Un transformador es un dispositivo electromagnético que se utiliza para convertir corriente alterna de un voltaje y frecuencia en corriente alterna de un voltaje diferente (o igual) y la misma frecuencia.
Contenido
El dispositivo y el funcionamiento del transformador.
En el caso más simple transformador contiene un devanado primario con el número de vueltas W1 y una secundaria con el número de vueltas W2. La energía se suministra al devanado primario, la carga se conecta al secundario. La transferencia de energía se realiza por inducción electromagnética. Para mejorar el acoplamiento electromagnético, en la mayoría de los casos, los devanados se colocan en un núcleo cerrado (circuito magnético).
Si se aplica un voltaje alterno U al devanado primario1, entonces una corriente alterna I1, que crea un flujo magnético Ф de la misma forma en el núcleo.Este flujo magnético induce un EMF en el devanado secundario. Si se conecta una carga al circuito secundario, una corriente secundaria I2.
El voltaje en el devanado secundario está determinado por la relación de vueltas W1 y W2:
tu2=T1*(W1/w2)=U1/k, donde k es relación de transformación.
Si k<1, entonces U2>U1, y tal transformador se llama elevador. Si k>1, entonces U2<tú1, tal el transformador se llama reductor. Dado que la potencia de salida del transformador es igual a la potencia de entrada (menos las pérdidas en el propio transformador), podemos decir que Pout \u003d Pin, U1*YO1=T2*YO2 y yo2=yo1*k=yo1*(W1/w2). Por lo tanto, en un transformador sin pérdidas, los voltajes de entrada y salida son directamente proporcionales a la relación de vueltas del devanado. Y las corrientes son inversamente proporcionales a esta relación.
Un transformador puede tener más de un devanado secundario con diferentes relaciones. Entonces, un transformador para alimentar equipos de lámparas domésticas desde una red de 220 voltios puede tener un devanado secundario, por ejemplo, 500 voltios para alimentar circuitos de ánodo y 6 voltios para alimentar circuitos incandescentes. En el primer caso k<1, en el segundo - k>1.
El transformador funciona solo con voltaje alterno: para la aparición de EMF en el devanado secundario, el flujo magnético debe cambiar.
Tipos de núcleos para transformadores.
En la práctica, no solo se utilizan núcleos de la forma indicada. Dependiendo del propósito del dispositivo, los circuitos magnéticos se pueden realizar de diferentes maneras.
Núcleos de varilla
Los circuitos magnéticos de los transformadores de baja frecuencia están hechos de acero con propiedades magnéticas pronunciadas.Para reducir las corrientes de Foucault, el conjunto de núcleos se ensambla a partir de placas separadas eléctricamente aisladas entre sí. Para trabajar a altas frecuencias se utilizan otros materiales, por ejemplo, las ferritas.
El núcleo considerado anteriormente se llama núcleo y consta de dos varillas. Para transformadores monofásicos, también se utilizan circuitos magnéticos de tres varillas. Tienen menos flujo de fuga magnética y mayor eficiencia. En este caso, tanto el devanado primario como el secundario se encuentran en la barra central del núcleo.
Los transformadores trifásicos también se fabrican en núcleos de tres varillas. Poseen los devanados primario y secundario de cada fase, cada uno ubicado en su propio núcleo. En algunos casos, se utilizan circuitos magnéticos de cinco varillas. Sus devanados están ubicados exactamente de la misma manera: cada primario y secundario en su propia varilla, y las dos varillas extremas de cada lado están destinadas solo a cerrar flujos magnéticos en ciertos modos.
blindado
En el núcleo blindado, se fabrican transformadores monofásicos: ambas bobinas se colocan en el núcleo central del circuito magnético. El flujo magnético en dicho núcleo se cierra de manera similar a una construcción de tres varillas, a través de las paredes laterales. El flujo de fuga es muy pequeño en este caso.
Las ventajas de este diseño incluyen cierta ganancia en tamaño y peso debido a la posibilidad de un relleno más denso de la ventana del núcleo con devanados, por lo que es ventajoso utilizar núcleos blindados para la fabricación de transformadores de baja potencia. Esto también da como resultado un circuito magnético más corto, lo que conduce a una reducción de las pérdidas sin carga.
