Transformador de Corriente

Siguiendo nuestro estudio sobre transformadores, existen también los transformadores de corriente , pero ¿para qué sirven? ¿cómo funcionan? todo eso lo veremos a continuación. Aprenderemos los puntos más sobresalientes de éstos dispositivos.

¿Qué es un transformador de corriente?

El transformador de corriente es un tipo de “transformador de instrumentos” que está diseñado para producir una corriente alterna en su devanado secundario y que es proporcional a la corriente que se mide en su primario. Los transformadores de corriente reducen las corrientes de alto voltaje a un valor mucho más bajo y proporcionan una manera conveniente de monitorear con seguridad la corriente eléctrica real que fluye en una línea de transmisión de CA usando un amperímetro estándar.

El principio de funcionamiento de un transformador de corriente básico es ligeramente diferente del de un transformador de voltaje ordinario

A diferencia del resto de transformadores, el transformador de corriente consta de solo una o muy pocas vueltas como su devanado primario. Este devanado primario puede ser de una sola vuelta plana, y se ilustra con una bobina de alambre de alta resistencia que está enrollada alrededor del núcleo o bien, simplemente un conductor o barra de bus colocada a través de un orificio central. Podemos ver un ejemplo en la siguiente imagen

Debido a este tipo de disposición, el transformador de corriente a menudo se conoce también como un "transformador en serie", ya que el devanado primario, que por lo general tiene más de unas cuantas vueltas, está en serie con el conductor de corriente que suministra una carga.

Sin embargo, el devanado secundario puede tener un gran número de vueltas de bobina enrolladas en un núcleo laminado de material magnético y de baja pérdida. Este núcleo tiene un área de sección transversal grande, de modo que la densidad de flujo magnético creada es baja si se usa un cable de área de sección transversal mucho más pequeño, dependiendo de cuánto debe reducirse la corriente mientras trata de generar una corriente constante, independiente de la conexión de carga.

El devanado secundario suministrará una corriente en cortocircuito, en la forma de un amperímetro, o en una carga resistiva hasta que el voltaje inducido en el secundario sea lo suficientemente grande como para saturar el núcleo o causar un fallo debido a una ruptura de excesivo voltaje.

A diferencia de un transformador de voltaje, la corriente primaria de un transformador de corriente no depende de la corriente de carga secundaria, sino que está controlada por una carga externa. La corriente secundaria generalmente se clasifica a un amper estándar o 5 amperes para clasificaciones de corriente primaria más grandes.

Hay tres tipos básicos de transformadores de corriente: bobinado , toroidal y de barra.

Transformador de corriente bobinado

En este tipo de transformador el devanado primario de los transformadores está conectado físicamente en serie con el conductor que transporta la corriente medida que fluye en el circuito. La magnitud de la corriente secundaria depende de la relación de vueltas del transformador.

Transformador de corriente toroidal

En este transformador no contiene un devanado primario. En cambio, la línea que transporta la corriente que fluye en la red se pasa por una ventana o un orificio en el transformador toroidal. Algunos transformadores de corriente tienen un "núcleo dividido" que permite abrirlos, instalarlos y cerrarlos sin desconectar el circuito al que están conectados.

Transformador de corriente tipo barra

En este tipo de transformador de corriente utiliza el cable real o la barra de bus del circuito principal como el devanado primario, que equivale a una sola vuelta. Están completamente aislados de la alta tensión de operación del sistema y generalmente están atornillados al dispositivo de transporte de corriente.

Ejemplo de Transformador de Corriente

En general, los transformadores de corriente y los amperímetros se usan juntos como un par en el que el diseño del transformador de corriente es tal que proporciona una corriente secundaria máxima correspondiente a una desviación a gran escala en el amperímetro. En la mayoría de los transformadores de corriente, existe una relación de vueltas inversa aproximada entre las dos corrientes en los devanados primario y secundario. Esta es la razón por la cual la calibración del TC es generalmente para un tipo específico de amperímetro.

La mayoría de los transformadores de corriente tienen una clasificación secundaria estándar de 5A con las corrientes primarias y secundarias que se expresan como una relación de 100/5. Esto significa que la corriente primaria es 20 veces mayor que la corriente secundaria, por lo que cuando fluyen 100A en el conductor primario, se producirán 5A en el devanado secundario. Un transformador de corriente de, por ejemplo, 500/5, producirá 5A en el secundario para 500A en el conductor primario, 100 veces más.

Al aumentar el número de devanados secundarios (Ns) la corriente secundaria se puede hacer mucho más pequeña que la corriente en el circuito primario que se mide, esto es porque a medida que aumenta (Ns), la corriente (Is) disminuye en una cantidad proporcional. En otras palabras, el número de vueltas y la corriente en los devanados primario y secundario están relacionados por una proporción inversa.

Un transformador de corriente, como cualquier otro transformador, debe satisfacer la ecuación de fuerza magnetomotriz (amperio-vuelta) y sabemos por nuestro artículo sobre transformadores de voltaje de doble bobina que esta relación de giros es igual a:

Donde si despejamos a la corriente secundaria, tenemos:

La relación actual establecerá la relación de giros y, como la primaria generalmente consta de una o dos vueltas, mientras que la secundaria puede tener varios cientos de vueltas, la relación entre la primaria y la secundaria puede ser bastante grande. Por ejemplo, suponga que la clasificación actual del devanado primario es 100A. El devanado secundario tiene la calificación estándar de 5A. Entonces, la relación entre las corrientes primarias y secundarias es de 100A a 5A, o 20:1. En otras palabras, la corriente primaria es 20 veces mayor que la corriente secundaria.

