Carga del Transformador

Carlos Julián

En nuestros artículos sobre los transformadores, nos toca hablar sobre la carga del transformador. ¿Qué pasa cuando un transformador está cargado? y ¿Qué sucede cuando no hay corriente a través de el dispositivo?

Los transformadores pueden proporcionar un voltaje en su devanado secundario, pero para transferir la energía eléctrica entre su entrada y salida deben cargarse.

Índice

Principios de Carga de un Transformador
- Transformador sin carga
- Transformador con carga
Regla de Proporción del Transformador
- Corriente de carga del transformador
Regulación de voltaje del transformador

Principios de Carga de un Transformador

En los artículos de transformadores anteriores, hemos asumido que el transformador es ideal, es decir, en el que no hay pérdidas de núcleo ni de cobre en los devanados de los transformadores. Sin embargo, en los transformadores del mundo real siempre habrá pérdidas asociadas con la carga de los transformadores a medida que el transformador se pone en "carga". Pero a qué nos referimos con: Carga del transformador .

Bueno, primero veamos qué sucede con un transformador cuando está en esta condición de "sin carga", es decir, sin carga eléctrica conectada a su devanado secundario y, por lo tanto, no fluye corriente secundaria.

Se dice que un transformador está "sin carga" cuando su devanado lateral secundario está en circuito abierto, en otras palabras, no hay nada conectado y la carga del transformador es cero. Cuando se conecta un suministro sinusoidal de CA (Corriente Alterna) al devanado primario de un transformador, una pequeña corriente fluirá a través del devanado de la bobina primaria debido a la presencia de la tensión de suministro primaria.

Con el circuito secundario abierto, es decir no hay nada conectado, un campo electromagnético junto con la resistencia del devanado primario actúa para limitar el flujo de esta corriente primaria. Obviamente, esta corriente primaria sin carga debe ser suficiente para mantener un campo magnético necesario para producir la señal eléctrica de retroceso requerida.

Transformador sin carga

El amperímetro anterior (que se muestra en la imagen) indicará una pequeña corriente que fluye a través del devanado primario y aunque el circuito secundario esté en circuito abierto. Esta corriente primaria sin carga se compone de los siguientes dos componentes:

✔️ $\displaystyle {{I}_{E}}$ Una corriente en fase que suministra las pérdidas del núcleo (corrientes de Foucault e Histéresis).

✔️ $\displaystyle {{I}_{M}}$ Una pequeña corriente, a 90° de forma fasorial al voltaje que establece el flujo magnético.

Tenga en cuenta que esta corriente primaria sin carga, (Io) es muy pequeña en comparación con la corriente de carga completa normal de los transformadores. También debido a las pérdidas de hierro presentes en el núcleo, así como a una pequeña cantidad de pérdidas de cobre en el devanado primario, (Io) no se queda atrás del voltaje de suministro, Vp está exactamente a 90° o mejor dicho cuando el cosΦ = 0.

Veamos el siguiente ejemplo de cálculo

Ejemplo 1. Un transformador monofásico tiene un componente de energía (IE) de 3A, y un componente de magnetización (IM) de 7A, calcule la corriente sin carga IO, y el factor de potencia resultante

Solución:

Aplicando la fórmula de:

$\displaystyle {{I}_{O}}=\sqrt{{{I}_{M}}^{2}+{{I}_{E}}^{2}}$

Y sustituyendo en nuestra fórmula, tenemos:

$\displaystyle {{I}_{O}}=\sqrt{{{7}^{2}}+{{3}^{2}}}=\sqrt{58}=7.6A$

Ahora, para encontrar a nuestro factor de potencia resultante, aplicamos.

$\displaystyle sen\phi =\frac{{{I}_{M}}}{{{I}_{O}}}=\frac{7A}{7.6A}=0.9210$

Aplicando el arcoseno de esa cantidad, obtenemos:

$\displaystyle \phi =se{{n}^{-1}}(0.9210)=67.08{}^\circ$

Transformador con carga

¿Y qué sucede cuando un transformador posee carga?, bien, cuando se conecta una carga eléctrica al devanado secundario de un transformador y, por lo tanto, la carga del transformador es mayor que cero, fluye una corriente en el devanado secundario y sale hacia la carga. Esta corriente secundaria se debe a la tensión secundaria inducida, configurada por el flujo magnético creado en el núcleo a partir de la corriente primaria.

La corriente secundaria (IS) que está determinada por las características de la carga, crea un campo magnético secundario auto-inducido, ΦS en el núcleo del transformador que fluye en la dirección exactamente opuesta al campo primario principal, ΦP . Estos dos campos magnéticos se oponen entre sí y dan como resultado un campo magnético combinado de menos fuerza magnética que el campo único producido por el devanado primario solo cuando el circuito secundario estaba en circuito abierto.

