Consideraciones prácticas - Transformadores

Capacidad de energía

Como ya se ha observado, los transformadores deben estar bien diseñados para lograr un acoplamiento de potencia aceptable, una regulación estricta de la tensión y una distorsión de corriente de excitación baja. Además, los transformadores deben diseñarse para transportar los valores esperados de la corriente del devanado primario y secundario sin ningún problema.

Esto significa que los conductores del devanado deben estar fabricados con el calibre adecuado para evitar problemas de calentamiento.

Transformador ideal

Un transformador ideal tendría un acoplamiento perfecto (sin inductancia de fuga), una regulación de voltaje perfecta, una corriente de excitación perfectamente sinusoidal, sin histéresis ni pérdidas por corrientes parásitas, y un cable lo suficientemente grueso para manejar cualquier cantidad de corriente. Desafortunadamente, el transformador ideal tendría que ser infinitamente grande y pesado para cumplir con estos objetivos de diseño.

Por lo tanto, en el negocio de la práctica diseño del transformador, se deben hacer concesiones.

Además, el aislamiento del conductor de bobinado es una preocupación donde se encuentran voltajes altos, ya que a menudo se encuentran en transformadores de distribución de energía elevadores y reductores.

No solo los devanados deben estar bien aislados del núcleo de hierro, sino que cada devanado debe estar suficientemente aislado del otro para mantener el aislamiento eléctrico entre los devanados.

Calificaciones de transformadores

Respetando estas limitaciones, los transformadores están clasificados para ciertos niveles de voltaje y corriente del devanado primario y secundario, aunque la clasificación de corriente generalmente se deriva de una clasificación de voltio-amperio (VA) asignada al transformador.

Por ejemplo, tome un transformador reductor con una clasificación de voltaje primario de 120 voltios, una clasificación de voltaje secundario de 48 voltios y una clasificación de VA de 1 kVA (1000 VA). Las corrientes máximas de los devanados se pueden determinar como tales:kVA (1000 VA). Las corrientes máximas de los devanados se pueden determinar como tales:

A veces, los devanados soportan valores nominales de corriente en amperios, pero esto se ve típicamente en transformadores pequeños. Los transformadores grandes casi siempre se clasifican en términos de voltaje de bobinado y VA o kVA.

Pérdidas de energía

Cuando los transformadores transfieren energía, lo hacen con un mínimo de pérdida. Como se mencionó anteriormente, los diseños de transformadores de potencia modernos generalmente exceden el 95% de eficiencia. Sin embargo, es bueno saber adónde va parte de este poder perdido y qué causa que se pierda.

Por supuesto, existe una pérdida de potencia debido a la resistencia de los devanados de los cables. A menos que se utilicen cables superconductores, siempre habrá potencia disipada en forma de calor a través de la resistencia de los conductores portadores de corriente. Debido a que los transformadores requieren longitudes de cable tan largas, esta pérdida puede ser un factor importante.

Aumentar el calibre del alambre enrollado es una forma de minimizar esta pérdida, pero solo con aumentos sustanciales en el costo, el tamaño y el peso.

Pérdida por corrientes de Foucault

Dejando de lado las pérdidas resistivas, la mayor parte de la pérdida de potencia del transformador se debe a efectos magnéticos en el núcleo. Quizás la más significativa de estas "pérdidas centrales" es una pérdida por corrientes parásitas , que es la disipación de potencia resistiva debido al paso de corrientes inducidas a través del hierro del núcleo.

Debido a que el hierro es un conductor de electricidad además de ser un excelente "conductor" de flujo magnético, habrá corrientes inducidas en el hierro del mismo modo que hay corrientes inducidas en los devanados secundarios del campo magnético alterno.

Estas corrientes inducidas, como se describe en la cláusula de perpendicularidad de la ley de Faraday, tienden a circular a través de la sección transversal del núcleo perpendicularmente a las espiras del devanado primario.

Su movimiento circular les da su nombre inusual:como remolinos en una corriente de agua que circulan en lugar de moverse en líneas rectas.

El hierro es un buen conductor de la electricidad, pero no tan bueno como el cobre o el aluminio con los que se suelen fabricar los devanados de alambre. En consecuencia, estas "corrientes parásitas" deben superar una resistencia eléctrica significativa a medida que circulan a través del núcleo.

