Tipos de transformadores
Un transformador es un dispositivo electromagnético estático que contiene de dos a varias bobinas ubicadas en un circuito magnético común y, por lo tanto, conectadas inductivamente entre sí. Sirve como transformador para convertir energía eléctrica de corriente alterna por medio de inducción electromagnética sin cambiar la frecuencia de la corriente. Los transformadores se utilizan tanto para la conversión de voltaje de CA como para aislamiento galvánico en diversos campos de la ingeniería eléctrica y electrónica.
Para ser justos, notamos que en algunos casos el transformador puede contener solo un devanado (autotransformador) y el núcleo puede estar completamente ausente (HF — transformador), pero la mayoría de los transformadores tienen un núcleo (circuito magnético) hecho de material ferromagnético magnético suave, y dos o más bobinas aisladas de cinta o alambre cubiertas por un flujo magnético común, pero primero en primer lugar. Veamos qué tipos de transformadores son, cómo están dispuestos y para qué se utilizan.
Transformador
Este tipo de transformadores de baja frecuencia (50-60 Hz) se utilizan en redes eléctricas, así como en instalaciones de recepción y conversión de energía eléctrica. ¿Por qué se llama poder? Porque es este tipo de transformador el que se utiliza para suministrar y recibir energía eléctrica desde y hacia las líneas eléctricas, donde la tensión puede alcanzar los 1150 kV.
En las redes eléctricas urbanas, la tensión alcanza los 10 kV. exactamente potentes transformadores de baja frecuencia el voltaje también cae a los 0,4 kV, 380/220 voltios requeridos por los consumidores.
Estructuralmente, un transformador de potencia típico puede contener dos, tres o más devanados dispuestos en un núcleo de acero eléctrico blindado, con algunos de los devanados de bajo voltaje alimentados en paralelo (transformador de devanado dividido).
Esto es útil para aumentar el voltaje recibido de múltiples generadores simultáneamente. Como regla general, el transformador de potencia se coloca en un tanque con aceite de transformador y, en el caso de muestras particularmente potentes, se agrega un sistema de enfriamiento activo.
Los transformadores de potencia trifásicos con una capacidad de hasta 4000 kVA se instalan en subestaciones y centrales eléctricas. Los trifásicos son más habituales, ya que se obtienen pérdidas hasta un 15% menores que con tres monofásicos.
Transformador de red
En las décadas de 1980 y 1990, los transformadores de línea se podían encontrar en casi todos los aparatos eléctricos. Con la ayuda de un transformador de red (normalmente monofásico) se reduce la tensión de una red doméstica de 220 voltios con una frecuencia de 50 Hz al nivel que requiere un aparato eléctrico, por ejemplo 5, 12, 24 o 48 voltios.
Los transformadores de línea a menudo se fabrican con múltiples devanados secundarios para que se puedan usar múltiples fuentes de voltaje para alimentar diferentes partes del circuito. En particular, los transformadores TN (transformador incandescente) siempre podrían (y aún pueden) encontrarse en circuitos donde hay tubos de radio.
Los transformadores de línea modernos se construyen sobre núcleos en forma de W, de varilla o toroidales de un conjunto de placas de acero eléctrico sobre las que se enrollan las bobinas. La forma toroidal del circuito magnético permite obtener un transformador más compacto.
Si comparamos transformadores con la misma potencia total de núcleos toroidales y en forma de W, el toroidal ocupará menos espacio, además, la superficie del circuito magnético toroidal está completamente cubierta por los devanados, no hay yugo vacío, como es el caso con núcleos blindados en forma de W o en forma de varilla. La red eléctrica incluye, en particular, transformadores de soldadura con una potencia de hasta 6 kW. Los transformadores de red, por supuesto, se clasifican como transformadores de baja frecuencia.
Autotransformador
Un tipo de transformador de baja frecuencia es un autotransformador en el que el devanado secundario es parte del primario o el primario es parte del secundario. Es decir, en el autotransformador, los devanados están conectados no solo magnéticamente, sino también eléctricamente. Varios cables están hechos de una bobina y le permiten obtener diferentes voltajes de una sola bobina.
La principal ventaja del autotransformador es su menor costo, ya que se utiliza menos alambre para los devanados, menos acero para el núcleo, y como resultado el peso es menor que el de un transformador convencional.La desventaja es la falta de aislamiento galvánico de las bobinas.
Los autotransformadores se utilizan en dispositivos de control automático y también se utilizan ampliamente en redes eléctricas de alta tensión. Los autotransformadores trifásicos con conexión en triángulo o estrella en las redes eléctricas tienen una gran demanda en la actualidad.
