10.7: Transformadores especiales y aplicaciones
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Emparejamiento de impedancia
Debido a que los transformadores pueden escalonar voltaje y corriente a diferentes niveles, y debido a que la energía se transfiere de manera equivalente entre devanados primarios y secundarios, pueden usarse para “convertir” la impedancia de una carga a un nivel diferente. Esa última frase merece alguna explicación, así que investiguemos qué significa.
El propósito de una carga (generalmente) es hacer algo productivo con la potencia que disipa. En el caso de un elemento calefactor resistivo, el propósito práctico de la potencia disipada es calentar algo. Las cargas están diseñadas para disipar de manera segura una cierta cantidad máxima de energía, pero dos cargas de igual potencia nominal no son necesariamente idénticas. Considere estos dos elementos calefactores resistivos de 1000 vatios: (Figura abajo)
Los elementos calefactores disipan 1000 watts, a diferentes clasificaciones de voltaje y corriente.
Ambos calentadores disipan exactamente 1000 vatios de potencia, pero lo hacen a diferentes niveles de voltaje y corriente (ya sea 250 voltios y 4 amperios, o 125 voltios y 8 amperios). Usando la Ley de Ohm para determinar la resistencia necesaria de estos elementos calefactores (R=E/I), llegamos a cifras de 62.5 Ω y 15.625 Ω, respectivamente. Si se trata de cargas de CA, podríamos referirnos a su oposición a la corriente en términos de impedancia en lugar de resistencia simple, aunque en este caso eso es todo de lo que están compuestas (sin reactancia). Se diría que el calentador de 250 voltios es una carga de impedancia más alta que el calentador de 125 voltios.
Si quisiéramos operar el elemento calentador de 250 voltios directamente en un sistema de alimentación de 125 voltios, terminaríamos decepcionados. Con 62.5 Ω de impedancia (resistencia), la corriente solo sería de 2 amperios (I=E/R; 125/62.5), y la disipación de potencia solo sería de 250 vatios (P=IE; 125 x 2), o un cuarto de su potencia nominal. La impedancia del calentador y el voltaje de nuestra fuente no coincidirían, y no pudimos obtener la disipación de potencia nominal completa del calentador.
Sin embargo, no se pierde toda esperanza. Con un transformador elevador, podríamos operar el elemento calentador de 250 voltios en el sistema de energía de 125 voltios como la figura a continuación.
El transformador elevador opera un calentador de 1000 vatios y 250 V desde una fuente de alimentación de 125 V
La relación de los devanados del transformador proporciona el aumento de voltaje y el reductor de corriente que necesitamos para que la carga no coincidente funcione correctamente en este sistema. Eche un vistazo de cerca a las cifras del circuito primario: 125 voltios a 8 amperios. Por lo que “sabe” la fuente de alimentación, alimenta una carga de 15.625 Ω (R=E/I) a 125 voltios, ¡no una carga de 62.5 Ω! Las cifras de voltaje y corriente para el devanado primario son indicativas de una impedancia de carga de 15.625 Ω, no de los 62.5 Ω reales de la carga en sí. En otras palabras, nuestro transformador elevador no solo ha transformado voltaje y corriente, sino que también ha transformado la impedancia.
La relación de transformación de impedancia es el cuadrado de la relación de transformación voltaje/corriente, lo mismo que la relación de inductancia del devanado:
Esto concuerda con nuestro ejemplo del transformador elevador 2:1 y la relación de impedancia de 62.5 Ω a 15.625 Ω (una relación 4:1, que es 2:1 al cuadrado). La transformación de impedancia es una capacidad altamente útil de los transformadores, ya que permite que una carga disipe su potencia nominal completa incluso si el sistema de energía no está en el voltaje adecuado para hacerlo directamente.
