Los fundamentos de los transformadores
Este documento explica la teoría básica y el funcionamiento de los transformadores.
1. Introducción a los transformadores
El diseño y las pruebas de transformadores a veces se consideran un arte más que una ciencia.
Los transformadores son dispositivos imperfectos y habrá diferencias entre los valores de diseño de un transformador, sus mediciones de prueba y su desempeño en la vida real en un circuito.
Volviendo a lo básico, esta nota técnica ayudará a los ingenieros de diseño y pruebas a comprender cómo las características eléctricas de un transformador son el resultado de las propiedades físicas del núcleo y los devanados.
2. Teoría básica del transformador
La figura anterior representa los elementos esenciales de un transformador: un núcleo magnético con una bobina primaria y secundaria enrollada en las extremidades del núcleo magnético.
Un voltaje alterno (Vp) aplicado al primario crea una corriente alterna (Ip) a través del primario.
Esta corriente produce un flujo magnético alterno en el núcleo magnético.
Este flujo magnético alterno induce un voltaje en cada vuelta del primario y en cada vuelta del secundario.
Como el flujo es constante, es decir el mismo tanto en primario como en secundario:
Esta ecuación muestra que se puede usar un transformador para aumentar o reducir un voltaje de CA controlando la relación de vueltas primarias y secundarias. (Acción del transformador de tensión).
También se puede demostrar que:
Voltios amperios primarios = Voltios amperios secundarios
Esta ecuación muestra que se puede usar un transformador para aumentar o reducir una corriente alterna controlando la relación de vueltas primarias y secundarias. (Acción del transformador de corriente)
Se observará que no existe conexión eléctrica entre los devanados primario y secundario.
Por lo tanto, un transformador proporciona un medio para aislar un circuito eléctrico de otro.
Estas características (transformación de voltaje/corriente y aislamiento) no se pueden obtener de manera eficiente por ningún otro medio, con el resultado de que los transformadores se utilizan en casi todos los equipos eléctricos y electrónicos del mundo.
3. Curvas BH
Cuando el primario de un transformador se energiza con el secundario descargado, fluye una pequeña corriente en el primario. Esta corriente crea una "fuerza magnetizante" que produce el flujo magnético en el núcleo del transformador.
La fuerza magnetizante (H) es igual al producto de la corriente magnetizante y el número de vueltas, y se expresa como Amperios - Giros.
Para cualquier material magnético dado, se puede trazar la relación entre la fuerza magnetizante y el flujo magnético producido. Esto se conoce como curva BH del material.
De la curva BH se puede ver que, a medida que la fuerza magnetizante aumenta desde cero, el flujo aumenta hasta un cierto valor máximo de flujo.
Por encima de este nivel, mayores aumentos en la fuerza magnetizante no dan como resultado un aumento significativo en el flujo. Se dice que el material magnético está "saturado".
Normalmente, un transformador está diseñado para garantizar que la densidad de flujo magnético esté por debajo del nivel que causaría la saturación.
La densidad de flujo se puede determinar mediante la siguiente ecuación:
Dónde:
E representa el valor RMS del voltaje aplicado.
N representa el número de vueltas del devanado.
B representa el valor máximo de la densidad de flujo magnético en el núcleo (Tesla).
A representa el área de la sección transversal del material magnético en el núcleo (metros cuadrados).
f representa la frecuencia de los voltios aplicados.
Nota
1 Tesla = 1 Weber/metro²
1 Weber/m² = 10.000 Gauss
1 amperio-vuelta por metro = 4 px 10-3 Oersteds
En la práctica, todos los materiales magnéticos, una vez magnetizados, retienen parte de su magnetización incluso cuando la fuerza magnetizante se reduce a cero.
Este efecto se conoce como "remanencia" y da como resultado que la curva BH del material muestre una respuesta a una fuerza magnetizante decreciente que es diferente a la respuesta a una fuerza magnetizante creciente.
En la práctica, los materiales magnéticos reales tienen una curva BH de la siguiente manera:
La curva que se muestra arriba se denomina bucle de 'histéresis' del material y representa la verdadera respuesta BH del material. (La primera curva de BH representó el promedio o media de la verdadera respuesta del bucle de BH).
La pendiente de la curva BH, el nivel de saturación y el tamaño del bucle de histéresis dependen del tipo de material utilizado y de otros factores.