Este campo magnético combinado reduce la parte posterior del campo magnético del devanado primario haciendo que la corriente primaria, IP aumente ligeramente. La corriente primaria continúa estará aumentando hasta que el campo magnético del núcleo recupere su fuerza original, y para que un transformador funcione correctamente, siempre debe existir una condición equilibrada entre los campos magnéticos primario y secundario. Esto da como resultado que la potencia sea equilibrada y la misma en los lados primario y secundario.

Sabemos que la relación de vueltas de un transformador establece que la tensión total inducida en cada bobina es proporcional al número de espiras en ese devanado y también que la salida de potencia y la entrada de potencia de un transformador son iguales a los volts-ampere, es decir:

$\displaystyle \frac{{{V}_{P}}}{{{V}_{S}}}=\frac{{{I}_{S}}}{{{I}_{P}}}$

Pero también sabemos previamente que la relación de voltaje de un transformador es igual a la relación de giros de un transformador y está dada como: "relación de voltaje = relación de giros". Luego, la relación entre el voltaje, la corriente y el número de vueltas en un transformador se puede vincular de la siguiente manera:

Regla de Proporción del Transformador

Veamos la siguiente ecuación:

$\displaystyle n=\frac{{{N}_{P}}}{{{N}_{S}}}=\frac{{{V}_{P}}}{{{V}_{S}}}=\frac{{{I}_{S}}}{{{I}_{P}}}$

Dónde:

N_P/N_S = V_P/V_S Representa la relación de voltaje

N_P/N_S = I_S/I_P Representa la relación actual

Tenga en cuenta que la corriente es inversamente proporcional tanto al voltaje como al número de vueltas.

Esto significa que con un transformador cargando en el devanado secundario, pueda mantener un nivel de potencia equilibrado entre los devanados de los transformadores, si se aumenta el voltaje, la corriente debe reducirse y viceversa. En otras palabras, “mayor voltaje - menor corriente” o “menor voltaje - mayor corriente”.

Como una relación de transformadores es la relación entre el número de vueltas en el primario y el secundario, podemos reorganizar la ecuación de la relación del transformador anterior para encontrar el valor de cualquier voltaje desconocido, corriente o número de vueltas.

Formulas de carga del transformador

La corriente total extraída del suministro por el devanado primario es la suma vectorial de la corriente sin carga (IO) y la corriente de suministro adicional,(I1) es el resultado de la carga del transformador secundario, que este a su vez se retrasa detrás del voltaje de suministro en un ángulo de Φ.

Corriente de carga del transformador

Podemos mostrar esta relación como un diagrama fasorial.

Si se nos dan corrientes, I_S e Io , podemos calcular la corriente primaria, I_P mediante los siguientes métodos:

Ejemplo 2. Un transformador monofásico tiene 1000 vueltas en su devanado primario y 200 vueltas en su devanado secundario. La corriente "sin carga" de los transformadores es tomada de la fuente de 3A, con un factor de potencia de 0.2 de retraso. Calcule la corriente del devanado primario (Ip) y su factor de potencia correspondiente Φ cuando la corriente secundaria que suministra una carga del transformador es de 280 A con una demora de 0.8.

Solución:

Si aplicamos la fórmula tendremos:

$\displaystyle \frac{{{N}_{P}}}{{{N}_{S}}}=\frac{{{I}_{S}}}{{{I}_{1}}}$

Despejando I1

$\displaystyle {{I}_{1}}=\frac{{{N}_{S}}\times {{I}_{S}}}{{{N}_{P}}}$

Reemplazando los datos, tenemos:

$\displaystyle {{I}_{1}}=\frac{{{N}_{S}}\times {{I}_{S}}}{{{N}_{P}}}=\frac{\left( 200 \right)\left( 280 \right)}{1000}=56A$

y de forma muy fácil podemos calcular los ángulos de fase.

$\displaystyle {{\phi }_{O}}={{\cos }^{-1}}\left( 0.2 \right)=78.5{}^\circ$

$\displaystyle {{\phi }_{S}}={{\cos }^{-1}}\left( 0.8 \right)=36.8{}^\circ$

Ahora si podemos calcular las componentes vectoriales

Empezando con "x"

$\displaystyle {{I}_{x}}={{I}_{O}}sen{{\phi }_{O}}+{{I}_{1}}sen{{\phi }_{S}}$

$\displaystyle {{I}_{x}}=3sen\left( 78.5{}^\circ \right)+56sen\left( 36.8{}^\circ \right)$

$\displaystyle {{I}_{x}}=36.48A$

Ahora con "y"

$\displaystyle {{I}_{y}}={{I}_{O}}\cos {{\phi }_{O}}+{{I}_{1}}\cos {{\phi }_{S}}$

$\displaystyle {{I}_{y}}=3\cos \left( 78.5{}^\circ \right)+56\cos \left( 36.8{}^\circ \right)$

$\displaystyle {{I}_{y}}=45.44A$

Realizando el último cálculo

$\displaystyle \cos \phi =\frac{{{I}_{y}}}{{{I}_{x}}}=\frac{45.44A}{58.3A}=0.78$

$\displaystyle \phi =38.8{}^\circ$

Es posible que haya notado que el ángulo de fase de la corriente primaria, φ_P es casi la misma que la del ángulo de fase de corriente secundaria φ_S . Esto se debe al hecho de que la corriente sin carga de 3 amperios es muy pequeña en comparación con los 56 amperios mayores extraídos por el devanado primario del suministro.