Al vencer la resistencia que ofrece el hierro, disipan el poder en forma de calor. Por lo tanto, tenemos una fuente de ineficiencia en el transformador que es difícil de eliminar.

Calentamiento por inducción

Este fenómeno es tan pronunciado que a menudo se explota como medio para calentar materiales ferrosos (que contienen hierro). La fotografía a continuación muestra una unidad de "calentamiento por inducción" que eleva la temperatura de una sección de tubería grande.

Bucles de alambre cubiertos por aislamiento de alta temperatura rodean la circunferencia de la tubería, induciendo corrientes parásitas dentro de la pared de la tubería por inducción electromagnética. Para maximizar el efecto de las corrientes parásitas, se utiliza corriente alterna de alta frecuencia en lugar de la frecuencia de la línea eléctrica (60 Hz).

Las unidades de caja a la derecha de la imagen producen CA de alta frecuencia y controlan la cantidad de corriente en los cables para estabilizar la temperatura de la tubería en un "punto de ajuste" predeterminado.

Calentamiento por inducción:el devanado aislado primario induce corriente en la tubería de hierro con pérdida (secundaria).

Mitigar las corrientes de Foucault

La estrategia principal para mitigar estas corrientes de Foucault derrochadoras en los núcleos de los transformadores es formar el núcleo de hierro en láminas, cada lámina cubierta con un barniz aislante de modo que el núcleo se divida en rodajas finas. El resultado es muy poco ancho en el núcleo para que circulen las corrientes parásitas:

La división del núcleo de hierro en láminas delgadas y aisladas minimiza la pérdida de corrientes parásitas.

Laminado Los núcleos como el que se muestra aquí son estándar en casi todos los transformadores de baja frecuencia. Recuerde de la fotografía del transformador cortado por la mitad que el núcleo de hierro estaba compuesto por muchas láminas delgadas en lugar de una sola pieza sólida.

Las pérdidas por corrientes parásitas aumentan con la frecuencia, por lo que los transformadores diseñados para funcionar con energía de alta frecuencia (como 400 Hz, que se utiliza en muchas aplicaciones militares y de aviones) deben usar láminas más delgadas para mantener las pérdidas a un mínimo respetable.

Esto tiene el efecto indeseable de incrementar el costo de fabricación del transformador.

Otra técnica similar para minimizar las pérdidas por corrientes parásitas que funciona mejor para aplicaciones de alta frecuencia es hacer el núcleo de polvo de hierro en lugar de láminas delgadas de hierro.

Al igual que las láminas de laminación, estos gránulos de hierro se recubren individualmente con un material eléctricamente aislante, lo que hace que el núcleo no sea conductor excepto dentro del ancho de cada gránulo. Los núcleos de hierro en polvo se encuentran a menudo en transformadores que manejan corrientes de radiofrecuencia.

Histéresis magnética

Otra "pérdida de núcleo" es la de la histéresis magnética . Todos los materiales ferromagnéticos tienden a retener cierto grado de magnetización después de la exposición a un campo magnético externo.

Esta tendencia a permanecer magnetizado se llama "histéresis" y se necesita cierta inversión en energía para superar esta oposición para cambiar cada vez que el campo magnético producido por el devanado primario cambia de polaridad (dos veces por ciclo de CA).

Este tipo de pérdida se puede mitigar mediante una buena selección del material del núcleo (eligiendo una aleación del núcleo con baja histéresis, como lo demuestra una curva de histéresis B / H "delgada") y diseñando el núcleo para una densidad de flujo mínima (área de sección transversal grande) .

Efecto de piel a altas frecuencias

Las pérdidas de energía del transformador tienden a empeorar al aumentar la frecuencia. El efecto piel dentro de los conductores devanados reduce el área de sección transversal disponible para el flujo de carga eléctrica, lo que aumenta la resistencia efectiva a medida que aumenta la frecuencia y genera más pérdida de potencia a través de la disipación resistiva.

Las pérdidas del núcleo magnético también se exageran con frecuencias más altas, corrientes parásitas y efectos de histéresis que se vuelven más severos. Por esta razón, los transformadores de tamaño significativo están diseñados para operar de manera eficiente en un rango limitado de frecuencias.