Los autotransformadores de energía están disponibles en capacidades de hasta cientos de megavatios. Los autotransformadores también se utilizan para arrancar potentes motores de CA. Los autotransformadores son particularmente útiles para relaciones de transformación bajas.
Autotransformador de laboratorio
Un caso especial de un autotransformador es un autotransformador de laboratorio (LATR). Le permite ajustar suavemente el voltaje suministrado al usuario. El diseño LATR es transformador toroidal con un solo devanado que tiene una "pista" sin aislar de vuelta a vuelta, es decir, es posible conectar a cada una de las vueltas del devanado. El contacto con la pista lo proporciona una escobilla de carbón deslizante controlada por una perilla giratoria.
Entonces puede obtener el voltaje efectivo con diferentes magnitudes en la carga. Las unidades monofásicas típicas le permiten aceptar voltajes de 0 a 250 voltios y trifásicos, de 0 a 450 voltios. Los LATR con potencias de 0,5 a 10 kW son muy populares en los laboratorios con el fin de ajustar equipos eléctricos.
Transformador de corriente
Transformador de corriente Se denomina transformador a un devanado primario cuyo devanado está conectado a una fuente de corriente y el devanado secundario a dispositivos de protección o medida que tienen baja resistencia interna. El tipo más común de transformador de corriente es un transformador de corriente de instrumento.
El devanado primario del transformador de corriente (generalmente solo una vuelta, un cable) se conecta en serie en el circuito en el que desea medir la corriente alterna. Resulta que la corriente del devanado secundario es proporcional a la corriente del primario, mientras que el devanado secundario necesariamente debe estar cargado, porque de lo contrario la tensión del devanado secundario puede ser lo suficientemente alta como para romper el aislamiento. Además, si se abre el devanado secundario del TC, el circuito magnético simplemente se quemará debido a las corrientes inducidas no compensadas.
La construcción del transformador de corriente es un núcleo de acero eléctrico laminado en frío de silicio laminado sobre el cual se enrollan uno o más devanados secundarios aislados. El devanado primario a menudo es simplemente una barra colectora o un cable con una corriente medida que pasa a través de la ventana del circuito magnético (por cierto, este principio es utilizado por pinza amperimétrica). La característica principal de un transformador de corriente es la relación de transformación, por ejemplo 100/5 A.
Los transformadores de corriente se utilizan ampliamente para la medición de corriente y en los circuitos de protección de relés. Son seguros porque los circuitos medidos y secundarios están aislados galvánicamente entre sí. Por lo general, los transformadores de corriente industriales se fabrican con dos o más grupos de devanados secundarios, uno de los cuales está conectado a dispositivos de protección y el otro a un dispositivo de medición, como medidores.
Transformador de pulso
En casi todas las fuentes de alimentación de red modernas, en varios inversores, en máquinas de soldar y en otros convertidores eléctricos de potencia y baja potencia, se utilizan transformadores de pulso.Hoy en día, los circuitos de impulsos han reemplazado casi por completo a los pesados transformadores de baja frecuencia con núcleos de acero laminado.
Un transformador de impulsos típico es un transformador con núcleo de ferrita. La forma del núcleo (circuito magnético) puede ser completamente diferente: anillo, varilla, copa, en forma de W, en forma de U. La ventaja de las ferritas sobre el acero de los transformadores es obvia: los transformadores basados en ferritas pueden funcionar a frecuencias de hasta 500 kHz o más.
Dado que el transformador de impulsos es un transformador de alta frecuencia, sus dimensiones se reducen significativamente a medida que aumenta la frecuencia. Se requiere menos cable para los devanados y la corriente de campo es suficiente para obtener una corriente de alta frecuencia en el circuito primario. IGBT o un transistor bipolar, a veces varios, dependiendo de la topología del circuito de fuente de alimentación pulsada (directo — 1, push-pull — 2, medio puente — 2, puente — 4).
Para ser justos, notamos que si se usa un circuito de suministro de energía inverso, entonces el transformador es esencialmente un doble estrangulador, ya que los procesos de acumulación y liberación de electricidad en el circuito secundario están separados en el tiempo, es decir, no proceden simultáneamente, por lo tanto, con el circuito de control flyback, sigue siendo un estrangulador pero no un transformador.
Los circuitos de impulsos con transformadores y estranguladores de ferrita se encuentran en todas partes hoy en día, desde balastos de lámparas de bajo consumo y cargadores de varios dispositivos, hasta máquinas de soldar y potentes inversores.
