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# 10.8: Consideraciones prácticas - Transformadores

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Respetando estas limitaciones, los transformadores están clasificados para ciertos niveles de voltaje y corriente del devanado primario y secundario, aunque la clasificación de corriente generalmente se deriva de una clasificación de volt-amp (VA) asignada al transformador. Por ejemplo, tome un transformador reductor con una clasificación de voltaje primario de 120 voltios, una clasificación de voltaje secundario de 48 voltios y una clasificación VA de 1 kVA (1000 VA). Las corrientes máximas de bobinado se pueden determinar como tales: kVA (1000 VA). Las corrientes máximas de bobinado se pueden determinar como tales:

A veces, los devanados soportarán clasificaciones de corriente en amperios, pero esto generalmente se ve en transformadores pequeños. Los transformadores grandes casi siempre están clasificados en términos de voltaje de bobinado y VA o kVa.kVA.

## Pérdidas de energía

Cuando los transformadores transfieren potencia, lo hacen con un mínimo de pérdida. Como se dijo anteriormente, los diseños modernos de transformadores de potencia generalmente superan el 95% de eficiencia. Es bueno saber a dónde va parte de este poder perdido, sin embargo, y qué hace que se pierda.

Hay, por supuesto, pérdida de energía debido a la resistencia de los devanados del cable. A menos que se utilicen cables superconductores, siempre habrá energía disipada en forma de calor a través de la resistencia de los conductores portadores de corriente. Debido a que los transformadores requieren longitudes de cable tan largas, esta pérdida puede ser un factor significativo. Aumentar el calibre del cable de bobinado es una forma de minimizar esta pérdida, pero solo con aumentos sustanciales en costo, tamaño y peso.

Aparte de las pérdidas resistivas, la mayor parte de la pérdida de potencia del transformador se debe a los efectos magnéticos en el núcleo. Quizás la más significativa de estas “pérdidas del núcleo” es la pérdida por corrientes parásitas, que es la disipación de potencia resistiva debido al paso de corrientes inducidas a través del hierro del núcleo. Debido a que el hierro es un conductor de electricidad además de ser un excelente “conductor” de flujo magnético, habrá corrientes inducidas en el hierro así como hay corrientes inducidas en los devanados secundarios desde el campo magnético alterno. Estas corrientes inducidas, como se describe en la cláusula de perpendicularidad de la Ley de Faraday, tienden a circular a través de la sección transversal del núcleo perpendicularmente a las espiras primarias del devanado. Su movimiento circular les da su nombre inusual: como remolinos en una corriente de agua que circulan en lugar de moverse en líneas rectas.

El hierro es un conductor justo de la electricidad, pero no tan bueno como el cobre o el aluminio del que normalmente se hacen los devanados de alambre. En consecuencia, estas “corrientes parásitas” deben superar una resistencia eléctrica significativa a medida que circulan a través del núcleo. Al superar la resistencia que ofrece el hierro, disipan el poder en forma de calor. De ahí que tengamos una fuente de ineficiencia en el transformador que es difícil de eliminar.

Este fenómeno es tan pronunciado que a menudo se explota como un medio para calentar materiales ferrosos (que contienen hierro). La fotografía de (Figura abajo) muestra una unidad de “calentamiento por inducción” elevando la temperatura de una sección de tubería grande. Los bucles de alambre cubiertos por aislamiento de alta temperatura circundan la circunferencia de la tubería, induciendo corrientes parásitas dentro de la pared de la tubería por inducción electromagnética. Para maximizar el efecto de la corriente de Foucault, se utiliza corriente alterna de alta frecuencia en lugar de la frecuencia de la línea eléctrica (60 Hz). Las unidades de caja a la derecha de la imagen producen la CA de alta frecuencia y controlan la cantidad de corriente en los cables para estabilizar la temperatura de la tubería en un “punto de ajuste” predeterminado.

Calentamiento por inducción: El devanado primario aislado induce corriente en una tubería de hierro con pérdidas (secundaria).

La estrategia principal para mitigar estas corrientes parásitas derrochadoras en núcleos de transformadores es formar el núcleo de hierro en láminas, cada lámina cubierta con un barniz aislante para que el núcleo se divida en rodajas finas. El resultado es muy poco ancho en el núcleo para que las corrientes de Foucault circulen en: (Figura abajo)

Dividir el núcleo de hierro en laminaciones aisladas delgadas minimiza la pérdida de corrientes parásitas.