Recordemos de nuestro estudio de análisis de red el Teorema de Transferencia de Potencia Máxima, que establece que la cantidad máxima de potencia se disipará por una resistencia de carga cuando esa resistencia de carga sea igual a la resistencia Thevenin/Norton de la red que suministra la energía. Sustituye la palabra “impedancia” por “resistencia” en esa definición y tienes la versión AC de ese Teorema. Si estamos tratando de obtener la máxima disipación teórica de potencia de una carga, debemos ser capaces de hacer coincidir correctamente la impedancia de carga y la impedancia de la fuente (Thevenin/Norton) juntas. Esto es generalmente una preocupación más importante en circuitos eléctricos especializados como el transmisor/antena de radio y los sistemas de amplificadores de audio/altavoces. Tomemos un sistema amplificador de audio y veamos cómo funciona: (Figura abajo)
Amplificador con impedancia de 500 Ω impulsa 8 Ω a una potencia mucho menor que la máxima.
Con una impedancia interna de 500 Ω, el amplificador solo puede entregar plena potencia a una carga (altavoz) que también tiene 500 Ω de impedancia. Tal carga caería mayor voltaje y consumiría menos corriente que un altavoz de 8 Ω disipando la misma cantidad de energía. Si un altavoz de 8 Ω se conectara directamente al amplificador de 500 Ω como se muestra, la falta de coincidencia de impedancia resultaría en un rendimiento muy pobre (baja potencia pico). Adicionalmente, el amplificador tendería a disipar más que su parte justa de potencia en forma de calor tratando de impulsar el altavoz de baja impedancia.
Para que este sistema funcione mejor, podemos usar un transformador para que coincida con estas impedancias no coincidentes. Como vamos de un suministro de alta impedancia (alto voltaje, baja corriente) a una carga de baja impedancia (baja tensión, alta corriente), necesitaremos usar un transformador reductor: (Figura a continuación)
El transformador de adaptación de impedancia combina el amplificador de 500 Ω con el altavoz de 8 Ω para una máxima eficiencia
Para obtener una relación de transformación de impedancia de 500:8, necesitaríamos una relación de devanado igual a la raíz cuadrada de 500:8 (la raíz cuadrada de 62. 5:1, o 7. 906:1). Con un transformador de este tipo en su lugar, el altavoz cargará el amplificador en el grado justo, extrayendo potencia a los niveles correctos de voltaje y corriente para satisfacer el Teorema de Transferencia de Potencia Máxima y hacer que la entrega de energía sea la carga más eficiente. El uso de un transformador en esta capacidad se denomina coincidencia de impedancia.
Cualquiera que haya montado una bicicleta de varias velocidades puede comprender intuitivamente el principio de la adaptación de impedancia. Las piernas de un humano producirán la máxima potencia al girar la manivela de la bicicleta a una velocidad particular (alrededor de 60 a 90 revoluciones por minuto). Por encima o por debajo de esa velocidad de rotación, los músculos de las piernas humanas son menos eficientes para generar energía. El propósito de los “engranajes” de la bicicleta es hacer coincidir la impedancia de las piernas del ciclista con las condiciones de conducción para que siempre giren la manivela a la velocidad óptima.
Si el piloto intenta comenzar a moverse mientras la bicicleta se desplaza a su marcha “superior”, le resultará muy difícil ponerse en movimiento. ¿Es porque el jinete es débil? No, es porque la alta relación de aumento de la cadena y los piñones de la bicicleta en esa marcha superior presenta un desajuste entre las condiciones (mucha inercia para superar) y sus piernas (que necesitan girar a 60-90 RPM para obtener la máxima potencia de salida). Por otro lado, seleccionar una marcha demasiado baja permitirá que el piloto se mueva de inmediato, pero limitará la velocidad máxima que podrá alcanzar. Nuevamente, ¿la falta de velocidad es un indicio de debilidad en las piernas del ciclista? No, es porque la relación de velocidad más baja de la marcha seleccionada crea otro tipo de desajuste entre las condiciones (carga baja) y las piernas del piloto (perdiendo potencia si gira más rápido que 90 RPM). Lo mismo ocurre con las fuentes de energía eléctrica y las cargas: debe haber una coincidencia de impedancia para lograr la máxima eficiencia del sistema. En los circuitos de CA, los transformadores realizan la misma función de coincidencia que las ruedas dentadas y la cadena (“engranajes”) de una bicicleta para que coincidan con fuentes y cargas que de otro modo no coincidían
Los transformadores de adaptación de impedancia no son fundamentalmente diferentes de cualquier otro tipo de transformador en construcción o apariencia. En la siguiente fotografía se muestra un pequeño transformador de adaptación de impedancia (aproximadamente dos centímetros de ancho) para aplicaciones de audiofrecuencia: (Figura abajo)
Transformador de adaptación de impedancia de frecuencia de audio
Otro transformador de adaptación de impedancia se puede ver en esta placa de circuito impreso, en la esquina superior derecha, a la izquierda inmediata de las resistencias R2 y R1. Está etiquetado como “T1”: (Figura abajo)
Transformador de adaptación de impedancia de audio montado en placa de circuito impreso, superior derecha.
