¿Cómo eleva o reduce el voltaje un transformador de potencia?

Los transformadores aumentan o disminuyen la tensión alterna mediante inducción electromagnética . Su tensión de salida se determina principalmente por la relación entre el número de espiras del devanado primario y el número de espiras del devanado secundario.

Si el secundario tiene más espiras que el primario, el transformador eleva la tensión. Si el secundario tiene menos espiras, lo reduce.

Aunque el principio es sencillo, un transformador práctico también debe diseñarse para la corriente requerida, la potencia nominal, la frecuencia, el aislamiento, el aumento de temperatura, la eficiencia y las normas de seguridad aplicables.

What is a Transformador ?

Un transformador es un dispositivo eléctrico pasivo que transfiere energía entre dos o más devanados mediante un campo magnético variable.

Un transformador de aislamiento convencional contiene tres partes principales:

• Devanado primario: conectado a la fuente de alimentación de entrada
• Devanado secundario: suministra voltaje a la carga
• Núcleo magnético: proporciona un camino de baja reluctancia para el flujo magnético alterno

Los devanados primario y secundario normalmente están aislados eléctricamente, pero acoplados magnéticamente mediante el núcleo. Este aislamiento puede mejorar la seguridad eléctrica y evitar una conexión conductiva directa entre la entrada y la salida.

Sin embargo, no todos los transformadores ofrecen aislamiento. Un autotransformador transformador autotransformador, por ejemplo, utiliza un devanado compartido y, por tanto, no proporciona la misma separación galvánica.

¿Cómo funciona un transformador?

El funcionamiento del transformador se basa en La ley de inducción electromagnética de Faraday un flujo magnético variable a través de una bobina induce una fuerza electromotriz en dicha bobina.

El proceso se puede comprender en tres etapas.

1. El devanado primario produce flujo magnético

Cuando se aplica una tensión alterna al devanado primario, se genera una corriente alterna. Esta corriente establece un flujo magnético variable en el núcleo del transformador.

2. El núcleo acopla el flujo magnético

El núcleo magnético dirige la mayor parte del flujo magnético variable a través de ambos devanados. Los materiales y los métodos de construcción del núcleo se seleccionan para lograr un acoplamiento magnético eficaz, limitando al mismo tiempo las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis.

3. El devanado secundario desarrolla una tensión

Como el flujo magnético variable del núcleo atraviesa el devanado secundario, induce una tensión en dicho devanado. La tensión inducida aumenta con el número de espiras del devanado secundario.

Esta relación se deriva directamente de la ley de Faraday y constituye la base tanto de los transformadores elevadores como de los reductores. OpenStax University Physics proporciona una derivación detallada de las ecuaciones del transformador.

La Transformador Fórmula de la relación de espiras

Para un transformador ideal:

Vs / Vp = Ns / Np

Donde:

• Vp = tensión de entrada primaria
• Vs = tensión de salida secundaria
• Np = número de espiras en el devanado primario
• Ns = número de espiras en el devanado secundario

La relación de tensión es, por tanto, igual a la relación de espiras del devanado.

Transformador Elevador

Un transformador eleva la tensión cuando:

Ns > Np

Por lo tanto:

Vs > Vp

El devanado secundario tiene más espiras que el devanado primario, por lo que el voltaje secundario es mayor que el voltaje primario.

Transformador de Bajada

Un transformador reduce el voltaje cuando:

Ns < Np

Por lo tanto:

Vs < Vp

El devanado secundario tiene menos espiras que el devanado primario, por lo que el voltaje secundario es menor que el voltaje primario.

Transformador de aislamiento 1:1

Cuando los devanados primario y secundario tienen aproximadamente el mismo número de espiras:

Ns = Np

Por lo tanto:

Vs ≈ Vp

El voltaje de salida es aproximadamente igual al voltaje de entrada.

Ejemplo práctico de un transformador reductor

Supongamos que un transformador debe convertir 230 V CA a 24 V CA.