Otra técnica similar para minimizar las pérdidas por corrientes de Foucault que funciona mejor para aplicaciones de alta frecuencia es hacer el núcleo de polvo de hierro en lugar de láminas delgadas de hierro. Al igual que las láminas de laminación, estos gránulos de hierro están recubiertos individualmente en un material eléctricamente aislante, lo que hace que el núcleo no sea conductor excepto dentro del ancho de cada gránulo. Los núcleos de hierro en polvo se encuentran a menudo en transformadores que manejan corrientes de radiofrecuencia.

Otra “pérdida de núcleo” es la de la histéresis magnética. Todos los materiales ferromagnéticos tienden a retener cierto grado de magnetización después de la exposición a un campo magnético externo. Esta tendencia a permanecer magnetizada se llama “histéresis”, y se necesita cierta inversión en energía para superar esta oposición para cambiar cada vez que el campo magnético producido por el devanado primario cambia de polaridad (dos veces por ciclo de CA). Este tipo de pérdida se puede mitigar mediante una buena selección del material del núcleo (eligiendo una aleación de núcleo con baja histéresis, como lo demuestra una curva de histéresis B/H “delgada”), y diseñando el núcleo para una densidad de flujo mínima (gran área de sección transversal).

Las pérdidas de energía del transformador tienden a empeorar con el aumento de la frecuencia. El efecto de piel dentro de los conductores de bobinado reduce el área de sección transversal disponible para el flujo de electrones, aumentando así la resistencia efectiva a medida que aumenta la frecuencia y crea más pérdida de energía a través de la disipación resis Las pérdidas del núcleo magnético también se exageran con frecuencias más altas, las corrientes parásitas y los efectos de histéresis se vuelven más severos. Por esta razón, los transformadores de tamaño significativo están diseñados para operar de manera eficiente en un rango limitado de frecuencias. En la mayoría de los sistemas de distribución de energía donde la frecuencia de línea es muy estable, uno pensaría que la frecuencia excesiva nunca plantearía un problema. Desafortunadamente lo hace, en forma de armónicos creados por cargas no lineales.

Como hemos visto en capítulos anteriores, las formas de onda no sinusoidales son equivalentes a series aditivas de múltiples formas de onda sinusoidales a diferentes amplitudes y frecuencias. En los sistemas de potencia, estas otras frecuencias son múltiplos de número entero de la frecuencia fundamental (línea), lo que significa que siempre serán más altas, no menores, que la frecuencia de diseño del transformador. En medida significativa, pueden provocar un sobrecalentamiento severo del transformador. Los transformadores de potencia pueden diseñarse para manejar ciertos niveles de armónicos del sistema de energía, y esta capacidad a veces se denota con una clasificación de “factor K”.

## Capacitancia e inductancia parásitas

La contención del flujo (asegurarse de que el flujo magnético de un transformador no escape para interferir con otro dispositivo y asegurarse de que el flujo magnético de otros dispositivos esté protegido del núcleo del transformador) es otra preocupación compartida tanto por los inductores como por los transformadores.

Estrechamente relacionada con el tema de la contención del flujo está la inductancia de fugas. Ya hemos visto los efectos perjudiciales de la inductancia de fuga en la regulación de voltaje con simulaciones SPICE al principio de este capítulo. Debido a que la inductancia de fuga es equivalente a una inductancia conectada en serie con el devanado del transformador, se manifiesta como una impedancia en serie con la carga. Por lo tanto, cuanta más corriente absorba la carga, menor será la tensión disponible en los terminales del devanado secundario. Por lo general, se desea una buena regulación de voltaje en el diseño de transformadores, pero hay aplicaciones excepcionales. Como se indicó anteriormente, los circuitos de iluminación de descarga requieren un transformador elevador con regulación de voltaje “suelta” (mala) para asegurar una tensión reducida después del establecimiento de un arco a través de la lámpara. Una forma de cumplir con este criterio de diseño es diseñar el transformador con trayectorias de fuga de flujo para que el flujo magnético evite los devanados secundarios. El flujo de fuga resultante producirá inductancia de fuga, lo que a su vez producirá la mala regulación necesaria para la iluminación de descarga.

## Saturación del núcleo

Los transformadores también están limitados en su rendimiento por las limitaciones de flujo magnético del núcleo. Para los transformadores de núcleo ferromagnético, debemos ser conscientes de los límites de saturación del núcleo. Recuerde que los materiales ferromagnéticos no pueden soportar densidades de flujo magnético infinitas: tienden a “saturarse” a cierto nivel (dictado por las dimensiones del material y del núcleo), lo que significa que los aumentos adicionales en la fuerza del campo magnético (mmf) no dan como resultado aumentos proporcionales en el flujo del campo magnético (Φ).