Transformadores de potencial
Los transformadores también se pueden utilizar en sistemas de instrumentación eléctrica. Debido a la capacidad de los transformadores para aumentar o reducir el voltaje y la corriente, y el aislamiento eléctrico que proporcionan, pueden servir como una forma de conectar la instrumentación eléctrica a sistemas de energía de alta tensión y alta corriente. Supongamos que queríamos medir con precisión el voltaje de un sistema de energía de 13.8 kV (un voltaje de distribución de energía muy común en la industria estadounidense): (Figura a continuación)
La medición directa de alto voltaje por un voltímetro es un peligro potencial para la seguridad.
Diseñar, instalar y mantener un voltímetro capaz de medir directamente 13,800 voltios CA no sería una tarea fácil. El peligro de seguridad por sí solo de llevar conductores de 13.8 kV a un panel de instrumentos sería severo, sin mencionar el diseño del propio voltímetro. Sin embargo, mediante el uso de un transformador reductor de precisión, podemos reducir los 13.8 kV a un nivel seguro de voltaje en una relación constante, y aislarlo de las conexiones del instrumento, agregando un nivel adicional de seguridad al sistema de medición: (Figura abajo)
Aplicación de instrumentación: “Transformador de potencial” escala con precisión la alta tensión peligrosa a un valor seguro aplicable a un voltímetro convencional.
Ahora el voltímetro lee una fracción precisa, o relación, del voltaje real del sistema, su escala ajustada para leer como si estuviera midiendo el voltaje directamente. El transformador mantiene el voltaje del instrumento en un nivel seguro y lo aísla eléctricamente del sistema de alimentación, por lo que no hay conexión directa entre las líneas eléctricas y el cableado del instrumento o instrumento. Cuando se usa en esta capacidad, el transformador se llama Transformador de Potencial, o simplemente PT.
Los transformadores de potencial están diseñados para proporcionar una relación de reducción de voltaje lo más precisa posible. Para ayudar en la regulación precisa del voltaje, la carga se mantiene al mínimo: el voltímetro está hecho para tener una alta impedancia de entrada para extraer la menor cantidad de corriente del PT como sea posible. Como puede ver, se ha conectado un fusible en serie con el devanado primario PTs, para mayor seguridad y facilidad para desconectar el PT del circuito.
Un voltaje secundario estándar para un PT es 120 voltios CA, para voltaje de línea de alimentación nominal completa. El rango de voltímetro estándar para acompañar a un PT es de 150 voltios, a gran escala. Los PTs con relaciones de bobinado personalizadas se pueden fabricar para adaptarse a cualquier aplicación. Esto se presta bien a la estandarización industrial de los propios instrumentos voltímetros reales, ya que el PT se dimensionará para reducir el voltaje del sistema a este nivel estándar del instrumento.
Transformadores de corriente
Siguiendo la misma línea de pensamiento, podemos usar un transformador para reducir la corriente a través de una línea eléctrica para que podamos medir de manera segura y fácil las altas corrientes del sistema con amperímetros económicos. Por supuesto, dicho transformador estaría conectado en serie con la línea eléctrica, como (Figura a continuación).
Aplicación de instrumentación: “Transformador de corriente” reduce la corriente alta a un valor aplicable a un amperímetro convencional.