En la vida real real, los devanados del transformador tienen impedancias tanto de XL como de R. Estas impedancias deben tenerse en cuenta al dibujar los diagramas de fasores, ya que estas impedancias internas causan caídas de voltaje dentro de los devanados de los transformadores. Las impedancias internas se deben a la resistencia de los devanados y a una caída de inductancia llamada reactancia de fuga que resulta del flujo de fuga. Estas impedancias internas se dan como:

Por lo tanto, los devanados primarios y secundarios de un transformador poseen resistencia y reactancia. A veces, puede ser más conveniente que todas estas impedancias están en el mismo lado del transformador para facilitar los cálculos.

Es posible mover las impedancias primarias hacia el lado secundario o las impedancias secundarias hacia el lado primario. Los valores combinados de las impedancias R y L se denominan "Impedancias referidas" o "valores referidos". El objetivo aquí es agrupar las impedancias dentro del transformador y tener solo un valor de R y XL en nuestros cálculos.

Para mover una resistencia de un lado del transformador al otro, primero debemos multiplicarlos por el cuadrado de la relación de giros en nuestros cálculos. Por ejemplo, para mover una resistencia de 2Ω de un lado a otro en un transformador que tiene una relación de giros de 8:1 tendrá un nuevo valor resistivo de: 2 x 8 ² = 128Ω

¿Se entiende?

Tenga en cuenta que si mueve una resistencia desde un lado de mayor voltaje, el nuevo valor de resistencia aumentará y si mueve la resistencia desde un lado de menor voltaje, su nuevo valor disminuirá. Esto se aplica también a la resistencia de la carga y la reactancia.

Regulación de voltaje del transformador

La regulación de voltaje de un transformador se define como el cambio en el voltaje del terminal secundario cuando la carga del transformador es máxima, es decir, la carga completa se aplica mientras el voltaje de suministro primario se mantiene constante.

La regulación determina la caída (o aumento) de voltaje que se produce dentro del transformador ya que el voltaje de carga se vuelve demasiado bajo como resultado de que la carga de los transformadores sea alta, lo que por lo tanto afecta su rendimiento y eficiencia.

La regulación de voltaje se expresa como un porcentaje (o por unidad) del voltaje sin carga. Entonces, si E representa la tensión secundaria sin carga y V representa la tensión secundaria a plena carga, el porcentaje de regulación de un transformador se da como:

Entonces, por ejemplo, un transformador entrega 100 voltios sin carga y la tensión cae a 95 voltios a plena carga, la regulación sería del 5%. El valor de E - V dependerá de la impedancia interna del devanado que incluye su resistencia, R y, más significativamente, su reactancia "X" de CA, la corriente y el ángulo de fase.

También la regulación de voltaje generalmente aumenta a medida que el factor de potencia de la carga se vuelve más retrasado (inductivo). La regulación de voltaje con respecto a la carga del transformador puede tener un valor positivo o negativo, es decir, con el voltaje sin carga como referencia, el cambio en la regulación a medida que se aplica la carga, o con la carga completa como referencia y el cambio En regulación a medida que se reduce o elimina la carga.

En general, la regulación del transformador tipo núcleo cuando la carga del transformador es alta no es tan buena como la del transformador tipo carcasa. Esto se debe a que el transformador tipo carcasa tiene una mejor distribución de flujo debido al entrelazado de los devanados de la bobina.

Carlos Julián

Carlos Julián es Ingeniero Mecatrónico, profesor de Física y Matemáticas.

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Antonio dice:

octubre 18, 2022 a las 9:20 am

En la imagen
https://ingtelecto.com/wp-content/uploads/2018/11/ecuaciones.png
Ahi un error en la formula de Np= (Ns*Vp)/Np esta mal ese denominador
y lo correcto seria: Np= (Ns*Vp)/Vs o Np= (Vp*Ns)/Vs
arreglenlo cuanto antes

Responder
1. Carlos Julián dice:
  
  octubre 25, 2022 a las 6:39 pm
  
  Gracias Antonio, lo hemos mandado arreglar cuanto antes.
  
  Responder
2. Carlos Julián dice:
  
  noviembre 16, 2022 a las 5:19 pm
  
  Ya se corrigió, muchas gracias Antonio.
  
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