Transformadores elevadores y reductores

Hasta ahora, hemos observado simulaciones de transformadores donde los devanados primario y secundario eran de inductancia idéntica, dando niveles de voltaje y corriente aproximadamente iguales en ambos circuitos. Sin embargo, la igualdad de voltaje y corriente entre los lados primario y secundario de un transformador no es la norma para todos los transformadores.

Si las inductancias de los dos devanados no son iguales, sucede algo interesante:

 transformador v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 l2 3 5100 k l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .imprimir ac v (3,5) i (vi1) .fin 

 frecuencia v (2) i (v1) 6.000E + 01 1.000E + 01 9.975E-05 Bobinado primario frecuencia v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.962E-01 9.962E-04 Bobinado secundario 

Observe cómo el voltaje secundario es aproximadamente diez veces menor que el voltaje primario (0,9962 voltios en comparación con 10 voltios), mientras que la corriente secundaria es aproximadamente diez veces mayor (0,9962 mA en comparación con 0,09975 mA).

Lo que tenemos aquí es un dispositivo que reduce el voltaje hacia abajo por un factor de diez y actual arriba por un factor de diez:

La relación de vueltas de 10:1 produce una relación de voltaje primario:secundario de 10:1 y una relación de corriente primaria:secundaria de 1:10.

¿Qué son los transformadores elevadores y reductores?

Este es un dispositivo muy útil, de hecho. Con él, podemos multiplicar o dividir fácilmente el voltaje y la corriente en circuitos de CA. De hecho, el transformador ha hecho que la transmisión de energía eléctrica a larga distancia sea una realidad práctica, ya que el voltaje de CA se puede "aumentar" y la corriente "reducir" para reducir las pérdidas de potencia por resistencia del cable a lo largo de las líneas eléctricas que conectan las estaciones generadoras con cargas.

En cualquier extremo (tanto en el generador como en las cargas), los niveles de voltaje se reducen mediante transformadores para una operación más segura y equipos menos costosos.

Un transformador que aumenta el voltaje de primario a secundario (más vueltas de bobinado secundario que vueltas de bobinado primario) se denomina step-up transformador.

Por el contrario, un transformador diseñado para hacer exactamente lo contrario se denomina reductor transformador.

Volvamos a examinar una fotografía que se muestra en la sección anterior:

La sección transversal del transformador que muestra los devanados primario y secundario mide unas pocas pulgadas de alto (aproximadamente 10 cm).

Este es un transformador reductor, como lo demuestra el alto número de vueltas del devanado primario y el bajo número de vueltas del secundario. Como unidad reductora, este transformador convierte la energía de alto voltaje y baja corriente en energía de bajo voltaje y alta corriente.

El cable de mayor calibre utilizado en el devanado secundario es necesario debido al aumento de corriente. El devanado primario, que no tiene que conducir tanta corriente, puede estar hecho de alambre de menor calibre.

Reversibilidad del funcionamiento del transformador

En caso de que se lo pregunte, es Es posible operar cualquiera de estos tipos de transformadores hacia atrás (alimentando el devanado secundario con una fuente de CA y dejando que el devanado primario alimente una carga) para realizar la función opuesta:un elevador puede funcionar como reductor y visa-Versa.

Sin embargo, como vimos en la primera sección de este capítulo, el funcionamiento eficiente de un transformador requiere que las inductancias de los devanados individuales estén diseñadas para rangos operativos específicos de voltaje y corriente, por lo que si un transformador se va a usar "al revés" como este, debe ser empleado dentro de los parámetros de diseño originales de voltaje y corriente para cada devanado, para que no resulte ineficaz (o para que no se dañe por voltaje o corriente excesiva!).

Etiquetas de construcción de transformadores

Los transformadores a menudo se construyen de tal manera que no es obvio qué cables conducen al devanado primario y cuáles al secundario. Una convención utilizada en la industria de la energía eléctrica para ayudar a aliviar la confusión es el uso de designaciones "H" para el devanado de voltaje más alto (el devanado primario en una unidad reductora; el devanado secundario en un elevador) y "X" designaciones para el devanado de menor voltaje.

Por lo tanto, un transformador de potencia simple tendrá cables etiquetados como "H ₁ "," H ₂ "," X ₁ "Y" X ₂ ”. Suele ser importante para la numeración de los cables (H ₁ versus H ₂ , etc.), que exploraremos un poco más adelante en este capítulo.

Importancia práctica de los transformadores elevadores y reductores

El hecho de que el voltaje y la corriente se "escalonan" en direcciones opuestas (uno hacia arriba, el otro hacia abajo) tiene mucho sentido cuando recuerda que la potencia es igual al voltaje multiplicado por la corriente y se da cuenta de que los transformadores no pueden producir poder, solo conviértalo.

