intercambiadores de calor para refrigeración por agua. ^{[ 43 ]} Un transformador sumergido en aceite puede estar equipado con un relé Buchholz , que, según la gravedad de la acumulación de gas debido a arcos internos, se utiliza para activar una alarma o desenergizar el transformador. ^{[ 33 ]} Las instalaciones de transformadores sumergidos en aceite suelen incluir medidas de protección contra incendios, como paredes, contención de aceite y sistemas de rociadores contra incendios.

Los bifenilos policlorados (PCB) poseen propiedades que en su momento favorecieron su uso como refrigerante dieléctrico , aunque la preocupación por su persistencia ambiental llevó a una prohibición generalizada de su uso. ^{[ 46 ]} Actualmente, se pueden utilizar aceites estables y no tóxicos a base de silicona o hidrocarburos fluorados cuando el costo de un líquido resistente al fuego compensa el costo adicional de construcción de una bóveda de transformadores. ^{[ 19 ]}^{[ 47 ]} Sin embargo, la larga vida útil de los transformadores puede implicar que el potencial de exposición sea alto mucho después de la prohibición. ^{[ 48 ]}

Algunos transformadores están aislados con gas. Sus bobinados están encerrados en tanques sellados y presurizados, y a menudo se enfrían con nitrógeno o hexafluoruro de azufre . ^{[ 47 ]}

Se han construido transformadores de potencia experimentales en el rango de 500 a 1000 kVA con bobinados superconductores refrigerados con nitrógeno líquido o helio , lo que elimina las pérdidas de bobinado sin afectar las pérdidas del núcleo. ^[⁴⁹^]^[⁵⁰^]

Aislamiento

Debe proporcionarse 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 espiras de los transformadores pequeños puede consistir en una capa de barniz aislante sobre el conductor. Se puede insertar una capa de papel o películas de polímero entre las capas de bobinados, y entre los bobinados primario y secundario. Un transformador puede recubrirse o sumergirse en una resina polimérica para mejorar la resistencia de los bobinados y protegerlos de la humedad o la corrosión. La resina puede impregnarse en el aislamiento del bobinado mediante combinaciones de vacío y presión durante el proceso de recubrimiento, eliminando así todos los huecos de aire en el bobinado. En casos extremos, la bobina completa puede colocarse en un molde y la resina se vierte a su alrededor como un bloque sólido, encapsulando los bobinados. ^{[ 51 ]}

Los transformadores de potencia de gran tamaño, rellenos de aceite, utilizan bobinados envueltos en papel aislante, el cual se impregna de aceite durante el ensamblaje. Estos transformadores emplean aceite mineral altamente refinado para aislar y refrigerar los bobinados y el núcleo. Su construcción requiere que el aislamiento que cubre los bobinados se seque completamente antes de introducir el aceite. El secado puede realizarse mediante la circulación de aire caliente alrededor del núcleo, la circulación de aceite de transformador calentado externamente o el secado en fase de vapor (VPD), donde un disolvente evaporado transfiere calor por condensación en la bobina y el núcleo. En el caso de transformadores pequeños, se utiliza el calentamiento por resistencia mediante la inyección de corriente en los bobinados.

Casquillos

Los transformadores de mayor tamaño están provistos de bujes aislados de alta tensión fabricados con polímeros o porcelana. Un buje grande puede ser una estructura compleja, ya que debe proporcionar un control preciso del gradiente del campo eléctrico sin que el transformador tenga fugas de aceite. ^{[ 52 ]}

Parámetros de clasificación

Los transformadores se pueden clasificar de muchas maneras, como por ejemplo las siguientes:

Potencia nominal : Desde una fracción de voltio-amperio (VA) hasta más de mil MVA.
Uso de un transformador : Continuo, de corta duración, intermitente, periódico, variable.
Rango de frecuencia : frecuencia eléctrica , frecuencia de audio o frecuencia de radio .
Clase de voltaje : Desde unos pocos voltios hasta cientos de kilovoltios.
Tipo de refrigeración : Seca o sumergida en líquido; autorrefrigerada, refrigerada por aire forzado; refrigerada por aceite forzado, refrigerada por agua.
Aplicaciones : fuente de alimentación, adaptación de impedancias, estabilizador de voltaje y corriente de salida, pulsos , aislamiento de circuitos, distribución de energía , rectificador , horno de arco , salida de amplificador, etc.
Forma magnética básica : forma de núcleo, forma de capa, concéntrica, tipo sándwich.
Descriptor de transformador de potencial constante : Elevador, reductor, aislamiento .
Configuración general del bobinado : Según el grupo vectorial IEC , combinaciones de dos bobinados de las designaciones de fase delta, estrella o y zigzag ; autotransformador , Scott-T
Configuración del bobinado de desplazamiento de fase del rectificador : 2 bobinados, 6 pulsos; 3 bobinados, 12 pulsos; . . ., n bobinados , [ n − 1]·6 pulsos; polígono; etc.
Factor K : Una medida de la capacidad del transformador para soportar cargas armónicas.^{[ 53 ]}

Aplicaciones

Transformador en la central hidroeléctrica de Limestone en Manitoba , Canadá.

