Transformadores Elevadores y Reductores: Voltaje, Corriente y Distribución de Potencia

Secciones anteriores ilustraron simulaciones de transformadores donde los devanados primario y secundario tenían inductancia igual, resultando en voltaje y corriente aproximadamente iguales en ambos lados.

Cuando las inductancias difieren, el transformador se comporta de manera distinta.

transformador v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 l2 3 5 100 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) .print ac v(3,5) i(vi1) .end

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

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

Este es un transformador reductor clásico: reduce el voltaje en un factor de diez y aumenta la corriente en el mismo factor.

Relación de vueltas 10:1 produce una relación de voltaje primario-secundario 10:1 y una relación de corriente 1:10.

¿Qué Son los Transformadores Elevadores y Reductores?

Los transformadores son indispensables para los sistemas de potencia modernos. Al elevar el voltaje y reducir la corriente, permiten transmisión eficiente a larga distancia, minimizando pérdidas en línea y permitiendo el uso de potencia de alto voltaje y baja corriente en redes extensas.

Tanto en la planta generadora como en el lado del consumidor, transformadores dedicados reducen el voltaje a niveles más seguros y económicos.

Un transformador que eleva el voltaje de primario a secundario (más vueltas en secundario que en primario) se llama transformador elevador. El opuesto, que reduce el voltaje, es un transformador reductor.

Sección transversal del transformador: primario (muchas vueltas) y secundario (pocas vueltas).

En una unidad reductora, el secundario debe transportar la corriente mayor, por lo que se enrolla con alambre de mayor calibre, mientras que el primario puede usar alambre más delgado.

Reversibilidad del Funcionamiento del Transformador

Los transformadores pueden, en principio, operarse en inversa —aplicando CA al secundario y extrayendo potencia del primario. Esto puede convertir un elevador en reductor y viceversa, siempre que los voltajes y corrientes de los devanados permanezcan dentro de sus límites de diseño originales para evitar ineficiencia o daño.

Etiquetas de Construcción de Transformadores

La práctica industrial a menudo etiqueta los devanados para evitar confusión. El devanado de mayor voltaje recibe una designación "H" (H1, H2, …), mientras que el de menor voltaje se etiqueta "X" (X1, X2, …). Estas convenciones ayudan a los técnicos a identificar bornes primarios y secundarios, especialmente en instalaciones complejas.

Significado Práctico de Transformadores Elevadores y Reductores

Los transformadores solo redistribuyen la potencia existente; no la crean. El producto de voltaje y corriente (potencia) permanece constante —sujeto a unas pocas pérdidas porcentuales en núcleo y cobre— honrando la Ley de Conservación de la Energía.

Antes de que existieran transformadores eficientes, los conjuntos motor-generador realizaban la conversión de voltaje. Aunque eficientes, estas máquinas involucraban dos etapas de conversión, reduciendo la eficiencia global a alrededor del 90 % o menos e introduciendo desgaste mecánico.

En contraste, los transformadores no tienen partes móviles, alcanzan altas eficiencias (a menudo >98 %) y son esenciales para la distribución fiable y económica de electricidad.

Sin embargo, los transformadores no pueden cambiar la frecuencia de la potencia CA ni convertir entre CA y CC. Para tales tareas, se requieren conjuntos motor-generador o electrónica de potencia.

Los conjuntos motor-generador también proporcionan almacenamiento de energía cinética: si el suministro primario se interrumpe, la masa rotante puede continuar impulsando el generador brevemente, suavizando fallos transitorios.

Análisis del Funcionamiento de Transformadores Elevadores y Reductores

Los resultados SPICE ilustran que la relación de inductancias de los devanados determina las relaciones de voltaje y corriente. En nuestro ejemplo, el inductor primario (l1) tiene 10 000 H versus 100 H para el secundario —una relación de inductancia 100:1.

Dado que la inductancia es proporcional al cuadrado del número de vueltas (L ∝ N²), una relación de inductancia 100:1 corresponde a una relación de vueltas 10:1. Consecuentemente, la relación de voltaje y corriente también iguala 10:1.

Inductancia ∝ N².

Así, la relación de transformación del transformador es simplemente la relación de vueltas primario a secundario.

Transformador reductor: muchas vueltas en el primario, pocas en el secundario.

Al igual que los trenes de engranajes que intercambian velocidad y par, las relaciones de vueltas del transformador intercambian voltaje por corriente (o viceversa).

Analogía de engranajes: reduciendo par mientras aumenta velocidad.

Los grandes transformadores de distribución de potencia pueden ser del tamaño de una casa. La imagen de abajo muestra un transformador de subestación de aproximadamente doce pies de altura.

Transformador de subestación.

Resumen

• Los transformadores cambian el voltaje por la relación de vueltas primario a secundario.
• Un transformador elevador sube el voltaje; uno reductor lo baja.
• La relación de transformación iguala la raíz cuadrada de la relación de inductancia primario-secundario.

Vea la Hoja de Trabajo de Transformadores Elevadores, Reductores y de Aislamiento para problemas de práctica.