La relación de vueltas requerida es:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Si el devanado primario tiene 1.000 vueltas:

Ns = 1.000 × 0,104

Ns ≈ 104 vueltas

Por lo tanto, el devanado secundario ideal tendría aproximadamente 104 vueltas.

En un transformador práctico, el fabricante puede añadir vueltas al devanado secundario para compensar la resistencia del devanado y la caída de tensión bajo carga.

Ejemplo práctico de transformador elevador

Supongamos que un transformador debe elevar la tensión de 120 V CA a 240 V CA.

La relación de vueltas requerida es:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Si el devanado primario tiene 500 vueltas:

Ns = 500 × 2

Ns = 1.000 vueltas

El devanado secundario requiere, por lo tanto, aproximadamente el doble de espiras que el devanado primario.

¿Qué sucede con la corriente?

Un transformador cambia la corriente en dirección opuesta a la del voltaje.

Para un transformador ideal, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida:

Vp × Ip = Vs × Is

Donde:

• Vp = Voltaje primario
• Ip = Corriente primaria
• Vs = Voltaje secundario
• Is = Corriente secundaria

La relación de corriente es:

Is / Ip = Np / Ns

Por lo tanto:

• Transformador elevador: el voltaje aumenta y la corriente disponible disminuye.
• Transformador reductor: el voltaje disminuye y la corriente disponible aumenta.

Un transformador no genera energía adicional. En un transformador real, la potencia de salida es ligeramente menor que la potencia de entrada debido a las pérdidas por cobre, las pérdidas en el núcleo y otras pérdidas.

¿Por qué el devanado de baja tensión utiliza cable más grueso?

El devanado secundario de un transformador reductor normalmente conduce más corriente que su devanado primario; por lo tanto, generalmente requiere cable más grueso.

El tamaño del conductor debe seleccionarse según:

• Corriente RMS
• Densidad de corriente admisible
• Temperatura del devanado
• Temperatura ambiente
• Ciclo de trabajo
• Condiciones de enfriamiento
• Espesor de aislamiento
• Espacio disponible para los devanados

Utilizar un cable demasiado delgado incrementa la resistencia, la caída de voltaje, las pérdidas por cobre y la temperatura del devanado. Una temperatura excesiva puede acortar la vida del aislamiento y generar un riesgo para la seguridad.

En un transformador elevador, el devanado de mayor tensión normalmente utiliza más espiras de cable más delgado porque conduce menos corriente. El tamaño exacto del conductor sigue requiriendo un cálculo de ingeniería.

¿Por qué se utilizan transformadores en la transmisión de energía?

Para una potencia transmitida dada, aumentar la tensión reduce la corriente:

I = P / V

Donde:

• I = Corriente
• P = Potencia
• V = Tensión

Cuando la tensión aumenta, disminuye la corriente necesaria para transmitir la misma potencia.

Como la corriente aparece elevada al cuadrado en esta ecuación, reducir la corriente puede disminuir notablemente el calentamiento del conductor y las pérdidas en la transmisión.

Por tanto, los sistemas eléctricos utilizan transformadores elevadores para aumentar la tensión generada y permitir su transmisión a larga distancia. Cerca del punto de consumo, los transformadores reductores disminuyen la tensión hasta niveles adecuados para su distribución y utilización. El Departamento de Energía de EE. UU. explica asimismo que la transmisión a alta tensión reduce la corriente requerida y disminuye las pérdidas en las líneas. U.S. Department of Energy

¿Puede un transformador operar con corriente continua (CC)?

Un transformador convencional requiere un flujo magnético variable y, por lo tanto, no puede transformar continuamente una tensión continua constante.

Si se aplica directamente una corriente continua constante a un devanado de transformador estándar:

• No hay acción transformadora continua tras el transitorio inicial.
• La corriente en el devanado puede alcanzar niveles peligrosamente altos.
• El núcleo puede saturarse.
• El devanado puede sobrecalentarse o fallar.

