Conceptes bàsics del transformador

Els transformadors generalment són dispositius capaços de convertir quantitats d’un valor a l’altre. Per a aquest article, ens centrarem en el transformador de tensió, que és un component elèctric estàtic capaç de convertir el voltatge de corrent altern d’un valor a l’altre sense canviar la freqüència utilitzant els principis d’ inducció electromagnètica.

En un dels nostres articles anteriors sobre el corrent altern, esmentàvem la importància del transformador en la història del corrent altern. Va ser el principal facilitador que va fer possible el corrent altern. Inicialment, quan s’utilitzaven sistemes basats en corrent continu, no es podien transferir a llargues distàncies a causa de la pèrdua d’energia a les línies a mesura que augmenta la distància (longitud), cosa que significa que les centrals elèctriques de corrent continu s’havien de col·locar a tot arreu, per tant l’objectiu principal de la CA era per resoldre el problema de transmissió i sense el transformador, això no hauria estat possible, ja que les pèrdues haurien existit fins i tot amb AC.

Amb el transformador al seu lloc, es podria transmetre corrent altern des de les centrals generadores a una tensió molt alta però de baixa intensitat que elimina les pèrdues a la línia (cables) a causa del valor de I ² R (que dóna la pèrdua de potència en una línia). El transformador s’utilitza per convertir l’energia d’alta tensió i baixa intensitat en energia de baixa tensió i alta intensitat per a la distribució final dins d’una comunitat sense canviar la freqüència i a la mateixa potència que es transmetia des de la central (P = IV).

Per entendre millor el transformador de tensió, és millor utilitzar el seu model més simplificat, que és el transformador monofàsic.

Transformador monofàsic

El transformador monofàsic és el tipus de transformador de tensió més comú (en termes de nombres en ús). És present a la majoria dels aparells “endollats” que fem servir a casa i a qualsevol altre lloc.

S'utilitza per descriure el principi de funcionament, la construcció, etc. d'un transformador perquè altres transformadors són com una variació o modificació del transformador monofàsic. Per exemple, algunes persones es refereixen al transformador trifàsic com a format per 3 transformadors monofàsics.

El transformador monofàsic està format per dues bobines / bobinatge (la bobina primària i la secundària). Aquests dos bobinats es disposen de manera que no existeixi cap connexió elèctrica entre ells, de manera que s’enrotllen al voltant d’un ferro magnètic comú generalment anomenat nucli del transformador, de manera que les dues bobines només tenen una connexió magnètica entre elles. Això garanteix que la potència només es transmeti mitjançant la inducció electromagnètica i també fa que els transformadors siguin útils per aïllar connexions.

Principi operatiu del transformador:

Com es va esmentar anteriorment, el transformador consta de dues bobines; les bobines primària i secundària. La bobina primària sempre representa l'entrada del transformador mentre que la bobina secundària, la sortida del transformador.

Dos efectes principals defineixen el funcionament del transformador:

La primera és que un corrent que flueix a través d’un cable estableix un camp magnètic al voltant del cable. La magnitud del camp magnètic resultant sempre és directament proporcional a la quantitat de corrent que passa pel fil. La magnitud del camp magnètic augmenta si el fil s’enrotlla en forma de bobina. Aquest és el principi amb el qual el magnetisme és induït per la bobina primària. En aplicar una tensió a la bobina primària, indueix un camp magnètic al voltant del nucli del transformador.

El segon efecte que, combinat amb el primer, explica el principi de funcionament del transformador que es basa en el fet que, si un conductor s’enrotlla al voltant d’un tros d’imant i el camp magnètic canvia, el canvi del camp magnètic induirà un corrent a el conductor, la magnitud del qual estarà determinat pel nombre de voltes de la bobina del conductor. Aquest és el principi amb el qual s’energia la bobina secundària.

Quan s’aplica una tensió a la bobina primària, crea un camp magnètic al voltant del nucli, la força depèn del corrent aplicat. El camp magnètic creat indueix així un corrent a la bobina secundària que és una funció de la magnitud del camp magnètic i del nombre de voltes de la bobina secundària.

Aquest principi de funcionament del transformador també explica per què s’ha hagut d’inventar la CA perquè el transformador només funcionarà quan hi hagi una alternança en la tensió o el corrent aplicats, ja que només llavors funcionaran els principis d’inducció electromagnètica. Per tant, el transformador no es podia utilitzar per a DC llavors.

Construcció del transformador

Bàsicament, un transformador es compon de dues parts que inclouen; dues bobines inductives i un nucli d’acer laminat. Les bobines estan aïllades entre elles i també aïllades per evitar el contacte amb el nucli.

Així, la construcció del transformador s’examinarà sota la construcció de la bobina i el nucli.

Nucli del transformador

El nucli del transformador es construeix sempre apilant làmines d’acer laminades, assegurant que hi hagi un buit d’aire mínim entre elles. El nucli dels transformadors dels darrers temps sempre està format per nucli d’acer laminat en lloc de nuclis de ferro per reduir les pèrdues a causa del corrent de Foucault.

Hi ha tres formes principals de les làmines d’acer laminades per triar, que són E, I i L.

Quan s’apilen la laminació per formar el nucli, sempre s’apilen de manera que s’alternen els costats de la junta. Per exemple, de les làmines es munten com a cara frontal durant el primer muntatge, es tornaran a carregar per al següent muntatge tal com es mostra a la imatge següent. Això es fa per evitar altes reticències a les articulacions.