Cuando el devanado primario de un transformador está sobrecargado por un voltaje aplicado excesivo, el flujo del núcleo puede alcanzar niveles de saturación durante los momentos pico del ciclo de onda sinusoidal de CA. Si esto sucede, el voltaje inducido en el devanado secundario ya no coincidirá con la forma de onda como el voltaje que alimenta la bobina primaria. En otras palabras, el transformador sobrecargado distorsionará la forma de onda de devanados primarios a secundarios, creando armónicos en la salida del devanado secundario. Como discutimos anteriormente, el contenido armónico en los sistemas de alimentación de CA generalmente causa problemas.

Los transformadores especiales conocidos como transformadores de pico explotan este principio para producir pulsos de voltaje breves cerca de los picos de la forma de onda de voltaje de la fuente. El núcleo está diseñado para saturarse rápida y bruscamente, a niveles de voltaje muy por debajo del pico. Esto da como resultado una forma de onda de flujo sinusoidal severamente recortada y pulsos de voltaje secundarios solo cuando el flujo está cambiando (por debajo de los niveles de saturación): (Figura a continuación)

Formas de onda de voltaje y flujo para un transformador de pico.

Otra causa de saturación anormal del núcleo del transformador es el funcionamiento a frecuencias más bajas de lo normal. Por ejemplo, si un transformador de potencia diseñado para operar a 60 Hz se ve obligado a operar a 50 Hz en su lugar, el flujo debe alcanzar niveles de pico mayores que antes para producir el mismo voltaje opuesto necesario para equilibrar con el voltaje de la fuente. Esto es cierto incluso si el voltaje de la fuente es el mismo que antes. (Figura abajo)

El flujo magnético es mayor en un núcleo de transformador accionado por 50 Hz en comparación con 60 Hz para el mismo voltaje.

Dado que el voltaje instantáneo del devanado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético instantáneo en un transformador, una forma de onda de voltaje que alcanza el mismo valor pico, pero que tarda más tiempo en completar cada medio ciclo, exige que el flujo mantenga la misma tasa de cambio que antes, pero por periodos de tiempo más largos. Así, si el flujo tiene que subir a la misma velocidad que antes, pero por periodos de tiempo más largos, subirá a un valor máximo mayor. (Figura abajo)

Matemáticamente, este es otro ejemplo de cálculo en acción. Debido a que el voltaje es proporcional a la tasa de cambio del flujo, decimos que la forma de onda de voltaje es la derivada de la forma de onda de flujo, siendo “derivada” esa operación de cálculo que define una función matemática (forma de onda) en términos de la velocidad de cambio de otra. Sin embargo, si tomamos la perspectiva opuesta y relacionamos la forma de onda original con su derivada, podemos llamar a la forma de onda original la integral de la forma de onda derivada. En este caso, la forma de onda de voltaje es la derivada de la forma de onda de flujo y la forma de onda de flujo es la integral de la forma de onda de voltaje

La integral de cualquier función matemática es proporcional al área acumulada debajo de la curva de esa función. Dado que cada medio ciclo de la forma de onda de 50 Hz acumula más área entre él y la línea cero del gráfico que la voluntad de la forma de onda de 60 Hz, y sabemos que el flujo magnético es la integral del voltaje, el flujo alcanzará valores más altos en la Figura siguiente.

El cambio de flujo a la misma velocidad se eleva a un nivel superior a 50 Hz que a 60 Hz.

Otra causa más de saturación del transformador es la presencia de corriente CC en el devanado primario. Cualquier cantidad de voltaje de CC caído a través del devanado primario de un transformador causará flujo magnético adicional en el núcleo. Este “sesgo” o “desplazamiento” de flujo adicional empujará la forma de onda de flujo alterno más cerca de la saturación en un medio ciclo que en el otro. (Figura abajo)

DC en primaria, desplaza los picos de forma de onda hacia el límite de saturación superior.