Tenga en cuenta que mientras el PT es un dispositivo reductor, el Transformador de Corriente (o CT) es un dispositivo elevador (con respecto al voltaje), que es lo que se necesita para reducir la corriente de la línea eléctrica. Muy a menudo, los CT se construyen como dispositivos en forma de rosquilla a través de los cuales se ejecuta el conductor de la línea eléctrica, actuando la propia línea eléctrica como un devanado primario de una sola vuelta: (Figura a continuación)
El conductor de corriente a medir se enrosca a través de la abertura. La corriente reducida está disponible en los cables de cable.
Algunos CT están hechos para abrirse con bisagra, lo que permite la inserción alrededor de un conductor de alimentación sin molestar al conductor en absoluto. La corriente secundaria estándar de la industria para un CT es un rango de 0 a 5 amperios CA. Al igual que los PTs, los CT se pueden fabricar con relaciones de bobinado personalizadas para adaptarse a casi cualquier aplicación. Debido a que su corriente secundaria de “carga completa” es de 5 amperios, las relaciones CT generalmente se describen en términos de amperios primarios a carga completa a 5 amperios, así:
El CT “donut” que se muestra en la fotografía tiene una relación de 50:5. Es decir, cuando el conductor a través del centro del toro lleva 50 amperios de corriente (CA), habrá 5 amperios de corriente inducida en el devanado del CT.
Debido a que los CT están diseñados para alimentar amperímetros, que son cargas de baja impedancia, y están enrollados como transformadores elevadores de voltaje, nunca deben ser operados con un devanado secundario de circuito abierto. Al no prestar atención a esta advertencia, el CT producirá voltajes secundarios extremadamente altos, peligrosos para el equipo y el personal por igual. Para facilitar el mantenimiento de la instrumentación del amperímetro, los interruptores de cortocircuito a menudo se instalan en paralelo con el devanado secundario del CT, para cerrarse cada vez que se retira el amperímetro para el servicio: (Figura abajo)
El interruptor de cortocircuito permite quitar el amperímetro de un circuito transformador de corriente activa.
Aunque puede parecer extraño cortocircuitar intencionalmente un componente del sistema de energía, es perfectamente apropiado y bastante necesario cuando se trabaja con transformadores de corriente.
Transformadores de núcleo de aire
Otro tipo de transformador especial, visto a menudo en circuitos de radiofrecuencia, es el transformador de núcleo de aire. (Figura abajo) Fiel a su nombre, un transformador de núcleo de aire tiene sus devanados envueltos alrededor de una forma no magnética, generalmente un tubo hueco de algún material. El grado de acoplamiento (inductancia mutua) entre los devanados en dicho transformador es muchas veces menor que el de un transformador de núcleo de hierro equivalente, pero las características indeseables de un núcleo ferromagnético (pérdidas por corrientes parásitas, histéresis, saturación, etc.) se eliminan por completo. Es en aplicaciones de alta frecuencia donde estos efectos de los núcleos de hierro son los más problemáticos.
Los transformadores de núcleo de aire pueden enrollarse en formas cilíndricas (a) o toroidales (b). Primaria con derivación central con secundaria (a). Bobinado bifilar en forma toroidal (b).
El devanado del solenoide con toma interior, (Figura (a) anterior), sin el sobredevanado, podría coincidir con impedancias desiguales cuando no se requiere aislamiento de CC. Cuando se requiere aislamiento, el sobrebobinado se agrega sobre un extremo del devanado principal. Los transformadores de núcleo de aire se utilizan a frecuencias de radio cuando las pérdidas de núcleo de hierro son demasiado altas. Con frecuencia, los transformadores de núcleo de aire están en paralelo con un condensador para sintonizarlo a resonancia. El sobrebobinado está conectado entre una antena de radio y tierra para una de tales aplicaciones. El secundario está sintonizado a resonancia con un condensador variable. La salida se puede tomar desde el punto de toma para amplificación o detección. Los transformadores de núcleo de aire de pequeño tamaño milimétrico se utilizan en receptores de radio. Los transmisores de radio más grandes pueden usar bobinas del tamaño de un medidor. Los transformadores de solenoide de núcleo de aire sin blindaje se montan en ángulo recto entre sí para evitar el acoplamiento parásito.