En la mayoría de los sistemas de distribución de energía donde la frecuencia de la línea es muy estable, uno pensaría que una frecuencia excesiva nunca representaría un problema. Desafortunadamente, lo hace, en forma de armónicos creados por cargas no lineales.

Como hemos visto en capítulos anteriores, las formas de onda no sinusoidales son equivalentes a series aditivas de múltiples formas de onda sinusoidales a diferentes amplitudes y frecuencias. En los sistemas de energía, estas otras frecuencias son múltiplos de números enteros de la frecuencia fundamental (de línea), lo que significa que siempre serán más altas, no más bajas, que la frecuencia de diseño del transformador.

En gran medida, pueden provocar un sobrecalentamiento severo del transformador. Los transformadores de potencia se pueden diseñar para manejar ciertos niveles de armónicos del sistema de potencia, y esta capacidad a veces se denota con una clasificación de "factor K".

Inductancia y capacitancia parásita

Aparte de las potencias nominales y las pérdidas de potencia, los transformadores suelen albergar otras limitaciones indeseables que los diseñadores de circuitos deben conocer. Al igual que sus contrapartes más simples, los inductores, los transformadores exhiben capacitancia debido al dieléctrico de aislamiento entre los conductores:de devanado a devanado, vuelta a vuelta (en un solo devanado) y devanado al núcleo.

Frecuencia de resonancia del transformador

Por lo general, esta capacitancia no es un problema en una aplicación de energía, pero las aplicaciones de señales pequeñas (especialmente las de alta frecuencia) pueden no tolerar bien esta peculiaridad.

Además, el efecto de tener capacitancia junto con la inductancia diseñada de los devanados le da a los transformadores la capacidad de resonar a una frecuencia particular, definitivamente una preocupación de diseño en aplicaciones de señal donde la frecuencia aplicada puede alcanzar este punto (generalmente la frecuencia de resonancia de un transformador de potencia está mucho más allá de la frecuencia de la energía de CA para la que fue diseñado).

Contención de flujo

La contención de flujo (asegurarse de que el flujo magnético de un transformador no se escape para interferir con otro dispositivo y asegurarse de que el flujo magnético de otros dispositivos esté protegido del núcleo del transformador) es otra preocupación compartida tanto por los inductores como por los transformadores.

Inductancia de fuga

Estrechamente relacionado con el tema de la contención de flujo está la inductancia de fuga. Ya hemos visto los efectos perjudiciales de la inductancia de fuga en la regulación de voltaje con las simulaciones SPICE al principio de este capítulo. Debido a que la inductancia de fuga es equivalente a una inductancia conectada en serie con el devanado del transformador, se manifiesta como una impedancia en serie con la carga.

Por lo tanto, cuanto más corriente consume la carga, menos voltaje disponible en los terminales del devanado secundario. Por lo general, se desea una buena regulación de voltaje en el diseño de transformadores, pero existen aplicaciones excepcionales.

Como se indicó anteriormente, los circuitos de iluminación de descarga requieren un transformador elevador con una regulación de voltaje “floja” (pobre) para asegurar un voltaje reducido después del establecimiento de un arco a través de la lámpara. Una forma de cumplir con este criterio de diseño es diseñar el transformador con rutas de fuga de flujo para que el flujo magnético pase por alto los devanados secundarios.

El flujo de fuga resultante producirá inductancia de fuga, que, a su vez, producirá la mala regulación necesaria para la iluminación de descarga.

Saturación del núcleo

Los transformadores también están limitados en su rendimiento por las limitaciones de flujo magnético del núcleo. Para los transformadores de núcleo ferromagnético, debemos tener en cuenta los límites de saturación del núcleo.

Recuerde que los materiales ferromagnéticos no pueden soportar densidades de flujo magnético infinitas:tienden a "saturarse" a un cierto nivel (dictado por el material y las dimensiones del núcleo), lo que significa que aumentos adicionales en la fuerza del campo magnético (mmf) no dan como resultado aumentos proporcionales en la fuerza magnética. flujo de campo (Φ).