Los distintos diseños de aplicaciones eléctricas específicas requieren diversos tipos de transformadores . Si bien todos comparten los principios básicos de funcionamiento de los transformadores, su construcción o propiedades eléctricas se personalizan para adaptarse a determinados 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 las pérdidas debidas al calentamiento de los cables. Esto permite que las centrales generadoras se ubiquen de forma económica a una distancia de los consumidores de electricidad. ^{[ 54 ]} Casi toda la energía eléctrica mundial ha pasado por una serie de transformadores antes de llegar al consumidor. ^{[ 23 ]}

En muchos dispositivos electrónicos, se utiliza un transformador para convertir el voltaje del cableado de distribución a valores adecuados para los requisitos del circuito, ya sea directamente a la frecuencia de la red eléctrica o a través de una fuente de alimentación conmutada .

Los transformadores de señal y audio se utilizan para acoplar etapas de amplificadores y para adaptar dispositivos como micrófonos y tocadiscos a la entrada de los amplificadores. Los transformadores de audio permitieron que los circuitos telefónicos mantuvieran una conversación bidireccional a través de un solo par de cables. Un transformador balun convierte una señal referenciada a tierra en una señal con 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 obras de construcción. Los transformadores resonantes se utilizan para el acoplamiento entre etapas de receptores de radio o en bobinas de Tesla de alto voltaje.

Historia

Descubrimiento de la inducción

La inducción electromagnética , principio de funcionamiento del transformador, fue descubierta independientemente por Michael Faraday en 1831 y Joseph Henry en 1832. ^{[ 56 ]}^{[ 57 ]}^{[ 58 ]}^{[ 59 ]} Solo Faraday profundizó en sus experimentos hasta el punto de desarrollar la ecuación que describe la relación entre la fuerza electromotriz y el flujo magnético, ahora conocida como la ley de inducción de Faraday :

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

dónde $|{\mathcal {E}}|$ es la magnitud de la FEM en voltios y Φ _B es el flujo magnético a través del circuito en webers . ^{[ 60 ]}

Faraday realizó experimentos iniciales sobre la inducción entre bobinas de alambre, incluyendo el enrollado de un par de bobinas alrededor de un anillo de hierro, creando así el primer transformador toroidal de núcleo cerrado. ^{[ 59 ]}^{[ 61 ]} Sin embargo, solo aplicó pulsos individuales de corriente a su transformador y nunca descubrió la relación entre la relación de espiras y la fuerza electromotriz en los devanados.

Bobinas de inducción

El primer tipo de transformador que se utilizó ampliamente fue la bobina de inducción , inventada por el reverendo católico irlandés Nicholas Callan del Maynooth College , Irlanda, en 1836. ^{[ 59 ]} Fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más vueltas tenga el devanado secundario en relación con el devanado primario, mayor será la fuerza electromotriz secundaria inducida. Las bobinas de inducción evolucionaron a partir de los esfuerzos de científicos e inventores por obtener voltajes más altos de las baterías. Dado que las baterías producen corriente continua (CC) en lugar de corriente alterna (CA), las bobinas de inducción dependían de contactos eléctricos vibrantes que interrumpían 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 por construir mejores bobinas de inducción, principalmente por ensayo y error, revelaron lentamente los principios básicos de los transformadores.

Primeros transformadores de corriente alterna

En la década de 1870, ya se disponía de generadores eficientes que producían corriente alterna (CA) , y se descubrió que la CA podía alimentar una bobina de inducción directamente, sin necesidad de un interruptor .

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción, cuyos devanados primarios estaban conectados a una fuente de corriente alterna. Los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas eléctricas (lámparas de arco) de su propio diseño. Las bobinas que empleó Yablochkov funcionaban esencialmente como transformadores. ^{[ 62 ]}

En 1878, la fábrica Ganz , en Budapest, Hungría, comenzó a producir equipos para iluminación eléctrica y, para 1883, había instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría. Sus sistemas de corriente alterna utilizaban lámparas de arco e incandescentes, generadores y otros equipos. ^{[ 59 ]}^{[ 63 ]}

En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs exhibieron por primera vez en Londres un dispositivo con un núcleo de hierro abierto de placa laminada, inicialmente muy criticado, llamado «generador secundario». En 1886, vendieron la idea a la empresa Westinghouse en Estados Unidos. ^{[ 30 ]} También exhibieron el invento en Turín, Italia, en 1884, donde tuvo un gran éxito y se adoptó para un sistema de iluminación eléctrica. ^{[ 64 ]} Su dispositivo de núcleo abierto utilizaba una relación fija de 1:1 para alimentar un circuito en serie para la carga de utilización (lámparas). Sin embargo, el voltaje de su sistema se controlaba moviendo el núcleo de hierro hacia adentro o hacia afuera. ^{[ 65 ]}

