10.6: Regulación de Voltaje

Fórmula de regulación de voltaje

La medida de qué tan bien un transformador de potencia mantiene la tensión secundaria constante en un rango de corrientes de carga se llama regulación de voltaje del transformador. Se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:

¿Qué es “Full Load”?

“Carga completa” significa el punto en el que el transformador está funcionando a la corriente secundaria máxima permisible. Este punto de operación estará determinado principalmente por el tamaño del cable de bobinado (ampacidad) y el método de enfriamiento del transformador. Tomando como ejemplo nuestra primera simulación de transformador SPICE, comparemos el voltaje de salida con una carga de 1 kΩ frente a una carga de 200 Ω (asumiendo que la carga de 200 Ω será nuestra condición de “carga completa”). Recordemos si quiere que nuestro voltaje primario constante fue de 10.00 voltios CA:

Observe cómo el voltaje de salida disminuye a medida que la carga se vuelve más pesada (más corriente). Ahora tomemos ese mismo circuito transformador y coloquemos una resistencia de carga de magnitud extremadamente alta a través del devanado secundario para simular una condición “sin carga”: (Ver “transformador” lista de especias”)

Entonces, vemos que nuestro voltaje de salida (secundario) abarca un rango de 9.990 voltios a (virtualmente) sin carga y 9.348 voltios en el punto que decidimos llamar “carga completa”. Calculando la regulación de voltaje con estas cifras, obtenemos:

Por cierto, esto se consideraría una regulación bastante pobre (o “suelta”) para un transformador de potencia. Alimentando una carga resistiva simple como esta, un buen transformador de potencia debería exhibir un porcentaje de regulación de menos del 3%. Las cargas inductivas tienden a crear una condición de peor regulación de voltaje, por lo que este análisis con cargas puramente resistivas fue una condición de “mejor caso”.

Hay algunas aplicaciones, sin embargo, donde realmente se desea una mala regulación. Uno de esos casos es en la iluminación de descarga, donde se requiere un transformador elevador para generar inicialmente un alto voltaje (necesario para “encender” las lámparas), entonces se espera que el voltaje caiga una vez que la lámpara comience a extraer corriente. Esto se debe a que los requisitos de voltaje de las lámparas de descarga tienden a ser mucho menores después de que se haya establecido una corriente a través de la trayectoria del arco En este caso, un transformador elevador con mala regulación de voltaje es suficiente muy bien para la tarea de acondicionar la energía a la lámpara.

Otra aplicación es en el control de corriente para soldadores de arco AC, que no son más que transformadores reductores que suministran energía de baja tensión y alta corriente para el proceso de soldadura. Se desea un alto voltaje para ayudar a “golpear” el arco (iniciarlo), pero al igual que la lámpara de descarga, un arco no requiere tanto voltaje para sostenerse una vez que el aire ha sido calentado hasta el punto de ionización. Por lo tanto, una disminución de la tensión secundaria bajo corriente de carga alta sería algo bueno. Algunos diseños de soldadores de arco proporcionan ajuste de corriente de arco por medio de un núcleo de hierro móvil en el transformador, acodado dentro o fuera del conjunto de bobinado por el operador. Alejar la pieza de hierro de los devanados reduce la fuerza del acoplamiento magnético entre los devanados, lo que disminuye el voltaje secundario sin carga y hace que la regulación de voltaje sea más pobre.

Ninguna exposición sobre la regulación del transformador podría llamarse completa sin mencionar un dispositivo inusual llamado transformador ferroresonante. La “ferroresonancia” es un fenómeno asociado con el comportamiento de los núcleos de hierro al operar cerca de un punto de saturación magnética (donde el núcleo está tan fuertemente magnetizado que los aumentos adicionales en la corriente del devanado dan como resultado poco o ningún aumento en el flujo magnético).

Si bien es algo difícil de describir sin profundizar en la teoría electromagnética, el transformador ferroresonante es un transformador de potencia diseñado para operar en una condición de saturación persistente del núcleo. Es decir, su núcleo de hierro está “lleno” de líneas magnéticas de flujo para una gran parte del ciclo de CA, de modo que las variaciones en el voltaje de suministro (corriente del devanado primario) tienen poco efecto en la densidad de flujo magnético del núcleo, lo que significa que el devanado secundario emite un voltaje casi constante a pesar de ser significativo variaciones en el voltaje de suministro (devanado primario). Normalmente, la saturación del núcleo en un transformador da como resultado la distorsión de la forma de la onda sinusoidal, y el transformador ferroresonante no es la excepción. Para combatir este efecto secundario, los transformadores ferroresonantes tienen un devanado secundario auxiliar paralelo con uno o más condensadores, formando un circuito resonante sintonizado a la frecuencia de la fuente de alimentación. Este “circuito de tanque” sirve como filtro para rechazar armónicos creados por la saturación del núcleo, y proporciona el beneficio agregado de almacenar energía en forma de oscilaciones de CA, que está disponible para mantener el voltaje del devanado de salida durante breves períodos de pérdida de voltaje de entrada (valor de milisegundos de tiempo, pero ciertamente mejor que nada). (Figura abajo)

El transformador ferroresonante proporciona regulación de voltaje de la salida.

Además de bloquear armónicos creados por el núcleo saturado, este circuito resonante también “filtra” frecuencias armónicas generadas por cargas no lineales (conmutación) en el circuito de devanado secundario y cualquier armónico presente en la tensión fuente, proporcionando energía “limpia” a la carga.

Los transformadores ferroresonantes ofrecen varias características útiles en el acondicionamiento de energía de CA: voltaje de salida constante dadas variaciones sustanciales en el voltaje de entrada, filtrado armónico entre la fuente de alimentación y la carga, y la capacidad de “atravesar” breves pérdidas de energía manteniendo una reserva de energía en su resonancia circuito de tanque. Estos transformadores también son altamente tolerantes a cargas excesivas y sobretensiones transitorias (momentáneas). Son tan tolerantes, de hecho, que algunos pueden ser brevemente paralelos con fuentes de alimentación de CA no sincronizadas, permitiendo que una carga se conmute de una fuente de energía a otra de una manera “hacer antes de romper” ¡sin interrupción de la energía en el lado secundario!

Desventajas conocidas de los transformadores ferroresonantes

Desafortunadamente, estos dispositivos tienen desventajas igualmente notables: desperdician mucha energía (debido a pérdidas de histéresis en el núcleo saturado), generando calor significativo en el proceso, y son intolerantes a las variaciones de frecuencia, lo que significa que no funcionan muy bien cuando funcionan con un motor pequeño- generadores accionados que tienen mala regulación de velocidad. Los voltajes producidos en el circuito resonante de bobinado/condensador tienden a ser muy altos, requiriendo condensadores costosos y presentando al técnico de servicio voltajes de trabajo muy peligrosos. Algunas aplicaciones, sin embargo, pueden priorizar las ventajas del transformador ferroresonante sobre sus desventajas. Los circuitos semiconductores existen para “acondicionar” la alimentación de CA como alternativa a los dispositivos ferroresonantes, pero ninguno puede competir con este transformador en términos de pura simplicidad.

Revisar

• La regulación de voltaje es la medida de lo bien que un transformador de potencia puede mantener una tensión secundaria constante dada una tensión primaria constante y una amplia varianza en la corriente de carga. Cuanto menor sea el porcentaje (más cerca de cero), más estable será la tensión secundaria y mejor será la regulación que proporcionará.
• Un transformador ferroresonante es un transformador especial diseñado para regular el voltaje a un nivel estable a pesar de la amplia variación en el voltaje de entrada.