Cuando el devanado primario de un transformador se sobrecarga debido a un voltaje aplicado excesivo, el flujo del núcleo puede alcanzar niveles de saturación durante los momentos pico del ciclo de onda sinusoidal de CA. Si esto sucede, el voltaje inducido en el devanado secundario ya no coincidirá con la forma de onda que el voltaje que alimenta la bobina primaria.

En otras palabras, el transformador sobrecargado distorsionará la forma de onda de los devanados primario a secundario, creando armónicos en la salida del devanado secundario. Como discutimos antes, el contenido armónico en los sistemas de energía de CA generalmente causa problemas.

Transformadores en su punto máximo

Transformadores especiales conocidos como transformadores de pico explote este principio para producir breves pulsos de voltaje cerca de los picos de la forma de onda del voltaje de la fuente. El núcleo está diseñado para saturarse rápida y bruscamente, a niveles de voltaje muy por debajo del pico.

Esto da como resultado una forma de onda de flujo de onda sinusoidal muy recortada y pulsos de voltaje secundario solo cuando el flujo está cambiando (por debajo de los niveles de saturación):

Formas de onda de voltaje y flujo para un transformador de pico.

Funcionamiento a frecuencias inferiores a las normales

Otra causa de saturación anormal del núcleo del transformador es el funcionamiento a frecuencias más bajas de lo normal. Por ejemplo, si un transformador de potencia diseñado para operar a 60 Hz se ve obligado a operar a 50 Hz en su lugar, el flujo debe alcanzar niveles máximos mayores que antes para producir el mismo voltaje opuesto necesario para equilibrar el voltaje de la fuente.

Esto es cierto incluso si el voltaje de la fuente es el mismo que antes.

El flujo magnético es mayor en un núcleo de transformador impulsado por 50 Hz en comparación con 60 Hz para el mismo voltaje.

Dado que el voltaje instantáneo del devanado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético instantáneo en un transformador, una forma de onda de voltaje que alcanza el mismo valor pico, pero que requiere más tiempo para completar cada medio ciclo, exige que el flujo mantenga la misma tasa de cambio que antes, pero durante períodos de tiempo más largos.

Por lo tanto, si el flujo tiene que subir a la misma velocidad que antes, pero durante períodos de tiempo más largos, subirá a un valor pico mayor.

Matemáticamente, este es otro ejemplo de cálculo en acción. Debido a que el voltaje es proporcional a la tasa de cambio del flujo, decimos que la forma de onda del voltaje es la derivada de la forma de onda de flujo, siendo "derivada" la operación de cálculo que define una función matemática (forma de onda) en términos de la tasa de cambio de otra.

Sin embargo, si tomamos la perspectiva opuesta y relacionamos la forma de onda original con su derivada, podemos llamar a la forma de onda original la integral de la forma de onda derivada. En este caso, la forma de onda de voltaje es la derivada de la forma de onda de flujo y la forma de onda de flujo es la integral de la forma de onda de voltaje.

La integral de cualquier función matemática es proporcional al área acumulada debajo de la curva de esa función. Dado que cada semiciclo de la forma de onda de 50 Hz acumula más área entre ella y la línea cero del gráfico que la forma de onda de 60 Hz, y sabemos que el flujo magnético es la integral del voltaje, el flujo alcanzará valores más altos en la figura siguiente.

El flujo que cambia a la misma velocidad aumenta a un nivel más alto a 50 Hz que a 60 Hz.

Otra causa más de la saturación del transformador es la presencia de corriente continua en el devanado primario. Cualquier cantidad de voltaje de CC que se caiga a través del devanado primario de un transformador provocará un flujo magnético adicional en el núcleo. Este "sesgo" o "desplazamiento" de flujo adicional empujará la forma de onda de flujo alterno más cerca de la saturación en un medio ciclo que en el otro.

DC en primario desplaza los picos de la forma de onda hacia el límite superior de saturación.

Para la mayoría de los transformadores, la saturación del núcleo es un efecto muy indeseable y se evita mediante un buen diseño:diseñar los devanados y el núcleo para que las densidades de flujo magnético permanezcan muy por debajo de los niveles de saturación.