Distribución de transformadores de circuito de serie temprana

Las bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos son ineficientes para transferir energía a las cargas . ^{[ 64 ]} Hasta principios del siglo XX, el paradigma para la transmisión de energía de CA desde una fuente de alta tensión a una carga de baja tensión era un circuito en serie. ^{[ 66 ]} Los transformadores de núcleo abierto con una relación cercana a 1:1 se conectaban con sus primarios en serie para permitir el uso de una alta tensión para la transmisión mientras se presentaba una baja tensión a las lámparas. El defecto inherente en este método era que apagar una sola lámpara (u otro dispositivo eléctrico) afectaba la tensión suministrada 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 aquellos que empleaban métodos de ajuste del núcleo o derivación del flujo magnético alrededor de parte de una bobina. ^{[ 64 ]} Los diseños de transformadores eficientes y prácticos no aparecieron hasta la década de 1880, pero en una década, el transformador sería fundamental en la guerra de las corrientes y en ver a los sistemas de distribución de CA triunfar sobre sus contrapartes de CC, una posición en la que han permanecido dominantes desde entonces. ^{[ 67 ]}

Transformador en forma de carcasa. Boceto utilizado por Uppenborn para describir las patentes de 1885 y los primeros artículos de los ingenieros de ZBD. ^{[ 64 ]}

Diseño de Stanley de 1886 para bobinas de inducción de núcleo abierto con espacio 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 la fábrica Ganz , determinaron que los dispositivos de núcleo abierto eran impracticables, ya que eran incapaces de regular el voltaje de manera confiable. ^{[ 63 ]} La fábrica Ganz también había entregado, en el otoño de 1884, los primeros cinco transformadores de CA de alta eficiencia del mundo, la primera de estas unidades se envió el 16 de septiembre de 1884. ^{[ 68 ]} 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, en forma de carcasa. ^{[ 68 ]} En sus solicitudes de patente conjuntas 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 alambre de hierro o rodeados por un núcleo de alambre de hierro. ^{[ 64 ]} Los dos diseños fueron la primera aplicación de las dos construcciones básicas de transformadores que se utilizan comúnmente hasta el día de hoy, denominadas "forma de núcleo" o "forma de carcasa". ^{[ 69 ]}

En ambos diseños, el flujo magnético que unía los devanados primario y secundario viajaba casi completamente dentro de los confines del núcleo de hierro, sin una trayectoria intencional a través del aire (ver Núcleos toroidales más adelante). Los nuevos transformadores eran 3,4 veces más eficientes que los dispositivos bipolares de núcleo abierto de Gaulard y Gibbs. ^{[ 70 ]} Las patentes ZBD incluían otras dos innovaciones interrelacionadas importantes: 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 la tensión de la red de suministro pudiera ser mucho mayor (inicialmente de 1400 a 2000 V) que la tensión de las cargas de utilización (100 V inicialmente preferido). ^{[ 71 ]}^{[ 72 ]} Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron técnica y económicamente factible proporcionar energía eléctrica para la iluminación en hogares, negocios y espacios públicos. Bláthy había sugerido el uso de núcleos cerrados, Zipernowsky había sugerido el uso de conexiones en derivación paralelas y Déri había realizado los experimentos; ^{[ 73 ]} 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. ^{[ 74 ]}

Los transformadores actuales se diseñan según los principios descubiertos por los tres ingenieros. También popularizaron la palabra «transformador» para describir un dispositivo que altera la fuerza electromotriz (FEM) de una corriente eléctrica ^{[ 75 ],} aunque el término ya se utilizaba en 1882. ^{[ 76 ]}^{[ 77 ]} En 1886, los ingenieros de ZBD diseñaron, y la fábrica Ganz suministró el equipo eléctrico para, la primera central eléctrica del mundo que utilizaba generadores de corriente alterna para alimentar una red eléctrica común conectada en paralelo, la central eléctrica de vapor de Roma-Cerchi. ^{[ 78 ]}