Para la mayoría de los transformadores, la saturación del núcleo es un efecto muy indeseable, y se evita mediante un buen diseño: diseñar los devanados y el núcleo para que las densidades de flujo magnético permanezcan muy por debajo de los niveles de saturación. Esto asegura que la relación entre mmf y Φ sea más lineal a lo largo del ciclo de flujo, lo cual es bueno porque genera menos distorsión en la forma de onda de la corriente de magnetización. Además, la ingeniería del núcleo para densidades de flujo bajas proporciona un margen seguro entre los picos de flujo normales y los límites de saturación del núcleo para acomodar condiciones anormales ocasionales como la variación de frecuencia y el desplazamiento de CC.

## Corriente de irrupción

Cuando un transformador se conecta inicialmente a una fuente de voltaje de CA, puede haber una sobretensión sustancial de corriente a través del devanado primario llamada corriente de irrupción. (Figura a continuación) Esto es análogo a la corriente de irrupción exhibida por un motor eléctrico que se pone en marcha por conexión repentina a una fuente de alimentación, aunque la irrupción del transformador es causada por un fenómeno diferente.

Sabemos que la tasa de cambio del flujo instantáneo en un núcleo de transformador es proporcional a la caída instantánea de voltaje a través del devanado primario. O, como se indicó anteriormente, la forma de onda de voltaje es la derivada de la forma de onda de flujo y la forma de onda de flujo es la integral de la forma de onda de voltaje En un transformador de funcionamiento continuo, estas dos formas de onda están desfasadas en 90 o. (Figura a continuación) Dado que el flujo (Φ) es proporcional a la fuerza magnetomotiva (mmf) en el núcleo, y el mmf es proporcional a la corriente del devanado, la forma de onda de la corriente estará en fase con la forma de onda de flujo, y ambas estarán retrasando la forma de onda de voltaje en 90 o:

Funcionamiento continuo en estado estacionario: El flujo magnético, como la corriente, retarda el voltaje aplicado en 90 o.

Supongamos que el devanado primario de un transformador se conecta repentinamente a una fuente de voltaje de CA en el momento exacto en el tiempo cuando el voltaje instantáneo está en su valor pico positivo. Para que el transformador cree una caída de voltaje opuesta para equilibrar con esta tensión de fuente aplicada, se debe generar un flujo magnético de valor que aumenta rápidamente. El resultado es que la corriente de bobinado aumenta rápidamente, pero en realidad no más rápidamente que en condiciones normales: (Figura a continuación)

Conexión del transformador a la línea en el pico de voltios de CA: El flujo aumenta rápidamente desde cero, lo mismo que la operación en estado estacionario.

Tanto el flujo del núcleo como la corriente de la bobina comienzan desde cero y se acumulan hasta los mismos valores máximos experimentados durante el funcionamiento continuo. Por lo tanto, no hay “oleada” o “irrupción” o corriente en este escenario. (Figura anterior)

Alternativamente, consideremos qué sucede si la conexión del transformador a la fuente de voltaje de CA ocurre en el momento exacto en el tiempo cuando el voltaje instantáneo está en cero. Durante el funcionamiento continuo (cuando el transformador ha sido alimentado desde hace bastante tiempo), este es el punto en el tiempo donde tanto el flujo como la corriente del devanado están en sus picos negativos, experimentando cero tasa de cambio (dΦ/dt = 0 y di/dt = 0). A medida que el voltaje aumenta a su pico positivo, las formas de onda de flujo y corriente se acumulan a sus velocidades de cambio positivas máximas, y hacia arriba hasta sus picos positivos a medida que el voltaje desciende a un nivel de cero:

Empezar en e=0 V no es lo mismo que correr continuamente en la Figura anterior. Estas formas de onda esperadas son incorrectas: Φ e i debería comenzar en cero.

Sin embargo, existe una diferencia significativa entre el funcionamiento en modo continuo y la condición de arranque repentino asumida en este escenario: durante la operación continua, los niveles de flujo y corriente estaban en sus picos negativos cuando el voltaje estaba en su punto cero; en un transformador que ha estado inactivo, sin embargo, tanto el flujo magnético como la corriente de bobinado deben comenzar en cero. Cuando el flujo magnético aumenta en respuesta a un voltaje ascendente, aumentará de cero hacia arriba, no desde una condición previamente negativa (magnetizada) como normalmente tendríamos en un transformador que ha sido alimentado por un tiempo. Así, en un transformador que apenas está “arrancando”, el flujo alcanzará aproximadamente el doble de su magnitud máxima normal ya que “integra” el área bajo el primer medio ciclo de la forma de onda de voltaje: (Figura abajo)

Comenzando en e=0 V, Φ comienza en la condición inicial Φ=0, aumentando al doble del valor normal, asumiendo que no satura el núcleo.