Esto asegura que la relación entre mmf y Φ sea más lineal a lo largo del ciclo de flujo, lo cual es bueno porque reduce la distorsión en la forma de onda de la corriente de magnetización.

Además, la ingeniería del núcleo para densidades de flujo bajas proporciona un margen seguro entre los picos de flujo normales y los límites de saturación del núcleo para adaptarse a condiciones ocasionales y anormales, como la variación de frecuencia y la compensación de CC.

Corriente de irrupción

Cuando un transformador se conecta inicialmente a una fuente de voltaje de CA, puede haber un aumento sustancial de corriente a través del devanado primario llamado corriente de irrupción . Esto es análogo a la corriente de irrupción que exhibe un motor eléctrico que se pone en marcha por una conexión repentina a una fuente de energía, aunque la irrupción del transformador es causada por un fenómeno diferente.

Sabemos que la tasa de cambio del flujo instantáneo en el núcleo de un transformador es proporcional a la caída de voltaje instantánea en el devanado primario. O, como se indicó anteriormente, la forma de onda de voltaje es la derivada de la forma de onda de flujo y la forma de onda de flujo es la integral de la forma de onda de voltaje.

En un transformador de funcionamiento continuo, estas dos formas de onda están desfasadas en 90 °. Dado que el flujo (Φ) es proporcional a la fuerza magnetomotriz (mmf) en el núcleo, y la mmf es proporcional a la corriente del devanado, la forma de onda de la corriente estará en fase con la forma de onda del flujo, y ambas estarán retrasadas con respecto a la forma de onda de voltaje en 90 °:

Funcionamiento continuo en estado estable:el flujo magnético, como la corriente, retrasa el voltaje aplicado en 90 °.

Supongamos que el devanado primario de un transformador se conecta repentinamente a una fuente de voltaje de CA en el momento exacto en el que el voltaje instantáneo está en su valor pico positivo.

Para que el transformador cree una caída de voltaje opuesta para equilibrarse con este voltaje de fuente aplicado, se debe generar un flujo magnético de valor que aumenta rápidamente. El resultado es que la corriente del devanado aumenta rápidamente, pero en realidad no más rápido que en condiciones normales:

Conexión del transformador a la línea en el pico de voltaje de CA:el flujo aumenta rápidamente desde cero, al igual que el funcionamiento en estado estable.

Tanto el flujo del núcleo como la corriente de la bobina comienzan desde cero y se acumulan hasta los mismos valores máximos experimentados durante el funcionamiento continuo. Por lo tanto, no hay "oleada", "irrupción" o corriente en este escenario.

Alternativamente, consideremos qué sucede si la conexión del transformador a la fuente de voltaje de CA ocurre en el momento exacto en que el voltaje instantáneo es cero.

Durante el funcionamiento continuo (cuando el transformador se ha alimentado durante bastante tiempo), este es el momento en el que tanto el flujo como la corriente del devanado están en sus picos negativos, experimentando una tasa de cambio cero (dΦ / dt =0 y di / dt =0).

A medida que el voltaje aumenta a su pico positivo, las formas de onda de flujo y corriente aumentan a sus tasas de cambio positivas máximas, y ascienden a sus picos positivos a medida que el voltaje desciende a un nivel de cero:

Comenzar en e =0 V no es lo mismo que correr continuamente en la Figura anterior. Estas formas de onda esperadas son incorrectas, Φ y debería comenzar en cero.

Sin embargo, existe una diferencia significativa entre la operación en modo continuo y la condición de arranque repentino asumida en este escenario:durante la operación continua, los niveles de flujo y corriente estaban en sus picos negativos cuando el voltaje estaba en sus puntos cero; Sin embargo, en un transformador que ha estado inactivo, tanto el flujo magnético como la corriente del devanado deben comenzar en cero .

Cuando el flujo magnético aumenta en respuesta a un voltaje en aumento, aumentará desde cero hacia arriba, no desde una condición previamente negativa (magnetizada) como normalmente tendríamos en un transformador que ha estado encendido por un tiempo.

Por lo tanto, en un transformador que recién está "comenzando", el flujo alcanzará aproximadamente el doble de su magnitud máxima normal a medida que "integra" el área bajo el primer medio ciclo de la forma de onda de voltaje:

Comenzando en e =0 V, Φ comienza en la condición inicial Φ =0, aumentando al doble del valor normal, asumiendo que no satura el núcleo.