Transformador de corriente de pulso
Para medir la magnitud y (o) la dirección de la corriente en los circuitos de impulso, a menudo se utilizan transformadores de corriente de impulso, que son un núcleo de ferrita, a menudo en forma de anillo (toroidal), con un devanado.Se pasa un cable a través del anillo del núcleo, cuya corriente se va a examinar, y la bobina misma se carga en una resistencia.
Por ejemplo, el anillo contiene 1000 vueltas de cable, entonces la relación de las corrientes del devanado primario (cable roscado) y el secundario será de 1000 a 1. Si el devanado del anillo se carga en una resistencia de un valor conocido, entonces el voltaje medido a través de él será proporcional a la corriente de la bobina, lo que significa que la corriente medida es 1000 veces la corriente a través de esta resistencia.
La industria produce transformadores de corriente de impulso con diferentes relaciones de transformación. El diseñador solo necesita conectar una resistencia y un circuito de medición a dicho transformador. Si desea saber la dirección de la corriente, no su magnitud, entonces el devanado del transformador de corriente simplemente se carga con dos diodos zener opuestos.
Comunicación entre máquinas eléctricas y transformadores.
Los transformadores eléctricos siempre se incluyen en los cursos de máquinas eléctricas estudiados en todas las especialidades de ingeniería eléctrica de las instituciones educativas. En esencia, un transformador eléctrico no es una máquina eléctrica, sino un aparato eléctrico, ya que no existen partes móviles, cuya presencia es un rasgo característico de toda máquina como tipo de mecanismo, por lo que los cursos mencionados, en para evitar malentendidos, debería llamarse "cursos de máquinas eléctricas y transformadores eléctricos".
La inclusión de transformadores en todos los cursos de maquinaria eléctrica se debe a dos razones.Una es de origen histórico: las mismas fábricas que construían máquinas eléctricas de corriente alterna también construían transformadores, porque la mera presencia de transformadores le daba a las máquinas de corriente alterna una ventaja sobre las máquinas de corriente continua, lo que finalmente llevó a su predominio en la industria. Y ahora es imposible imaginar una gran instalación de CA sin transformadores.
Sin embargo, con el desarrollo de la producción de máquinas y transformadores de corriente alterna, se hizo necesario concentrar la producción de transformadores en fábricas de transformadores especiales. El hecho es que debido a la posibilidad de transmitir corriente alterna mediante transformadores a largas distancias, el aumento de la tensión superior de los transformadores fue mucho más rápido que el aumento de tensión de las máquinas eléctricas de corriente alterna.
En la etapa actual de desarrollo de máquinas eléctricas de corriente alterna, el voltaje racional más alto para ellas es de 36 kV. Al mismo tiempo, la tensión más alta en los transformadores eléctricos actualmente implementados alcanzó los 1150 kV. Estos voltajes tan altos en los transformadores y su funcionamiento en líneas eléctricas aéreas expuestas a rayos han dado lugar a problemas de transformadores muy específicos que son ajenos a la maquinaria eléctrica.
Esto condujo a la producción de problemas tecnológicos tan diferentes de los problemas tecnológicos de la ingeniería eléctrica que la separación de los transformadores en producción independiente se hizo inevitable. Así, la primera razón, la conexión industrial que acercaba los transformadores a las máquinas eléctricas, desapareció.
La segunda razón es de carácter fundamental y consiste en que los transformadores eléctricos utilizados en la práctica, así como las máquinas eléctricas, se basan en el principio de inducción electromagnética (ley de Faraday), — sigue siendo un vínculo inquebrantable entre ellos. Al mismo tiempo, para comprender muchos fenómenos en las máquinas de corriente alterna, es absolutamente necesario conocer los procesos físicos que ocurren en los transformadores y, además, la teoría de una gran clase de máquinas de corriente alterna puede reducirse a la teoría de transformadores, como facilitando así su consideración teórica.
Por tanto, en la teoría de las máquinas de corriente alterna, ocupa un lugar destacado la teoría de los transformadores, de la que, sin embargo, no se sigue que los transformadores puedan llamarse máquinas eléctricas. Además, debe tenerse en cuenta que los transformadores tienen un establecimiento de objetivos y un proceso de conversión de energía diferentes a los de las máquinas eléctricas.
La finalidad de una máquina eléctrica es convertir la energía mecánica en energía eléctrica (generador) o, por el contrario, la energía eléctrica en energía mecánica (motor), mientras que en un transformador se trata de la conversión de un tipo de energía eléctrica de corriente alterna en corriente alterna. energía eléctrica actual. corriente de otro tipo.