El acoplamiento parásito se minimiza cuando el transformador se enrolla en forma toroidal. (Figura (b) anterior) Los transformadores toroidales de núcleo de aire también muestran un mayor grado de acoplamiento, particularmente para devanados bifilares. Los devanados bifilares se enrollan a partir de un par de cables ligeramente retorcidos. Esto implica una relación de giros 1:1. Tres o cuatro cables pueden agruparse para 1:2 y otras relaciones integrales. Los devanados no tienen que ser bifilares. Esto permite relaciones arbitrarias de giros. Sin embargo, el grado de acoplamiento sufre. Los transformadores de núcleo de aire toroidales son raros, excepto para el trabajo de VHF (muy alta frecuencia). Los materiales de núcleo distintos del aire, tales como hierro en polvo o ferrita, se prefieren para frecuencias de radio más bajas.
Bobina Tesla
Un ejemplo notable de un transformador de núcleo de aire es el Tesla Coil, que lleva el nombre del genio eléctrico serbio Nikola Tesla, quien también fue el inventor del motor de CA de campo magnético giratorio, los sistemas de alimentación de CA polifásicos y muchos elementos de la tecnología de radio. La bobina Tesla es un transformador elevador resonante de alta frecuencia que se utiliza para producir voltajes extremadamente altos. Uno de los sueños de Tesla era emplear su tecnología de bobina para distribuir energía eléctrica sin necesidad de cables, simplemente transmitiéndola en forma de ondas de radio que pudieran ser recibidas y conducidas a cargas por medio de antenas. El esquema básico para una bobina Tesla se muestra en la figura a continuación.
Tesla Coil: Unos pocos giros primarios pesados, muchos giros secundarios.
El condensador, junto con el devanado primario del transformador, forma un circuito de tanque. El devanado secundario se enrolla muy cerca del primario, generalmente alrededor de la misma forma no magnética. Existen varias opciones para “excitar” el circuito primario, siendo la más simple una fuente de CA de alto voltaje y baja frecuencia y una brecha de chispa: (Figura a continuación)
Diagrama de nivel del sistema de bobina Tesla con accionamiento de chispa.
El propósito de la fuente de alimentación de CA de alta tensión y baja frecuencia es “cargar” el circuito del tanque primario. Cuando se dispara la chispa, su baja impedancia actúa para completar el circuito del tanque del capacitor/bobina primaria, lo que le permite oscilar a su frecuencia resonante. Los inductores “RFC” son “choques de radiofrecuencia”, que actúan como impedancias altas para evitar que la fuente de CA interfiera con el circuito del tanque oscilante.
El lado secundario del transformador de bobina Tesla también es un circuito de tanque, que se basa en la capacitancia parásita (parásita) existente entre el terminal de descarga y tierra a tierra para complementar la inductancia del devanado secundario. Para un funcionamiento óptimo, este circuito de tanque secundario está sintonizado a la misma frecuencia de resonancia que el circuito primario, intercambiando energía no solo entre condensadores e inductores durante la oscilación resonante, sino también de ida y vuelta entre devanados primarios y secundarios. Los resultados visuales son espectaculares: (Figura abajo)
Descarga de alta frecuencia de alto voltaje de la bobina Tesla.
Tesla Coils encuentra aplicación principalmente como dispositivos novedosos, apareciendo en ferias de ciencias de secundaria, talleres en sótanos y ocasionalmente película de ciencia ficción de bajo presupuesto.
Cabe señalar que las bobinas Tesla pueden ser dispositivos extremadamente peligrosos. Las quemaduras causadas por la corriente de radiofrecuencia (“RF”), como todas las quemaduras eléctricas, pueden ser muy profundas, a diferencia de las quemaduras cutáneas causadas por el contacto con objetos calientes o llamas. Aunque la descarga de alta frecuencia de una bobina Tesla tiene la curiosa propiedad de estar más allá de la frecuencia de “percepción de choque” del sistema nervioso humano, ¡esto no significa que las bobinas Tesla no puedan lastimarte ni siquiera matarte! Te aconsejo encarecidamente buscar la ayuda de un experimentado experimentador de bobinas Tesla si te embarcas en construir uno tú mismo.