Esto se ilustra utilizando los siguientes ejemplos:
 | Núcleo de hierro de baja calidad. Densidad de flujo de alta saturación Bucle grande = gran pérdida de histéresis Adecuado para 50/60 Hz |
 | Núcleo de hierro de alta calidad Densidad de flujo de alta saturación Bucle medio = pérdida de histéresis media Adecuado para transformadores de 400 Hz. |
 | Núcleo de ferrita: sin espacio de aire Densidad de flujo de saturación media Bucle pequeño = pequeña pérdida de histéresis Adecuado para transformadores de alta frecuencia. |
 | Núcleo de ferrita: gran espacio de aire Bucle pequeño = pequeña pérdida de histéresis Adecuado para inductores de alta frecuencia con gran corriente CC. |
4. Pérdida por histéresis
La pérdida por histéresis es el resultado del ciclo del material magnético a lo largo de su curva BH.
Representa la energía tomada como voltaje aplicado, alinea los dipolos magnéticos primero en una dirección y luego en la otra.
La pérdida aumenta con el área de la curva BH encerrada. A medida que el material se acerca a la saturación, tanto el área dentro de la curva como la correspondiente pérdida de energía en cada ciclo aumentan sustancialmente.
5. Pérdida por corrientes de Foucault
La pérdida por corrientes parásitas es causada por pequeñas corrientes que circulan dentro del material del núcleo, estimuladas por el flujo alterno en el núcleo.
La pérdida de potencia I*I*R (pérdida de "calentamiento") asociada con estas corrientes produce un calentamiento del núcleo conocido como pérdida por corrientes parásitas.
En los transformadores con núcleo de hierro, se utilizan láminas de hierro aisladas conocidas como laminaciones para minimizar este efecto al restringir el camino para las corrientes circulantes.
Los núcleos de ferrita restringen aún más estos caminos.
6. Circuito equivalente de transformador
Un transformador ideal con un devanado primario y dos devanados secundarios se puede representar como se muestra a continuación.
Un transformador de este tipo tiene las siguientes características:
• Sin pérdidas
• Acoplamiento perfecto entre todos los devanados
• Impedancia de circuito abierto infinita (es decir, sin corriente de entrada cuando los secundarios están en circuito abierto).
• Aislamiento infinito entre devanados
En realidad, los transformadores prácticos muestran características que difieren de las de un transformador ideal.
Muchas de estas características pueden representarse mediante un circuito equivalente de transformador:
Dónde:
R1, R2, R3 representan la resistencia del cable bobinado.
C1, C2, C3 representan la capacitancia entre los devanados.
Rp representa las pérdidas debidas a las corrientes parásitas y a las pérdidas por histéresis. Estas son las pérdidas de potencia reales, a veces llamadas pérdidas del núcleo, que pueden medirse realizando una medición de potencia en circuito abierto. Debido a que no hay corriente de carga, hay muy poca pérdida de cobre I 2 R en el devanado energizado, y los vatios medidos sin carga se deben casi todos al núcleo.
Lp representa la impedancia debida a la corriente magnetizante. Esta es la corriente que genera la fuerza magnetizante, H, utilizada en los diagramas de bucle de BH. Tenga en cuenta que esta corriente puede no ser una onda sinusoidal simple, sino que puede tener una forma puntiaguda y distorsionada, si el transformador se opera en la región no lineal de la curva BH. Este suele ser el caso de los transformadores de tipo laminado de frecuencia de línea.
L1, L2, L3 representan la inductancia de fuga de cada uno de los devanados. (Esto se analiza en detalle en la Nota Voltech 104-105, "Inductancia de fuga".)
7. Conclusiones
El circuito equivalente de un transformador refleja las propiedades reales del circuito magnético que comprende el núcleo y los devanados.
Por lo tanto, el circuito equivalente se puede utilizar con confianza para comprender y predecir el rendimiento eléctrico del transformador en diversas situaciones.
8. Lecturas adicionales
El circuito equivalente también se puede utilizar para ayudar a comprender y optimizar las pruebas y las condiciones de prueba que se pueden utilizar para comprobar que un transformador se ha construido correctamente.
Otras notas técnicas de esta serie analizan cómo se utilizan los parámetros del circuito equivalente para derivar pruebas prácticas para transformadores para garantizar su calidad en un entorno de fabricación.