Las fuentes de alimentación electrónicas pueden convertir una tensión CC mediante su conmutación previa a una frecuencia controlada. La forma de onda alterna resultante puede entonces alimentar un transformador de alta frecuencia o un inductor acoplado. Así funcionan muchos convertidores flyback, forward, push-pull, half-bridge y full-bridge.

La distinción clave es que un transformador convencional no transforma directamente una corriente continua constante; la CC debe conmutarse electrónicamente primero.

Ecuaciones ideales frente al rendimiento real del transformador

La ecuación de la relación de vueltas describe un transformador ideal. Los transformadores reales presentan pérdidas y caídas de tensión.

Pérdida por cobre

La pérdida resistiva de potencia en un conductor es:

Pérdida de potencia = I² × R

Para máxima compatibilidad con WordPress, esto también puede escribirse como:

Pérdida de potencia = I × I × R

Donde:

• I = Corriente que circula por el conductor
• R = Resistencia del conductor

Como la corriente aparece elevada al cuadrado en este cálculo, reducir la corriente puede disminuir significativamente las pérdidas en la línea de transmisión.

Pérdidas bajas en el núcleo

Un campo magnético alterno provoca pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo. Las pérdidas en el núcleo dependen de:

• Material del núcleo
• Frecuencia de funcionamiento
• Voltaje Aplicado
• Número de vueltas primarias
• Área de la sección transversal del núcleo
• Densidad de Flujo Magnético
• Espesor de laminación

Flujo de dispersión

No todo el flujo magnético enlaza ambos devanados. El flujo de dispersión afecta la regulación de tensión y puede generar interferencias electromagnéticas.

Corriente sin carga

Incluso sin carga secundaria, el devanado primario absorbe corriente para magnetizar el núcleo y cubrir las pérdidas en el núcleo.

Aumento de la temperatura

Las pérdidas por cobre y en el núcleo generan calor. Un transformador debe mantenerse dentro de los límites de temperatura de su sistema de aislamiento bajo las condiciones de carga y ambiente especificadas.

Regulación de tensión

La tensión de salida normalmente disminuye entre las condiciones de vacío y plena carga debido a la impedancia interna.

La regulación de tensión puede expresarse como:

Regulación de tensión (%) = [(Vvacío − Vplena carga) / Vplena carga] × 100

Por este motivo, los fabricantes pueden diseñar la tensión secundaria en vacío ligeramente superior a la tensión de salida nominal.

¿Afecta la frecuencia el diseño del transformador?

Sí. La frecuencia es un parámetro crítico de diseño.

Para una forma de onda senoidal, el voltaje aproximado RMS por devanado se relaciona con la frecuencia, el número de vueltas, el área del núcleo y la densidad máxima de flujo magnético mediante la siguiente ecuación:

V = 4,44 × f × N × A × Bmáx

Donde:

• V = voltaje RMS del devanado
• f = frecuencia de operación en hercios
• N = número de vueltas del devanado
• A = área efectiva de la sección transversal del núcleo
• Bmáx = densidad máxima de flujo magnético

Un transformador diseñado para 60 Hz no debe operarse automáticamente a 50 Hz a igual voltaje. La menor frecuencia puede incrementar la densidad de flujo magnético, lo que podría provocar saturación del núcleo, corriente excesiva, ruido y sobrecalentamiento.

El fabricante debe conocer la frecuencia de entrada real y el rango de voltaje antes de finalizar el diseño.

Cómo especificar un transformador elevador o reductor

Una especificación profesional de transformador debe incluir más que solo el voltaje de entrada y salida.

