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10.2: Transformadores elevadores y reductores

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    Hasta el momento, hemos observado simulaciones de transformadores donde los devanados primario y secundario eran de inductancia idéntica, dando aproximadamente los mismos niveles de voltaje y corriente en ambos circuitos. La igualdad de voltaje y corriente entre los lados primario y secundario de un transformador, sin embargo, no es la norma para todos los transformadores. Si las inductancias de los dos devanados no son iguales, sucede algo interesante:

    gff.PNG

    Observe cómo la tensión secundaria es aproximadamente diez veces menor que la tensión primaria (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 en un factor de diez y la corriente hacia arriba en un factor de diez: (Figura a continuación)

    02133.png

    Relación de vueltas de 10:1 rinde 10:1 relación de voltaje primario: secundario y 1:10 relación de corriente primaria: secundaria.

    Este es un dispositivo muy útil, en efecto. Con él, podemos multiplicar o dividir fácilmente voltaje y corriente en circuitos de CA. De hecho, el transformador ha hecho de la transmisión de energía eléctrica a larga distancia una realidad práctica, ya que el voltaje de CA se puede “aumentar” y “reducir” la corriente para reducir las pérdidas de potencia de resistencia del cable a lo largo de las líneas eléctricas que conectan estaciones generadoras con cargas. En cada extremo (tanto el generador como en las cargas), los niveles de voltaje son reducidos por los transformadores para una operación más segura y equipos menos costosos. Un transformador que aumenta el voltaje de primario a secundario (más vueltas de devanado secundario que vueltas de devanado primario) se llama transformador elevador. Por el contrario, un transformador diseñado para hacer exactamente lo contrario se llama transformador reductor.

    Reexaminemos una fotografía que se muestra en la sección anterior: (Figura abajo)

    52012 (1) .jpg

    La sección transversal del transformador que muestra devanados primarios y secundarios es de unas pocas pulgadas de alto (aproximadamente 10 cm).

    Se trata de un transformador reductor, como lo demuestra el alto recuento de giros del devanado primario y el bajo recuento de giros del secundario. Como unidad reductora, este transformador convierte la energía de alto voltaje y baja corriente en energía de baja tensión y alta corriente. El cable de mayor calibre utilizado en el devanado secundario es necesario debido al aumento de la corriente. El devanado primario, que no tiene que conducir tanta corriente, puede estar hecho de alambre de menor calibre.

    En caso de que se lo esté preguntando, es posible operar cualquiera de estos tipos de transformadores hacia atrás (alimentar el devanado secundario con una fuente de CA y dejar que el devanado primario alimente una carga) para realizar la función opuesta: un step-up puede funcionar como un reductor y viceversa. Sin embargo, como vimos en la primera sección de este capítulo, el funcionamiento eficiente de un transformador requiere que las inductancias de devanado individuales se diseñen para rangos de operación específicos de voltaje y corriente, por lo que si un transformador se va a usar “hacia atrás” como este debe emplearse dentro del diseño original parámetros de voltaje y corriente para cada devanado, para que no resulte ineficiente (¡o no sea que se dañe por voltaje o corriente excesivos!).

    Los transformadores a menudo se construyen de tal manera que no es obvio qué cables conducen al devanado primario y cuáles conducen al secundario. Una convención utilizada en la industria de energía eléctrica para ayudar a aliviar la confusión es el uso de designaciones “H” para el devanado de mayor voltaje (el devanado primario en una unidad reductora; el devanado secundario en un elevador) y designaciones “X” para el devanado de menor voltaje. Por lo tanto, un transformador de potencia simple tendrá cables etiquetados “H 1", “H 2”, “X 1" y “X 2". Generalmente hay significativo en la numeración de los cables (H 1 versus H 2, etc.), que exploraremos un poco más adelante en este capítulo.

    El hecho de que el voltaje y la corriente se “escalonen” en direcciones opuestas (una hacia arriba, la otra hacia abajo) tiene perfecto sentido cuando se recuerda que la potencia es igual a la tensión por la corriente, y se da cuenta de que los transformadores no pueden producir energía, solo la convierten. Cualquier dispositivo que pudiera generar más potencia de la que tomó violaría la Ley de Conservación de Energía en física, es decir, que la energía no puede crearse ni destruirse, solo convertirse. Al igual que con el primer ejemplo de transformador que vimos, la eficiencia de transferencia de energía es muy buena desde el lado primario al secundario del dispositivo.

    El significado práctico de esto se hace más evidente cuando se considera una alternativa: antes de la llegada de transformadores eficientes, la conversión de nivel de tensión/corriente solo se podía lograr mediante el uso de grupos motor/generadores. Un dibujo de un motor/grupo electrógeno revela el principio básico involucrado: (Figura abajo)

    02295.png

    Motor generador ilustra el principio básico del transformador.

    En dicha máquina, un motor se acopla 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 manera que la eficiencia general está en el rango del 90% o menos. Además, debido a que los grupos motor/generadores obviamente requieren partes 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, son capaces de convertir niveles de voltaje y corriente de CA a eficiencias muy altas sin partes móviles, haciendo posible la distribución y uso generalizado de la energía eléctrica que damos por sentado.

    Para ser justos cabe señalar que los grupos motor/generadores no necesariamente han quedado obsoletos por transformadores para todas las aplicaciones. Si bien los transformadores son claramente superiores a los conjuntos de motor/generadores para la conversión de voltaje CA y nivel de corriente, no pueden convertir una frecuencia de alimentación de CA a otra, o (por sí mismos) convertir CC a CA o viceversa. Los grupos motor/generadores pueden hacer todas estas cosas con relativa simplicidad, aunque con las limitaciones de eficiencia y factores mecánicos ya descritos. Los grupos motor/generadores también tienen la propiedad única del almacenamiento de energía cinética: es decir, si la fuente de alimentación 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 tiempo, aislando así cualquier carga alimentada por el generador de “fallas” en el sistema de alimentación principal.

    Al observar 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 mayor voltaje y menor corriente que el otro. Dado que los dos inductores están enrollados alrededor del mismo material del núcleo en el transformador (para el acoplamiento magnético más eficiente entre los dos), los parámetros que afectan a la inductancia para 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 bobina:

    12100.png

    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 equivale 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 voltaje y corriente es igual a la relación de vueltas de devanado entre primaria y secundaria.

    02134.png

    Transformador reductor: (muchos vueltos:pocas vueltas).

    El efecto reductor/reductor de las relaciones de giro de bobina en un transformador (Figura anterior) es análogo a las relaciones de dientes de engranaje en sistemas de engranajes mecánicos, transformando los valores de velocidad y par de la misma manera: (Figura a continuación)

    02135.png El tren de engranajes reductores 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 potencia mostrados anteriormente, algunas unidades de pie tan altas como una casa. La siguiente fotografía muestra un transformador de subestación de aproximadamente doce pies de altura: (Figura abajo)

    52007.jpg

    Transformador de subestación.

    Revisar

    • Transformadores de voltaje “escalonado” o “reductor” de acuerdo con las relaciones de giros de cable primario a secundario.

    12102.png

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

    12103.png


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