En un transformador ideal, la corriente magnetizante también aumentaría aproximadamente el doble de su valor pico normal, generando los mmf necesarios para crear este flujo superior a lo normal. Sin embargo, la mayoría de los transformadores no están diseñados con suficiente margen entre los picos de flujo normales y los límites de saturación para evitar saturarse en una condición como esta, por lo que es casi seguro que el núcleo se saturará durante este primer medio ciclo de voltaje. Durante la saturación, se necesitan cantidades desproporcionadas de mmf para generar flujo magnético. Esto significa que la corriente del devanado, que crea el mmf para causar flujo en el núcleo, aumentará desproporcionadamente a un valor que excede fácilmente el doble de su pico normal: (Figura abajo)

A partir de e=0 V, la Corriente también aumenta al doble del valor normal para un núcleo insaturado, o considerablemente mayor en el (diseñado para) caso de saturación.

Este es el mecanismo que causa la corriente de irrupción en el devanado primario de un transformador cuando se conecta a una fuente de voltaje de CA. Como puede ver, la magnitud de la corriente de irrupción depende fuertemente del momento exacto en que se realice la conexión eléctrica a la fuente. Si el transformador pasa a tener algún magnetismo residual en su núcleo al momento de la conexión a la fuente, la irrupción podría ser aún más severa. Debido a esto, los dispositivos de protección contra sobrecorriente del transformador suelen ser de la variedad de “acción lenta”, para tolerar sobretensiones de corriente como esta sin abrir el circuito.

## Calor y Ruido

Además de los efectos eléctricos no deseados, los transformadores también pueden exhibir efectos físicos indeseables, siendo el más notable la producción de calor y ruido. El ruido es principalmente un efecto molesto, pero el calor es un problema potencialmente grave porque el aislamiento del devanado se dañará si se permite que se sobrecaliente. El calentamiento puede minimizarse mediante un buen diseño, asegurando que el núcleo no se acerque a los niveles de saturación, que las corrientes parásitas se minimicen y que los devanados no se sobrecarguen ni operen demasiado cerca de la ampacidad máxima.

Los transformadores de potencia grandes tienen su núcleo y devanados sumergidos en un baño de aceite para transferir calor y amortiguar el ruido, y también para desplazar la humedad que de otro modo comprometería la integridad del aislamiento del devanado. Los tubos “radiadores” disipadores de calor en el exterior de la caja del transformador proporcionan una trayectoria de flujo de aceite convectivo para transferir calor desde el núcleo del transformador al aire ambiente: (Figura abajo)

Los transformadores de potencia grandes están sumergidos en aceite aislante disipador de calor.

Los transformadores sin aceite o “secos” a menudo se clasifican en términos de “aumento” máximo de la temperatura de funcionamiento (aumento de temperatura más allá de la temperatura ambiente) de acuerdo con un sistema de clase carta: A, B, F o H. Estos códigos de letras están ordenados en orden de tolerancia al calor más baja a la más alta:

• Clase A: No más de 55 o Celsius de subida de temperatura del devanado, a 40 o Celsius (máxima) temperatura del aire ambiente.
• Clase B: No más de 80 o Celsius de subida de temperatura del devanado, a 40 o Celsius (máxima) temperatura del aire ambiente.
• Clase F: No más de 115 o Celsius de subida de temperatura del devanado, a 40 o Celsius (máxima) temperatura del aire ambiente.
• Clase H: No más de 150 o Celsius de subida de temperatura del devanado, a 40 o Celsius (máxima) temperatura del aire ambiente.

El ruido audible es un efecto originado principalmente por el fenómeno de la magnetoestricción: el ligero cambio de longitud que exhibe un objeto ferromagnético cuando se magnetiza. El “zumbido” familiar que se escucha alrededor de los grandes transformadores de potencia es el sonido del núcleo de hierro que se expande y contrae a 120 Hz (el doble de la frecuencia del sistema, que es de 60 Hz en los Estados Unidos), un ciclo de contracción y expansión del núcleo por cada pico de la forma de onda de flujo magnético, más el ruido creado por la mecánica fuerzas entre devanados primarios y secundarios. Nuevamente, mantener bajos niveles de flujo magnético en el núcleo es la clave para minimizar este efecto, lo que explica por qué los transformadores ferroresonantes, que deben operar en saturación para una gran parte de la forma de onda actual, funcionan tanto calientes como ruidosos.