Proporcione la siguiente información al solicitar un diseño o una cotización:

• Tensión de entrada nominal
• Voltaje de entrada mínimo y máximo
• Frecuencia de entrada
• Voltaje o voltajes de salida requeridos
• Corriente de salida continua
• Corriente máxima y su duración
• Tipo de carga
• Potencia aparente (VA) requerida
• Ciclo de trabajo
• Dimensiones máximas
• Método de montaje
• Requisitos de cables de conexión o terminales
• Temperatura ambiente
• Condiciones de refrigeración y carcasa
• Elevación máxima de temperatura permitida
• Clase de aislamiento
• Requisitos de rigidez dieléctrica
• Protección electrostática o magnética requerida
• Requisitos del fusible térmico o del protector térmico
• País o mercado objetivo
• Requisitos de seguridad y medioambientales aplicables
• Cantidad estimada de producción

Proporcionar condiciones operativas completas ayuda a prevenir dimensionamientos incorrectos y mejora la regulación de tensión, la fiabilidad y la vida útil.

Preguntas frecuentes

¿Aumenta un transformador elevador la potencia?

No. Un transformador elevador aumenta la tensión pero reduce la corriente disponible. Su potencia de salida siempre es ligeramente inferior a su potencia de entrada porque un transformador real presenta pérdidas en el cobre, en el núcleo y otras pérdidas.

¿Un transformador reductor siempre proporciona más corriente?

Puede proporcionar una corriente secundaria nominal más elevada para un nivel de potencia aproximado similar, pero la corriente real depende de la carga conectada y de la capacidad nominal del transformador. Un transformador no impone su corriente máxima a la carga.

¿Están conectados los devanados primario y secundario?

En un transformador de aislamiento, están eléctricamente separados y acoplados mediante el núcleo magnético. En un autotransformador, parte del devanado se comparte, por lo que no existe aislamiento galvánico equivalente.

¿Puede un transformador suministrar varias tensiones de salida?

Sí. Un transformador puede utilizar múltiples devanados secundarios, devanados con toma central o derivaciones en los devanados para ofrecer distintas tensiones de salida.

¿Cómo calculo la potencia aparente (VA) de un transformador?

Para un transformador de CA sencillo con un solo devanado secundario:

VA = Vs × Is

Donde:

• VA = Potencia aparente nominal del transformador
• Vs = Tensión secundaria nominal
• Is = Corriente secundaria nominal

Ejemplo:

Tensión secundaria = 24 V CA
Corriente secundaria = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Para múltiples secundarios, la potencia aparente total requerida se calcula a partir de las cargas combinadas de los devanados, considerando adecuadamente el tipo de carga, el ciclo de trabajo, la eficiencia, la regulación, la rectificación y el aumento de temperatura.

Transformadores personalizados de elevación y reducción de tensión de Dingxin

Dingxin fabrica transformadores personalizados, incluidas soluciones de transformadores para clientes y equipos destinados al mercado europeo.

Los transformadores pueden desarrollarse según requisitos eléctricos, mecánicos, térmicos y de aplicación especificados, entre otros:

• Tensiones de entrada y salida personalizadas
• Diseños ascendentes y descendentes
• Múltiples devanados secundarios
• Construcciones EI y toroidales
• aplicaciones a 50 Hz y 60 Hz
• Valores personalizados de potencia aparente (VA)
• Cables de conexión, terminales, soportes y opciones de montaje
• Protección electrostática
• Fusibles térmicos y protectores térmicos
• Sistemas de aislamiento específicos para cada aplicación
• Diseños basados en los requisitos del mercado objetivo del cliente

Los requisitos finales de conformidad y certificación deben confirmarse durante el proceso de ingeniería, según el diseño del transformador, el equipo previsto y el mercado de destino.

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Envíe a Dingxin la siguiente información:

1. Tensión y frecuencia de entrada
2. Voltaje y corriente de salida requeridos
3. Condiciones de carga continua y pico
4. Dimensiones máximas
5. Requisitos de Montaje y Conexión
6. Temperatura de funcionamiento
7. Mercado objetivo y requisitos de conformidad
8. Cantidad estimada del pedido

Póngase en contacto con Dingxin hoy mismo para solicitar una revisión técnica, un diseño personalizado de transformador, una muestra o una cotización.