máquinas eléctricas: el transformador monofásico [plus]

LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS


electricidad

voltaje

Para empezar el 28º post en Taringa y luego de un tiempo largo de postear nada interesante, vengo hoy a dejar una pequeña monografía que resume lo que son las Máquinas Eléctricas y las características de un grupo dentro de estas los cuales son los Transformadores.

transformador

En términos simples, una máquina eléctrica es un dispositivo que permite transformar la Energía Eléctrica en Energía Mecánica o bien transformar la Energía Mecánica en Eléctrica. Recordemos que la energía no se crea ni se destruye si no que se transforma en otro tipo de energía. También existe dentro de las máquinas eléctricas un grupo en el cual no se obtiene como producto otro tipo de energía, es decir ingresa energía eléctrica y se obtiene el mismo tipo de energía, dicho grupo son los transformadores y si bien no alteran el tipo de energía si cambian sus características.
Para sintetizar esta parte solo queda decir que existen tres grandes grupos de Máquina Eléctricas: Generadores, Motores y Transformadores.


faraday

Animación de un Motor Monofásico con bobina auxiliar.

Transformadores

Animación de un Motor de Corriente Continua .

maquinas electricas

Animación de un Generador de Corriente Continua .

Pues bien esos fueron algunos ejemplos animados, espero hablar con mas profundidad de las citadas máquinas eléctricas en otro post, en este nos centraremos en el transformador.

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EL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

fuerza electro motriz

máquinas eléctricas: el transformador monofásico [plus]


Este aparato se considera una maquina eléctrica estática (o sea que no tiene movimiento) que permite cambiar los valores de la Tensión (V) y Corriente (I) sin alterar los valores de la Frecuencia (F) y la Potencia (P) de una manera significativa.

Una de las principales razones por la cual se emplea corriente alterna (CA) en la industria eléctrica para la Generación, Transporte y Distribución de energía, en vez de utilizarse corriente continua (CC), es que la corriente alterna permite ser elevada o reducida en su tensión mediante el empleo de un transformador. En la red de transporte de energía, la tensión que sale de la planta generadora se eleva para reducir la intensidad de corriente que circula por los conductores y, así, evitar las perdidas excesivas de energía a causa del efecto Joule; por otro lado, una vez en los sitios en donde la electricidad debe ser utilizada, la tensión es reducida nuevamente a valores adecuados para uso doméstico e industrial y, así, es distribuida a los consumidores.

Los transformadores también son empleados para aislar eléctricamente circuitos entre sí; para reducir los valores de tensión para alimentar aparatos que trabajan con un voltaje inferior al nominal; etc. etc.


electricidad

Esquema simple del proceso de Generación, Transporte y Distribución de la Energía Eléctrica .

voltaje

LA CONFORMACIÓN ESTRUCTURAL


Partes de un transformador:

transformadorfaraday


De izquierda a derecha:
*Bobinado Primario
*Núcleo Magnético
*Bobinado Secundario


El bobinado primario (Bp) y el secundario (Bs) son arrollamientos de alambre elaborado con material conductor (cobre generalmente), ambos bobinados se encuentran enrollados a un núcleo magnético formado comúnmente por chapas apiladas y sujetas fuertemente mediante remaches o tornillos.

Las chapas del núcleo se encuentran eléctricamente aisladas entre sí gracias a un barniz y los remaches, que sujetan esas chapas, también se encuentran eléctricamente aislados de las chapas mediante barniz. En cuanto a los alambres conductores, estos poseen un aislación especial mediante una capa de esmalte que los recubre para evitar cortocircuitos en cada uno de los arrollamientos.

Otra característica constructiva común es que ambos devanados se encuentran arrollados uno sobre otro en un carrete plástico que abraza al núcleo, la razón por la cual se construyen de esa manera es para mejorar el rendimiento del aparato. Asimismo, las distintas capas de los bobinados se encuentran aislados entre sí mediante papeles especiales y, a su vez, tanto el devanado primario como el secundario se encuentran aislados mediante un tejido engrasado. Es decir que no existe contacto eléctrico entre ambos devanados.