Mejoras de Westinghouse

Aprovechando el avance de la tecnología de CA en Europa, ^{[ 79 ]} George Westinghouse fundó Westinghouse Electric en Pittsburgh, Pensilvania, el 8 de enero de 1886. ^{[ 80 ]} La nueva empresa se dedicó al desarrollo de infraestructura eléctrica de corriente alterna (CA) en todo Estados Unidos. Edison Electric Light Company tenía una opción sobre los derechos en EE. UU. de los transformadores ZBD, lo que obligó a Westinghouse a buscar diseños alternativos basados en los mismos principios. George Westinghouse había comprado las patentes de Gaulard y Gibbs por 50 000 dólares en febrero de 1886. ^{[ 81 ]} Le encargó a William Stanley el rediseño del transformador de Gaulard y Gibbs para su uso comercial en Estados Unidos. ^{[ 82 ]} El primer diseño patentado de Stanley fue para bobinas de inducción con núcleos simples de hierro dulce y espacios ajustables para regular la FEM presente en el devanado secundario (véase la imagen). Este diseño ^{[ 83 ]} se utilizó comercialmente por primera vez en los EE. UU. en 1886 ^{[ 84 ]} , pero Westinghouse estaba decidido a mejorar el diseño de Stanley para que (a diferencia del tipo ZBD) fuera fácil y barato de producir. ^{[ 83 ]}

Westinghouse, Stanley y sus socios pronto desarrollaron un núcleo más fácil de fabricar, que consistía en una pila de finas placas de hierro en forma de "E" aisladas por finas láminas de papel u otro material aislante. A continuación, se podían deslizar bobinas de cobre prebobinadas en su lugar y colocar placas de hierro rectas para crear un circuito magnético cerrado. Westinghouse obtuvo una patente para el nuevo diseño de bajo coste en 1887. ^{[ 73 ]}

Otros diseños de transformadores antiguos

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. ^{[ 85 ]}

En 1891, Nikola Tesla inventó la bobina de Tesla , un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire para producir voltajes muy altos a alta frecuencia. ^{[ 86 ]}

Los transformadores de frecuencia de audio (" bobinas repetidoras ") fueron utilizados por los primeros experimentadores en el desarrollo del teléfono . ^{[ 87 ]}

Véase también

Notas

↑ Con las espiras del devanado orientadas perpendicularmente a las líneas del campo magnético, el flujo es el producto de la densidad de flujo magnético y el área del núcleo, y el campo magnético varía con el tiempo según la excitación del primario. La expresión $\mathrm {d} \Phi /\mathrm {d} t$ , definido como la derivada del flujo magnético $\Phi$ con el tiempo $t$ , proporciona una medida de la tasa de flujo magnético en el núcleo y, por lo tanto, de la FEM inducida en el devanado correspondiente. El signo negativo en las ecuaciones 1 y 2 es consistente con la ley de Lenz y la ley de Faraday, ya que, por convención, la FEM "inducida por un aumento de los enlaces de flujo magnético es opuesta a la dirección que daría la regla de la mano derecha ".
↑ Aunque las inductancias de los devanados de un transformador ideal son infinitamente altas, la raíz cuadrada de la relación de las inductancias de los devanados es igual a la relación de espiras.
↑ 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 está en cortocircuito; no hay desfase a través de un transformador ideal; la potencia de entrada y salida, así como el voltaje-amperio reactivo, se conservan; estas tres afirmaciones se aplican a cualquier frecuencia superior a cero y las formas de onda periódicas se conservan.^{[ 6 ]}
↑ La dirección de las corrientes del transformador se rige por la regla de la mano derecha.
↑ La impedancia porcentual es la relación de la caída de tensión en el secundario desde vacío hasta plena carga.^{[ 15 ]}

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Enlaces externos

Enlaces generales :

(Vídeo) Corriente de irrupción en transformador de potencia (animación)

[3] Con las espiras del devanado orientadas perpendicularmente a las líneas del campo magnético, el flujo es el producto de la densidad de flujo magnético y el área del núcleo, y el campo magnético varía con el tiempo según la excitación del primario. La expresión $\mathrm {d} \Phi /\mathrm {d} t$ , definido como la derivada del flujo magnético $\Phi$ con el tiempo $t$ , proporciona una medida de la tasa de flujo magnético en el núcleo y, por lo tanto, de la FEM inducida en el devanado correspondiente. El signo negativo en las ecuaciones 1 y 2 es consistente con la ley de Lenz y la ley de Faraday, ya que, por convención, la FEM "inducida por un aumento de los enlaces de flujo magnético es opuesta a la dirección que daría la regla de la mano derecha ".

[6] Aunque las inductancias de los devanados de un transformador ideal son infinitamente altas, la raíz cuadrada de la relación de las inductancias de los devanados es igual a la relación de espiras.

[9] 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 está en cortocircuito; no hay desfase a través de un transformador ideal; la potencia de entrada y salida, así como el voltaje-amperio reactivo, se conservan; estas tres afirmaciones se aplican a cualquier frecuencia superior a cero y las formas de onda periódicas se conservan.^{[ 6 ]}

[10] La dirección de las corrientes del transformador se rige por la regla de la mano derecha.

[20] La impedancia porcentual es la relación de la caída de tensión en el secundario desde vacío hasta plena carga.^{[ 15 ]}

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