Reactores saturables
Hasta ahora, hemos explorado el transformador como un dispositivo para convertir diferentes niveles de voltaje, corriente e incluso impedancia de un circuito a otro. Ahora lo veremos como un tipo de dispositivo completamente diferente: uno que permite que una pequeña señal eléctrica ejerza control sobre una cantidad mucho mayor de energía eléctrica. En este modo, un transformador actúa como amplificador.
El dispositivo al que me refiero se llama reactor de núcleo saturable, o simplemente reactor saturable. En realidad, no es realmente un transformador en absoluto, sino más bien un tipo especial de inductor cuya inductancia se puede variar mediante la aplicación de una corriente CC a través de un segundo devanado enrollado alrededor del mismo núcleo de hierro. Al igual que el transformador ferroresonante, el reactor saturable se basa en el principio de saturación magnética. Cuando un material como el hierro está completamente saturado (es decir, todos sus dominios magnéticos están alineados con la fuerza de magnetización aplicada), los aumentos adicionales en la corriente a través del devanado magnetizante no darán como resultado mayores aumentos del flujo magnético.
Ahora, la inductancia es la medida de qué tan bien un inductor se opone a los cambios en la corriente al desarrollar un voltaje en una dirección opuesta. La capacidad de un inductor para generar este voltaje opuesto está directamente conectada con el cambio en el flujo magnético dentro del inductor resultante del cambio en la corriente, y el número de vueltas de devanado en el inductor. Si un inductor tiene un núcleo saturado, no se producirá más flujo magnético de mayores aumentos en la corriente, por lo que no habrá voltaje inducido en oposición al cambio en la corriente. En otras palabras, un inductor pierde su inductancia (capacidad de oponerse a los cambios en la corriente) cuando su núcleo se satura magnéticamente.
Si la inductancia de un inductor cambia, entonces su reactancia (e impedancia) a la corriente de CA también cambia. En un circuito con una fuente de voltaje constante, esto dará como resultado un cambio en la corriente: (Figura a continuación)
Si L cambia de inductancia, Z L cambiará correspondientemente, cambiando así la corriente del circuito.
Un reactor saturable aprovecha este efecto al forzar al núcleo a un estado de saturación con un fuerte campo magnético generado por la corriente a través de otro devanado. El devanado de “potencia” del reactor es el que lleva la corriente de carga de CA, y el devanado de “control” es uno que lleva una corriente de CC lo suficientemente fuerte como para conducir el núcleo a la saturación: (Figura a continuación)
DC, a través del devanado de control, satura el núcleo. Por lo tanto, modular la inductancia, impedancia y corriente del devanado de potencia.
El símbolo de transformador de aspecto extraño que se muestra en el esquema anterior representa un reactor de núcleo saturado, siendo el devanado superior el devanado de control de CC y el inferior es el devanado de “potencia” a través del cual pasa la corriente de CA controlada. El aumento de la corriente de control de CC produce más flujo magnético en el núcleo del reactor, acercándolo a una condición de saturación, disminuyendo así la inductancia del devanado de potencia, disminuyendo su impedancia y aumentando la corriente a la carga. Por lo tanto, la corriente de control de CC es capaz de ejercer control sobre la corriente de CA suministrada a la carga.
El circuito mostrado funcionaría, pero no funcionaría muy bien. El primer problema es la acción natural del transformador del reactor saturable: la corriente de CA a través del devanado de alimentación inducirá una tensión en el devanado de control, lo que puede causar problemas para la fuente de alimentación de CC. Además, los reactores saturables tienden a regular la energía de CA solo en una dirección: en la mitad del ciclo de CA, los mmf de ambos devanados suman; en la otra mitad, restan. Así, el núcleo tendrá más flujo en él durante una mitad del ciclo de CA que la otra, y se saturará primero en esa mitad de ciclo, pasando la corriente de carga más fácilmente en una dirección que en la otra. Afortunadamente, ambos problemas se pueden superar con un poco de ingenio: (Figura abajo)
Los devanados de control de CC fuera de fase permiten simetría de CA de control.