Cualquier dispositivo que pueda generar más energía de la que consume violaría la Ley de Conservación de Energía en física, es decir, que la energía no se puede crear ni destruir, solo convertir. Al igual que con el primer ejemplo de transformador que analizamos, la eficiencia de transferencia de energía es muy buena desde el lado primario al secundario del dispositivo.

La importancia práctica de esto se hace más evidente cuando se considera una alternativa:antes de la llegada de los transformadores eficientes, la conversión del nivel de voltaje / corriente solo podía lograrse mediante el uso de grupos de motor / generador.

Un dibujo de un motor / grupo electrógeno revela el principio básico involucrado:(Imagen siguiente)

=

El generador de motor ilustra el principio básico del transformador.

En tal máquina, un motor está acoplado mecánicamente a un generador, el generador diseñado para producir los niveles deseados de voltaje y corriente a la velocidad de rotación del motor.

Si bien tanto los motores como los generadores son dispositivos bastante eficientes, el uso de ambos de esta manera agrava sus ineficiencias de modo que la eficiencia general está en el rango del 90% o menos. Además, dado que los grupos electrógenos / motores requieren obviamente piezas móviles, el desgaste mecánico y el equilibrio son factores que influyen tanto en la vida útil como en el rendimiento.

Los transformadores, por otro lado, pueden convertir niveles de voltaje y corriente CA con eficiencias muy altas sin partes móviles, lo que hace posible la distribución y el uso generalizados de la energía eléctrica que damos por sentado.

Para ser justos, debe tenerse en cuenta que los transformadores no necesariamente han dejado obsoletos a los grupos electrógenos / motores en todos aplicaciones.

Si bien los transformadores son claramente superiores a los conjuntos de motores / generadores para la conversión de voltaje y nivel de corriente CA, no pueden convertir una frecuencia de energía CA a otra, o (por sí mismos) convertir CC a CA o viceversa.

Los grupos electrógenos / motores pueden hacer todas estas cosas con relativa simplicidad, aunque con las limitaciones de eficiencia y factores mecánicos ya descritos.

Los conjuntos de motor / generador también tienen la propiedad única de almacenamiento de energía cinética:es decir, si el suministro de energía del motor se interrumpe momentáneamente por cualquier motivo, su momento angular (la inercia de esa masa giratoria) mantendrá la rotación del generador por un corto período de tiempo. , aislando así cualquier carga alimentada por el generador de "fallas" en el sistema de energía principal.

Análisis del funcionamiento del transformador elevador y reductor

Mirando de cerca los números en el análisis SPICE, deberíamos ver una correspondencia entre la relación del transformador y las dos inductancias. Observe cómo el inductor primario (l1) tiene 100 veces más inductancia que el inductor secundario (10000 H versus 100 H), y que la relación de reducción de voltaje medida fue de 10 a 1.

El devanado con más inductancia tendrá un voltaje más alto y menos corriente que el otro.

Dado que los dos inductores se enrollan alrededor del mismo material de núcleo en el transformador (para el acoplamiento magnético más eficiente entre los dos), los parámetros que afectan la inductancia de las dos bobinas son iguales excepto por el número de vueltas en cada bobina.

Si echamos otro vistazo a nuestra fórmula de inductancia, vemos que la inductancia es proporcional al cuadrado del número de vueltas de la bobina:

Entonces, debería ser evidente que nuestros dos inductores en el último circuito de ejemplo de transformador SPICE, con relaciones de inductancia de 100:1, deberían tener relaciones de giro de bobina de 10:1, porque 10 al cuadrado es igual a 100.

Esto resulta ser la misma relación que encontramos entre tensiones y corrientes primarias y secundarias (10:1), por lo que podemos decir como regla que la relación de transformación de tensión y corriente es igual a la relación de vueltas del devanado entre primario y secundario.

Transformador reductor:(muchas vueltas:pocas vueltas).

El efecto de aumento / reducción de las relaciones de giro de la bobina en un transformador es análogo a las relaciones de los dientes de los engranajes en los sistemas de engranajes mecánicos, transformando los valores de velocidad y par de la misma manera:

El tren de engranajes de reducción de par reduce el par mientras aumenta la velocidad.

Los transformadores elevadores y reductores para fines de distribución de energía pueden ser gigantescos en proporción a los transformadores de energía mostrados anteriormente, algunas unidades tienen la altura de una casa. La siguiente fotografía muestra un transformador de subestación de unos doce pies de altura:

Transformador de subestación.

REVISAR:

• Los transformadores "aumentan" o "reducen" el voltaje de acuerdo con las relaciones entre las vueltas de los cables primarios y secundarios.

• Un transformador diseñado para aumentar el voltaje de primario a secundario se llama step-up transformador. Un transformador diseñado para reducir el voltaje de primario a secundario se llama reductor transformador.
• La relación de transformación de un transformador será igual a la raíz cuadrada de su relación de inductancia primaria a secundaria (L).

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de transformadores elevadores, reductores y de aislamiento