Transformadores monofásicos

Los transformadores monofásicos se utilizan en fuentes de alimentación y otros equipos para convertir voltajes y corrientes de CA de un valor a otro. Los transformadores son fundamentales para proporcionar aislamiento eléctrico, que es necesario para el funcionamiento seguro de muchos instrumentos de laboratorio y dispositivos médicos. Si la entrada y la salida no comparten un terminal común, entonces el transformador puede transferir energía con una separación física completa. Esto evita que la electricidad en el lado peligroso de alto voltaje de un sistema llegue a los circuitos y a las personas en el lado seguro de bajo voltaje. Comprender los componentes dentro de un transformador es importante para el análisis y el diseño del transformador. Este video demostrará cómo medir los parámetros eléctricos de los componentes del transformador mediante la realización de varias pruebas.

Un transformador tiene un par de terminales de entrada conectados a un devanado primario o bobina y un par de terminales de salida conectados a un devanado secundario. Un núcleo de acero, ferrita o incluso simplemente aire acopla magnéticamente los dos devanados. Un voltaje a través de un devanado hace que la corriente fluya a través de él, creando un campo magnético. El flujo magnético, que es la cantidad de campo magnético que pasa a través de un área, se acopla a través del núcleo al devanado secundario donde induce un voltaje. Este principio se denomina inducción mutua. La ley de Faraday establece que la tasa de cambio del flujo por el número de devanados es igual al voltaje inducido. También se denomina fuerza electromotriz o EMF. Un voltaje de CC a través del devanado primario es constante, por lo tanto, el flujo magnético resultante también es constante y la tasa de cambio es cero. Sin embargo, un voltaje de CA produce un flujo magnético con una tasa de cambio distinta de cero y, en consecuencia, induce un voltaje. En otras palabras, se requiere un voltaje de CA para que el transformador funcione. La relación de vueltas del transformador es el número de vueltas de cable en el devanado primario dividido por el número de vueltas en el devanado secundario. La relación entre el voltaje a través del primario y el voltaje a través del secundario es igual a la relación de vueltas. Dependiendo de la relación de vueltas, un transformador puede aumentar el voltaje, reducir el voltaje o mantenerlo igual. La relación entre la corriente a través del primario y la corriente a través del secundario es igual a la inversa de la relación de vueltas. Por ejemplo, si la bobina primaria tiene tres vueltas y la secundaria tiene 30 vueltas, la relación de vueltas es 0,1. Por lo tanto, 120 voltios en el primario de este transformador se convierten en 1200 voltios en el secundario. 10 amperios a través del primario se convierten en 1 amperio a través del secundario. Finalmente, si la bobina secundaria tiene una carga de impedancia Z2, la bobina primaria tiene una carga aparente o reflectante, Z2 prime. El valor de esta carga reflectante es la impedancia en el lado secundario multiplicada por el cuadrado de la relación de vueltas. Un transformador puede considerarse un par de inductores acoplados que, idealmente, transfieren energía sin pérdidas de una bobina a la otra. Sin embargo, un transformador real tiene fugas de flujo magnético o inductancia de fuga que no contribuye a la transferencia de energía entre devanados. Además, un transformador real experimenta la disipación de energía y el calentamiento de las resistencias del devanado. El flujo magnético inducido en el núcleo es una fuente adicional de calor debido a la resistencia a la pérdida del núcleo. Para evitar daños, se utiliza una entrada de potencia máxima especificada llamada clasificación VA, o el producto del voltaje de entrada y la corriente que es potencia. Ahora que se han presentado los conceptos básicos de un transformador, echemos un vistazo a cómo medir los parámetros eléctricos de un transformador.

El transformador utilizado en este experimento está clasificado para tolerar un máximo de 115 voltios en el devanado primario y un máximo de 24 voltios en el devanado secundario. Además, este transformador tiene una potencia nominal de 100VA, lo que significa que puede aceptar un máximo de 100 vatios de potencia. Esta prueba de CC mide la resistencia de cada devanado para su uso en el modelo de circuito equivalente del transformador. Primero, configure la salida de voltaje de la fuente de alimentación de CC de bajo voltaje a cero voltios y el límite de corriente a 0,8 amperios. A continuación, apague el suministro. Conecte la salida de la fuente de alimentación a través del devanado primario. No conecte nada al devanado secundario. Encienda la fuente de alimentación de CC y aumente el voltaje gradualmente hasta alcanzar el límite de corriente. Registre las lecturas de voltaje y corriente desde la pantalla de la fuente de alimentación. Calcule la resistencia del devanado primario dividiendo el voltaje por la corriente. Vuelva a ajustar el voltaje de la fuente de alimentación a cero voltios y apáguelo. Conecte la fuente de alimentación a través del devanado secundario dejando un circuito abierto en el devanado primario. Establezca el límite de corriente de la fuente de alimentación en cuatro amperios. A continuación, aumente el voltaje gradualmente hasta alcanzar el límite de corriente. Registre las lecturas de voltaje y corriente desde la pantalla de la fuente de alimentación. Calcule la resistencia del devanado secundario. Vuelva a colocar el voltaje de la fuente de alimentación en cero voltios, apáguelo y desconéctelo del transformador. Finalmente, use un multímetro para confirmar las resistencias calculadas en los devanados primario y secundario.