Bobina

Quan es construeix un transformador, es fa molt important especificar el tipus de transformador com a pujada o baixada, ja que determina el nombre de voltes que hi haurà a la bobina primària o secundària.

Tipus de transformadors:

Majoritàriament, hi ha tres tipus de transformadors de tensió;

1. Baixeu els transformadors

2. Amplifiqueu els transformadors

3. Transformadors d’aïllament

Els transformadors reductors són transformadors que donen un valor reduït de la tensió aplicada a la bobina primària a la bobina secundària, mentre que per a un transformador incremental, el transformador dóna un valor augmentat de la tensió aplicada a la bobina primària bobina.

Els transformadors d’aïllament són transformadors que donen la mateixa tensió aplicada a la primària a la secundària i que s’utilitzen bàsicament per aïllar circuits elèctrics.

A partir de l’explicació anterior, la creació d’un tipus de transformador concret només es pot aconseguir dissenyant el nombre de voltes en cadascuna de les bobines primàries i secundàries per donar la sortida necessària, per tant es pot determinar per la relació de voltes. Podeu llegir el tutorial enllaçat per obtenir més informació sobre els diferents tipus de transformadors.

Relació de girs del transformador i equació EMF:

La relació del transformador de voltes (n) ve donada per l’equació;

n = Np / Ns = Vp / Vs

on n = relació de girs

Np = Nombre de voltes a la bobina primària

Ns = Nombre de voltes a la bobina secundària

Vp = Voltatge aplicat a la primària

Vs = Voltatge a la secundària

Aquesta relació descrita anteriorment es pot utilitzar per calcular cadascun dels paràmetres de l'equació.

La fórmula anterior es coneix com a acció de voltatge dels transformadors.

Ja que hem dit que el poder continua sent el mateix després de la transformació;

Aquesta fórmula anterior es coneix com l’ acció actual del transformador. Cosa que demostra que el transformador no només transforma la tensió, sinó que també transforma el corrent.

Equació EMF:

El nombre de voltes de la bobina de qualsevol de les bobines primàries o secundàries determina la quantitat de corrent que indueix o és induïda per aquesta. Quan es redueix el corrent aplicat al primari, es redueix la intensitat del camp magnètic i el mateix per al corrent induït al bobinatge secundari.

E = N (dΦ / dt)

La quantitat de tensió induïda en el bobinatge secundari ve donada per l'equació:

On N és el nombre de voltes del bobinatge secundari.

Com que el flux varia sinusoïdalment, el flux magnètic Φ = Φ _max sinwt

així

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

El valor quadrat mitjà de l’arrel de l’emf induït s’obté dividint el valor màxim de l’emf per √2

Aquesta equació es coneix com l' equació EMF dels transformadors.

On: N és el nombre de voltes de l’enrotllament de la bobina

f és la freqüència de flux en Hz

Φ és la densitat de flux magnètic de Weber

amb tots aquests valors determinats, es pot construir el transformador.

Poder Electric

Com s’ha explicat anteriorment, els transformadors es van crear per garantir que el valor de l’energia elèctrica generada a les centrals generadores es lliura als usuaris finals amb pèrdues escasses o nul·les, de manera que en un transformador ideal, la potència de sortida (bobinatge secundari) sempre és la mateixa que la potència d’entrada. Els transformadors s’anomenen així dispositius de potència constant, tot i que poden canviar els valors de tensió i corrent, sempre es fa de manera que a la sortida hi hagi la mateixa potència a l’entrada.

Així

P _s = P _pàg

on Ps és la potència a la secundària i Pp és la potència a la primària.

Com que P = IvcosΦ llavors I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Eficiència d’un transformador

L'eficiència d'un transformador ve donada per l'equació;

Eficiència = (potència de sortida / potència d'entrada) * 100%

Tot i que la potència de sortida d’un transformador Ideal hauria de ser la mateixa que la potència d’entrada, la majoria dels transformadors estan lluny del transformador Ideal i experimenten pèrdues a causa de diversos factors.

A continuació s’enumeren algunes de les pèrdues que pot experimentar un transformador;

1. Pèrdues de coure

2. Pèrdues per histèresi

3. Pèrdues de corrent de Foucault

1. Pèrdues de coure

Aquestes pèrdues de vegades es coneixen com a pèrdues per liquidació o pèrdues I ² R. Aquestes pèrdues s’associen a la potència dissipada pel conductor que s’utilitza per al bobinatge quan hi passa corrent a causa de la resistència del conductor. El valor d’aquesta pèrdua es pot calcular mitjançant la fórmula;

P = I ² R

2. Pèrdues per histèresi

Es tracta d’una pèrdua relacionada amb la reticència dels materials utilitzats per al nucli del transformador. A mesura que el corrent altern inverteix la seva direcció, té un impacte en l’estructura interna del material utilitzat per al nucli, ja que tendeix a patir canvis físics que també consumeixen part de l’energia.

3. Pèrdues de corrent de Foucault

Es tracta d’una pèrdua típicament conquerida per l’ús de làmines fines d’acer laminades. La pèrdua de corrent de Foucault sorgeix del fet que el nucli també és conductor i induirà una emf a la bobina secundària. Els corrents induïts al nucli segons la llei actual s’oposaran al camp magnètic i conduiran a la dissipació de l’energia.

Tenint en compte l’efecte d’aquestes pèrdues en els càlculs d’eficiència del transformador, tenim;

Eficiència = (potència d'entrada - pèrdues / potència d'entrada) * 100% Tots els paràmetres expressats en unitats de potència.