La desventaja es el acceso más difícil a los devanados para su revisión y reparación, así como la mayor complejidad en la fabricación del aislamiento para altas tensiones.
toroidal
En los núcleos toroidales, el flujo magnético está completamente cerrado dentro del núcleo y prácticamente no hay flujo magnético de fuga. Pero tales transformadores son difíciles de enrollar, por lo que rara vez se usan, por ejemplo, en autotransformadores ajustables de baja potencia o en dispositivos de alta frecuencia donde la inmunidad al ruido es importante.
Autotransformador
En algunos casos, es recomendable utilizar tales transformadores, que no solo tienen una conexión magnética entre los devanados, sino también eléctrica. Es decir, en los dispositivos elevadores, el devanado primario es parte del secundario, y en los dispositivos reductores, la parte secundaria del primario. Tal dispositivo se llama autotransformador (AT).
Un autotransformador reductor no es un simple divisor de voltaje: el acoplamiento magnético también está involucrado en la transferencia de energía al circuito secundario.
Las ventajas de los autotransformadores son:
- pérdidas menores;
- la posibilidad de regulación suave de voltaje;
- indicadores de peso y tamaño más pequeños (un autotransformador es más barato, es más fácil de transportar);
- menor costo debido a la menor cantidad de material requerido.
Las desventajas incluyen la necesidad de utilizar aislamiento de ambos devanados, diseñados para mayor tensión, así como la falta de aislamiento galvánico entre la entrada y la salida, lo que puede transferir los efectos de los fenómenos atmosféricos del circuito primario al secundario. En este caso, los elementos del circuito secundario no se pueden poner a tierra.Además, se considera que la desventaja de AT es el aumento de las corrientes de cortocircuito. Para los autotransformadores trifásicos, los devanados generalmente se conectan en estrella con un neutro conectado a tierra, son posibles otros esquemas de conexión, pero demasiado complicados y engorrosos. Esta es también una desventaja que reduce el alcance de los autotransformadores.
Aplicación de transformadores
La propiedad de los transformadores para aumentar o disminuir el voltaje es ampliamente utilizada en la industria y en la vida cotidiana.
Transformación de voltaje
Se imponen diferentes requisitos sobre el nivel de voltaje industrial en diferentes etapas. Al generar electricidad, no es rentable utilizar generadores de alto voltaje por varias razones. Por lo tanto, por ejemplo, los generadores de 6 ... 35 kV se utilizan en centrales hidroeléctricas. Para transportar electricidad, por el contrario, necesita un voltaje mayor, de 110 kV a 1150 kV, según la distancia. Además, este voltaje se reduce nuevamente al nivel de 6 ... 10 kV, se distribuye a las subestaciones locales, desde donde se reduce a 380 (220) voltios y llega al consumidor final. En electrodomésticos e industriales también hay que bajarlo, normalmente a 3…36 voltios.
Todas estas operaciones se realizan con utilizando transformadores de potencia. Pueden ser secos o a base de aceite. En el segundo caso, el núcleo con bobinados se coloca en un tanque con aceite, que es un medio aislante y refrigerante.
Aislamiento galvánico
El aislamiento galvánico aumenta la seguridad de los aparatos eléctricos. Si el dispositivo no se alimenta directamente de una red de 220 voltios, donde uno de los conductores está conectado a tierra, sino a través de un transformador de 220/220 voltios, la tensión de alimentación seguirá siendo la misma.Pero con el contacto simultáneo de la tierra y las partes secundarias del circuito que transportan corriente para el flujo de corriente, no habrá flujo de corriente y el peligro de descarga eléctrica será mucho menor.
Medida de tensión
En todas las instalaciones eléctricas es necesario controlar el nivel de tensión. Si se utiliza una clase de voltaje de hasta 1000 voltios, los voltímetros se conectan directamente a partes activas. En instalaciones eléctricas de más de 1000 voltios, esto no funcionará: los dispositivos que pueden soportar tal voltaje resultan ser demasiado voluminosos e inseguros en caso de una falla en el aislamiento. Por lo tanto, en tales sistemas, los voltímetros se conectan a conductores de alta tensión a través de transformadores con una relación de transformación conveniente. Por ejemplo, para redes de 10 kV se utilizan transformadores de medida 1:100, la salida es una tensión estándar de 100 voltios. Si el voltaje en el devanado primario cambia de amplitud, cambia simultáneamente en el secundario. La escala del voltímetro generalmente está graduada en el rango de voltaje primario.
El transformador es un elemento bastante complejo y costoso para la producción y el mantenimiento. Sin embargo, en muchas áreas estos dispositivos son indispensables y no hay alternativa a ellos.
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