La prueba de circuito abierto mide los reactivos mutuos o la oposición a un cambio en la corriente desde la resistencia de pérdida del núcleo. La resistencia a la pérdida del núcleo es el parámetro del circuito equivalente para la disipación de energía y se aproxima a las pérdidas de potencia en el núcleo del transformador. Con la fuente de alimentación trifásica apagada y el Variac configurado a cero por ciento, ensamble el circuito como se muestra. Luego, use un medidor de potencia digital para medir la corriente y el voltaje de circuito abierto en el lado primario. Encienda la fuente de alimentación trifásica y ajuste lentamente la perilla de control del Variac para aumentar el voltaje hasta que el medidor de potencia digital marque 24 voltios. Registre el voltaje de circuito abierto, la corriente de circuito abierto, la potencia real de circuito abierto y el factor de potencia. Utilice estos valores para calcular los parámetros de circuito equivalentes para el transformador. La resistencia a la pérdida del núcleo, RC, se calcula a partir del voltaje de circuito abierto y la potencia de circuito abierto. La reactancia mutua XM se calcula de manera similar utilizando voltaje, potencia y corriente de circuito abierto.

La prueba de cortocircuito mide los reactivos de fuga y también puede determinar la resistencia del cable de ambos devanados. Primero calcule la corriente de entrada nominal del transformador dividiendo la clasificación de VA por la clasificación de voltaje para el lado de entrada. Con la fuente de alimentación apagada y el Variac con una salida del cero por ciento, ensamble el circuito como se muestra. Esta vez use el medidor de potencia digital para medir la corriente y el voltaje de cortocircuito. Encienda la fuente de alimentación trifásica y ajuste lentamente el Variac para aumentar el voltaje hasta que la lectura de corriente en el medidor de potencia digital alcance la corriente de entrada nominal. Registre el voltaje y la corriente de cortocircuito, así como la potencia real de cortocircuito y el factor de potencia. Los reactivos de fuga son la suma de los reactivos del lado primario y los reactivos del lado secundario reflejados, que se supone que son iguales. Calcule los reactivos de fuga con las mediciones de la prueba de cortocircuito. Finalmente, calcule la resistencia total del cable de ambos devanados como la suma de la resistencia del devanado primario y la resistencia reflejada del devanado del lado secundario.

Los transformadores son dispositivos eléctricos muy útiles que tienen aplicaciones en el área de conversión de energía y aislamiento eléctrico por seguridad. La prueba de carga mide la relación entre el voltaje a través del primario y el voltaje a través del secundario, así como la relación entre la corriente a través del primario y la corriente a través del secundario. El circuito se ensambló con una resistencia de 100 ohmios conectada al lado secundario y la corriente y el voltaje se midieron en ambos lados. Con el lado primario a 115 voltios, se midieron el voltaje, la corriente, la potencia real y el factor de potencia en ambos lados. Idealmente, la relación entre el voltaje primario y el voltaje secundario debe ser igual a la relación de vueltas. Un estudio de las neuronas sensoriales olfativas de ratones utilizó luz ultravioleta de un tubo de destello de xenón para disociar ciertos compuestos. Los circuitos para impulsar un tubo de destello requerían altos voltajes generados con un transformador elevador. Al igual que con todos los equipos de alto voltaje, el diseño seguro utiliza transformadores para el aislamiento eléctrico para evitar cortocircuitos accidentales entre componentes con voltajes peligrosos y otros componentes electrónicos en el circuito.

Acabas de ver la introducción de Jove a los transformadores monofásicos. Ahora debería comprender cómo funciona un transformador y cómo medir sus parámetros de circuito equivalentes. ¡Gracias por mirar!