En un transformador ideal, la corriente de magnetización también aumentaría aproximadamente al doble de su valor pico normal, generando la mmf necesaria para crear este flujo más alto de lo normal.

Sin embargo, la mayoría de los transformadores no están diseñados con un margen suficiente entre los picos de flujo normales y los límites de saturación para evitar la saturación en una condición como esta, por lo que es casi seguro que el núcleo se saturará durante este primer medio ciclo de voltaje.

Durante la saturación, se necesitan cantidades desproporcionadas de mmf para generar flujo magnético. Esto significa que la corriente del devanado, que crea el mmf para causar un flujo en el núcleo, aumentará desproporcionadamente a un valor que excede fácilmente el doble de su pico normal:

A partir de e =0 V, la corriente también aumenta al doble del valor normal para un núcleo insaturado, o considerablemente más alto en el caso (diseñado para) de saturación.

Este es el mecanismo que causa la irrupción de corriente en el devanado primario de un transformador cuando se conecta a una fuente de voltaje CA. Como puede ver, la magnitud de la corriente de irrupción depende en gran medida del momento exacto en que se realiza la conexión eléctrica a la fuente.

Si el transformador tiene algún magnetismo residual en su núcleo en el momento de la conexión a la fuente, la irrupción podría ser aún más severa. Debido a esto, los dispositivos de protección contra sobrecorriente del transformador suelen ser de la variedad de "acción lenta", para tolerar sobrecargas de corriente como esta sin abrir el circuito.

Calor y ruido

Además de los efectos eléctricos no deseados, los transformadores también pueden presentar efectos físicos no deseados, siendo el más notable la producción de calor y ruido. El ruido es principalmente un efecto molesto, pero el calor es un problema potencialmente grave porque el aislamiento del devanado se dañará si se sobrecalienta.

El calentamiento puede minimizarse con un buen diseño, asegurando que el núcleo no se acerque a los niveles de saturación, que las corrientes parásitas se minimicen y que los devanados no se sobrecarguen ni operen demasiado cerca de la ampacidad máxima.

Los transformadores de potencia grandes tienen el núcleo y los devanados sumergidos en un baño de aceite para transferir calor y amortiguar el ruido, y también para desplazar la humedad que, de otro modo, comprometería la integridad del aislamiento del devanado.

Los tubos del "radiador" disipadores de calor en el exterior de la caja del transformador proporcionan una ruta de flujo de aceite por convección para transferir calor desde el núcleo del transformador al aire ambiente:

Los grandes transformadores de potencia están sumergidos en aceite aislante disipador de calor.

Los transformadores sin aceite o "secos" a menudo se clasifican en términos de "aumento" de temperatura máxima de funcionamiento (aumento de temperatura más allá de la temperatura ambiente) de acuerdo con un sistema de clase de letras:A, B, F o H. Estos códigos de letras están ordenados en orden de tolerancia al calor más baja a más alta:

• Clase A: No más de 55 ° Celsius de aumento de temperatura del devanado, a 40 ° Celsius (máximo) de temperatura ambiente del aire.
• Clase B: No más de 80 ° Celsius de aumento de temperatura del devanado, a 40 ° Celsius (máximo) de temperatura ambiente del aire.
• Clase F: No más de 115 ° Celsius de aumento de temperatura del devanado, a 40 ° Celsius (máxima) de temperatura ambiente del aire.
• Clase H: No más de 150 ° Celsius de aumento de temperatura del devanado, a 40 ° Celsius (máximo) de temperatura ambiente del aire.

El ruido audible es un efecto que se origina principalmente por el fenómeno de magnetostricción :el ligero cambio de longitud que presenta un objeto ferromagnético cuando se magnetiza.

El familiar "zumbido" que se escucha alrededor de los grandes transformadores de potencia es el sonido del núcleo de hierro que se expande y contrae a 120 Hz (el doble de la frecuencia del sistema, que es de 60 Hz en los Estados Unidos):un ciclo de contracción y expansión del núcleo por cada pico de la forma de onda del flujo magnético, más el ruido creado por las fuerzas mecánicas entre los devanados primario y secundario.