Observe la colocación de los puntos de fase en los dos reactores: los devanados de potencia están “en fase” mientras que los devanados de control están “desfasados”. Si ambos reactores son idénticos, cualquier voltaje inducido en los devanados de control por la corriente de carga a través de los devanados de potencia se cancelará a cero en los terminales de la batería, eliminando así el primer problema mencionado. Además, dado que la corriente de control de CC a través de ambos reactores produce flujos magnéticos en diferentes direcciones a través de los núcleos del reactor, un reactor saturará más en un ciclo de la energía de CA mientras que el otro reactor saturará más en el otro, igualando así la acción de control a través de cada mitad- ciclo para que la alimentación de CA sea “estrangulado” simétricamente. Esta fase de los devanados de control se puede lograr con dos reactores separados como se muestra, o en un solo diseño de reactor con disposición inteligente de los devanados y el núcleo.
La tecnología de reactores saturables incluso se ha miniaturizado al nivel de placa de circuito en paquetes compactos más generalmente conocidos como amplificadores magnéticos. Personalmente, esto me parece fascinante: el efecto de la amplificación (una señal eléctrica que controla a otra), que normalmente requiere el uso de tubos de vacío físicamente frágiles o dispositivos semiconductores eléctricamente “frágiles”, se puede realizar en un dispositivo tanto física como eléctricamente robusto. Los amplificadores magnéticos tienen desventajas sobre sus contrapartes más frágiles, a saber, tamaño, peso, no linealidad y ancho de banda (respuesta de frecuencia), pero su simplicidad absoluta aún exige cierto grado de apreciación, si no aplicación práctica.
Los reactores de núcleo saturable se conocen menos comúnmente como “inductores de núcleo saturable” o transductores.
Transformador Scott-T
El sistema de energía polifásico original de Nikola Tesla se basó en componentes bifásicos simples de construir. Sin embargo, a medida que aumentaban las distancias de transmisión, el sistema trifásico más eficiente de la línea de transmisión se hizo más Ambos componentes 2-φ y 3-φ coexistieron durante varios años. La conexión del transformador Scott-T permitió interconectar componentes 2-φ y 3-φ como motores y alternadores. Yamamoto y Yamaguchi:
En 1896, General Electric construyó una línea de transmisión trifásica de 35.5 km (22 millas) que operaba a 11 kV para transmitir potencia a Buffalo, Nueva York, desde el Proyecto de las Cataratas del Niágara. La potencia generada bifásica se cambió a trifásica mediante el uso de transformaciones Scott-T. [MYA]
El transformador Scott-T convierte 2-φ a 3-φ, o viceversa.
El conjunto de transformadores Scott-T, Figura anterior, consiste en un transformador T1 de toma central y un transformador T2 de 86.6% en el lado 3-φ del circuito. Los primarios de ambos transformadores están conectados a los voltajes de 2-φ. Un extremo del devanado secundario T2 86.6% es una salida de 3 φ, el otro extremo está conectado a la toma central secundaria T1. Ambos extremos del T1 secundario son las otras dos conexiones 3-φ.
La aplicación de la potencia del generador Niágara de 2-φ produjo una salida de 3 φ para la línea de transmisión más eficiente de 3 φ. Más común en estos días es la aplicación de potencia 3-φ para producir una salida de 2-φ para accionar un viejo motor 2-φ.
En la figura siguiente, utilizamos vectores tanto en notación polar como compleja para demostrar que el Scott-T convierte un par de voltajes de 2-φ a 3-φ. Primero, uno de los voltajes de 3 φ es idéntico a un voltaje de 2 φ debido a la relación T1 del transformador 1:1, V P12 = V 2P1. El secundario roscado central T1 produce polaridades opuestas de 0.5V 2P1 en los extremos secundarios. Este 0 o se resta vectorialmente del voltaje secundario T2 debido a las ecuaciones KVL V 31, V 23. El voltaje secundario T2 es 0.866V 2P2 debido a la toma de 86.6%. Ten en cuenta que esta 2da fase del 2-φ es 90 o. Este 0.866V 2P2 se suma en V 31, restado en V 23 en las ecuaciones KVL.
Ecuaciones de conversión 2-φ a 3-φ del transformador Scott-T.