Sin embargo, se debe tener en cuenta que un transformador de corriente clasificado como 100/5 no es lo mismo que uno clasificado como 20/1 o subdivisiones de 100/5. Esto se debe a que la relación de 100/5 expresa la "clasificación de corriente de entrada / salida" y no la relación real de las corrientes primarias a las secundarias. También tenga en cuenta que el número de vueltas y la corriente en los devanados primario y secundario están relacionados por una proporción inversa.

Pero se pueden lograr cambios relativamente grandes en una relación de giros de transformadores de corriente modificando los giros primarios a través de la ventana del transformador de corriente, donde un giro primario es igual a un paso y más de un paso a través de la ventana hace que se modifique la relación eléctrica.

Entonces, por ejemplo, un transformador de corriente con una relación 300 / 5A puede convertirse en otro de 150 / 5A o incluso de 100 / 5A pasando el conductor primario principal a través de su ventana interior dos o tres veces, como se muestra en la siguiente imagen. Esto permite que un transformador de corriente de mayor valor proporcione la corriente de salida máxima para el amperímetro cuando se usa en líneas de corriente primaria más pequeñas.

Cálculo en un transformador de Corriente

Veamos el siguiente ejemplo resuelto, para entender un poco mejor el tema.

Solución: 

Para el cálculo de la corriente secundaria, aplicamos.

Voltaje a través del amperímetro:

Podemos ver más arriba que, dado que el secundario del transformador de corriente está conectado a través del amperímetro, que tiene una resistencia muy pequeña, la caída de voltaje en el devanado secundario es de solo 1 volt a la corriente primaria completa.

Sin embargo, si se retira el amperímetro, el devanado secundario se convierte en un circuito abierto y, por lo tanto, el transformador actúa como un transformador elevador. Esto se debe en parte al gran aumento en el flujo de magnetización en el núcleo secundario, ya que la reactancia de fuga secundaria influye en el voltaje inducido secundario porque no hay una corriente opuesta en el devanado secundario para evitar esto.

El resultado es un voltaje muy alto inducido en el devanado secundario igual a la relación de: Vp (Ns/Np) que se está desarrollando a través del devanado secundario. Por ejemplo, supongamos que nuestro transformador de corriente desde arriba se usa en una línea de alimentación trifásica de 480 volts a tierra

De la siguiente ecuación tendríamos:

Despejando a Vs

Este alto voltaje se debe a que la relación de volts por vuelta es casi constante en los devanados primario y secundario y como Vs = Ns * Vp los valores de Ns y Vp son valores altos, por lo que Vs es extremadamente alto.

Por esta razón, un transformador de corriente nunca debe dejarse abierto ni operado sin carga cuando la corriente primaria principal fluye a través de él, como un transformador de voltaje nunca debe operar en un cortocircuito. Si se va a retirar el amperímetro (o la carga), primero se debe colocar un cortocircuito en los terminales secundarios para eliminar el riesgo de descarga.

Este alto voltaje se debe a que cuando el secundario está en circuito abierto, el núcleo de hierro del transformador funciona a un alto grado de saturación y sin nada que lo detenga, produce un voltaje secundario sumamente grande, tal como lo vemos en el ejemplo anterior, este se calculó a 76.8 kV. Esta alta tensión secundaria podría dañar el aislamiento o provocar una descarga eléctrica si se tocan accidentalmente los terminales del transformador de corriente.

Transformadores de corriente de mano

Hoy en día existen muchos tipos de transformadores de corriente disponibles en el mercado. Uno de los más populares y portátiles que existen que se puede usar para medir la carga de un circuito se llama "medidores de pinza" o también conocidos como "medidores de gancho".

Los medidores de pinza se abren y se cierran alrededor de un conductor de corriente y miden su corriente determinando el campo magnético a su alrededor, proporcionando una lectura de medición rápida generalmente en una pantalla digital sin desconectar o abrir el circuito.

Además del tipo de abrazadera de mano, se encuentran disponibles transformadores de corriente de núcleo dividido que tienen un extremo extraíble para que el conductor de carga o la barra colectora no tengan que desconectarse para instalarlo. Están disponibles para medir corrientes desde 100 hasta 5000 amperios, con tamaños de ventana cuadrada de 25 a 300 mm.

Conclusión

Una bobina primaria de transformadores de corriente siempre está conectada en serie con el conductor principal que la genera, y también se la denomina transformador en serie. La corriente secundaria nominal se clasifica en 1A o 5A para facilitar la medición. La construcción puede ser un solo giro primario como en los tipos toroidal, rosquilla o en forma de pastilla generalmente para relaciones de corriente bajas.

Los transformadores de corriente están diseñados para ser utilizados como dispositivos de corriente proporcionales. Por lo tanto, un devanado secundario de transformadores de corriente nunca debe operarse en un circuito abierto, al igual que un transformador de voltaje nunca debe operarse en un cortocircuito.

Se producirán voltajes muy altos como resultado del circuito abierto del circuito secundario de un transformador de corriente energizado, por lo que sus terminales deben estar cortocircuitados si se va a retirar el amperímetro o cuando no se está utilizando un transformador de corriente directa antes de encender el sistema.