Nuevamente, mantener bajos niveles de flujo magnético en el núcleo es la clave para minimizar este efecto, lo que explica por qué los transformadores ferroresonantes, que deben operar en saturación para una gran parte de la forma de onda de la corriente, funcionan tanto en caliente como con ruido.

Pérdidas debidas a fuerzas magnéticas de bobinado

Otro fenómeno que produce ruido en los transformadores de potencia es la fuerza de reacción física entre los devanados primario y secundario cuando están muy cargados.

Si el devanado secundario está en circuito abierto, no habrá corriente a través de él y, en consecuencia, no habrá fuerza magneto-motriz (mmf) producida por él. Sin embargo, cuando el secundario está "cargado" (actualmente suministrado a una carga), el devanado genera una mmf, que se contrarresta con una mmf "reflejada" en el devanado primario para evitar que cambien los niveles de flujo del núcleo.

Estos mmf opuestos generados entre los devanados primarios y secundarios como resultado de la corriente secundaria (de carga) producen una fuerza física repulsiva entre los devanados que tenderá a hacerlos vibrar.

Los diseñadores de transformadores deben considerar estas fuerzas físicas en la construcción de las bobinas de bobinado, para garantizar que haya un soporte mecánico adecuado para manejar las tensiones. Sin embargo, bajo condiciones de carga pesada (alta corriente), estas tensiones pueden ser lo suficientemente grandes como para causar que emane un ruido audible del transformador.

REVISAR:

• Los transformadores de potencia están limitados en la cantidad de energía que pueden transferir del devanado primario al secundario. Las unidades grandes normalmente se clasifican en VA (voltios-amperios) o kVA (kilovoltios-amperios).
• La resistencia en los devanados del transformador contribuye a la ineficiencia, ya que la corriente disipará el calor y desperdiciará energía.
• Los efectos magnéticos en el núcleo de hierro de un transformador también contribuyen a la ineficiencia. Entre los efectos se encuentran las corrientes de Foucault (corrientes de inducción circulantes en el núcleo de hierro) e histéresis (energía perdida debido a la superación de la tendencia del hierro a magnetizarse en una dirección particular).
• El aumento de frecuencia da como resultado un aumento de las pérdidas de potencia dentro de un transformador de potencia. La presencia de armónicos en un sistema eléctrico es una fuente de frecuencias significativamente más altas de lo normal, lo que puede causar sobrecalentamiento en transformadores grandes.
• Tanto los transformadores como los inductores albergan ciertas cantidades inevitables de capacitancia debido al aislamiento del cable (dieléctrico) que separa las espiras de los devanados del núcleo de hierro y entre sí. Esta capacitancia puede ser lo suficientemente significativa como para darle al transformador una frecuencia resonante natural. , que puede ser problemático en aplicaciones de señales.
• Inductancia de fuga se debe a que el flujo magnético no está acoplado al 100% entre los devanados de un transformador. Cualquier flujo no relacionado con transferir la energía de un devanado a otro almacenará y liberará energía, que es como funciona la (auto) inductancia. La inductancia de fuga tiende a empeorar la regulación de voltaje de un transformador (el voltaje secundario se "hunde" más para una determinada cantidad de corriente de carga).
• saturación magnética de un núcleo de transformador puede ser causado por un voltaje primario excesivo, operación a una frecuencia demasiado baja y / o por la presencia de una corriente continua en cualquiera de los devanados. La saturación se puede minimizar o evitar mediante un diseño conservador, que proporciona un margen adecuado de seguridad entre los valores máximos de densidad de flujo magnético y los límites de saturación del núcleo.
• Los transformadores a menudo experimentan importantes corrientes de irrupción cuando se conecta inicialmente a una fuente de voltaje CA. La corriente de irrupción es más severa cuando la conexión a la fuente de CA se realiza en el momento en que el voltaje instantáneo de la fuente es cero.
• El ruido es un fenómeno común que presentan los transformadores, especialmente los transformadores de potencia, y es causado principalmente por la magnetostricción del núcleo. Las fuerzas físicas que causan la vibración del devanado también pueden generar ruido en condiciones de carga pesada del devanado secundario (alta corriente).