Mostramos polaridades “DC” en todo este circuito solo de CA, para realizar un seguimiento de las polaridades del bucle de voltaje Kirchhoff. Restar 0 o equivale a sumar 180 o. El resultado final es cuando sumamos 86.6% de 90 o a 50% de 180 o obtenemos 120 o. Restar 86.6% de 90 o del 50% de 180 o rinde -120 o o 240 o.
Explicación gráfica de ecuaciones en la Figura anterior.
En la Figura anterior mostramos gráficamente los vectores 2-φ en (a). En (b) los vectores son escalados por los transformadores T1 y T2 a 0.5 y 0.866 respectivamente. Al (c) 1120 o = -0.50 o + 0.86690 o, y 1240 o = -0.50 o - 0.86690 o. Las tres fases de salida son 1 a 120 o y 1 a 240 o de (c), junto con la entrada 1 a 0 o (a).
Transformador diferencial variable lineal
Un transformador diferencial variable lineal (LVDT) tiene una bobina primaria accionada por CA entre dos secundarias en forma de núcleo de aire cilíndrico. (Figura abajo) Un slug ferromagnético móvil convierte el desplazamiento a una tensión variable cambiando el acoplamiento entre los devanados primarios y secundarios accionados. El LVDT es un transductor de medición de desplazamiento o distancia. Hay unidades disponibles para medir el desplazamiento en una distancia de una fracción de milímetro a medio metro. Los LVDT son robustos y resistentes a la suciedad en comparación con los codificadores ópticos lineales.
LVDT: transformador diferencial variable lineal.
El voltaje de excitación está en el rango de 0.5 a 10 VCA a una frecuencia de 1 a 200 Khz. Un núcleo de ferrita es adecuado a estas frecuencias. Se extiende fuera del cuerpo por una varilla no magnética. A medida que el núcleo se mueve hacia el devanado superior, el voltaje a través de esta bobina aumenta debido al aumento del acoplamiento, mientras que el voltaje en la bobina inferior disminuye. Si el núcleo se mueve hacia el devanado inferior, el voltaje en esta bobina aumenta a medida que el voltaje disminuye a través de la bobina superior. Teóricamente, un slug centrado produce voltajes iguales a través de ambas bobinas. En la práctica, la inductancia de fuga evita que el nulo caiga hasta 0 V.
Con un slug centrado, los secundarios cableados opuestos a la serie cancelan produciendo V 13 = 0. Al mover la babosa hacia arriba aumenta V 13. Tenga en cuenta que está en fase con V 1, el devanado superior y 180 o desfasado con V 3, devanado inferior.
Al mover la babosa hacia abajo desde la posición central, aumenta V 13. Sin embargo, está 180 o desfasado con V 1, el devanado superior, y en fase con V 3, devanado inferior. Mover la babosa de arriba a abajo muestra un mínimo en el punto central, con una inversión de fase de 180 o al pasar el centro.
Revisar
- Los transformadores se pueden utilizar para transformar la impedancia, así como el voltaje y la corriente. Cuando esto se hace para mejorar la transferencia de potencia a una carga, se llama coincidencia de impedancia.
- Un transformador de potencial (PT) es un transformador de instrumento especial diseñado para proporcionar una relación de reducción de voltaje precisa para voltímetros que miden voltajes del sistema de alta potencia.
- Un Transformador de Corriente (CT) es otro transformador de instrumento especial diseñado para reducir la corriente a través de una línea eléctrica a un nivel seguro para que un amperímetro mida.
- Un transformador de núcleo de aire es uno que carece de núcleo ferromagnético.
- Una bobina Tesla es un transformador elevador resonante de núcleo de aire diseñado para producir voltajes de CA muy altos a alta frecuencia.
- Un reactor saturable es un tipo especial de inductor, cuya inductancia puede ser controlada por la corriente CC a través de un segundo devanado alrededor del mismo núcleo. Con suficiente corriente CC, el núcleo magnético puede saturarse, disminuyendo la inductancia del devanado de potencia de manera controlada.
- Un transformador Scott-T convierte la potencia de 3 φ en potencia de 2 φ y viceversa.
- Un transformador diferencial variable lineal, también conocido como LVDT, es un dispositivo de medición de distancia. Tiene un núcleo ferromagnético móvil para variar el acoplamiento entre el primario excitado y un par de secundarios.