Transformadores

Como se ve en la imagen , el núcleo esta formado por chapas apiladas una al lado de la otra.Además es posible observar la forma del carrete que contiene a los dos devanados y el sitio sobre el cual se emplazan en el núcleo.

maquinas electricas

Aqui se aprecia que existen dos tipos de chapa una con forma de “ I “ y otra con forma de “ E “.
Dichas chapas se encuentran confeccionadas en Hierro Silicio, un material que favorece al mejor funcionamiento del aparato. .


lenz

FUNCIONAMIENTO

Como hemos enunciado antes, un transformador es una maquina eléctrica y su funcionamiento se basa en la Inducción Electromagnética.

fuerza electro motriz

máquinas eléctricas: el transformador monofásico [plus]
Imaginemos que conectamos los extremos del bobinado primario a una fuente de Tensión Alterna de forma senoidal (exactamente como la tenemos en nuestras casas), imaginemos que el valor de voltaje es de 220v.

Lo que ocurre es que, gracias la tensión variable, comienza a circular por la bobina una pequeña corriente eléctrica, a su vez, dicha corriente genera un flujo magnético variable que circula por el núcleo; dicho flujo corta las espiras del bobinado secundario e induce una fuerza electromotriz o FEM en el mismo; dicha FEM dependerá del número de espiras que tenga el devanado secundario. Recordar que una espira es cada una de las vueltas que posee el devanado. Asimismo, se aclara que la FEM inducida en el devanado secundario es también variable al igual que el flujo que le da origen.

Por lo tanto, vemos que en el transformador la energía eléctrica se transfiere de un bobinado a otro en forma de energía magnética (campo magnético); de ese modo el devanado primario convierte la energía eléctrica en un campo magnético variable y el devanado secundario lo convierte nuevamente en energía eléctrica gracias al fenómeno de inducción electromagnética.


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RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN (m)


voltaje

Vp: es la tensión o voltaje en el bobinado primario.
Vs: es la tensión en el bobinado secundario.
Np: número de espiras en el bobinado primario.
Ns: número de espiras en el bobinado secundario.
Ip: corriente en el bobinado primario.
Is: corriente en el bobinado secundario.


La relación de transformación se define como el cociente entre los valores de tensión o corriente de los bobinados primario y secundario; asimismo, podemos observar que la relación se cumple también para el número de espiras (vueltas) que posee cada devanado. En cuanto a esta cuestión se seguirá la fórmula que observamos en la imagen anterior.

Lo que nos dice la relación de transformación:

Si la relación es mayor a 1 el transformador es Reductor de tensión.
Si la relación es menor a 1 el transformador es Elevador de tensión.
Si la relación es igual a 1 el trasformador es un Adaptador de tensión.


LA RELACIÓN DE POTENCIA EN EL TRANSFORMADOR

Hemos dejado en claro que los transformadores convierten la tensión y la corriente, pero idealmente la potencia eléctrica debe ser igual en ambos bobinados. Por lo tanto debe cumplirse la siguiente relación.

Pp = Ps

Donde Pp es la potencia en bobinado primario y Ps es la potencia en el bobinado secundario.
Considerando que la potencia eléctrica es igual al producto de la tensión por la intensidad de corriente eléctrica.

Vp . Ip = Vs . Is

Esta relación de las potencias de entrada y salida es algo ideal ya que en los aparatos reales esto no se cumple al cien por ciento ya que todo dispositivo, por muy bien construido que esté, posee perdidas de potencia.


transformador

EL TRANSFORMADOR IDEAL


Si conectamos el bobinado primario a una fuente de Tensión Alterna senoidal (V1), circulará por este bobinado una corriente alterna también senoidal, debido a la circulación de corriente se produce un flujo magnético (Φ) también senoidal que se inducirá en ambos devanados; asimismo, debido al fenómeno de la autoinducción se generará una FEM en el bobinado primario cuyo valor depende del número de espiras y de la velocidad con la cual varíe el flujo.
La siguiente expresión indica el valor instantáneo de la la FEM autoinducida.

faraday

Según la Ley de Lenz, dicha FEM autoinducida se opone en todo momento a la causa que la produce por lo tanto idealmente e1 será igual a V1 en valor pero tendrán signos opuestos.
Por otro lado, si empleamos la expresión general de la Ley de Faraday para la inducción electromagnética, podemos calcular el valor de la FEM en el bobinado primario:

Transformadores

Como hemos descripto antes, el flujo magnético producido en el devanado primario también corta al bobinado secundario, por lo tanto también podemos calcular la FEM que se induce este último:

maquinas electricas

Vemos que ambas expresiones son idénticas y si las dividimos entre sí obtenemos la siguiente relación:

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Por lo tanto, se comprueba que la relación entre la tensión aplicada en el bobinado primario y la obtenida en el devanado secundario es igual a la relación que existe entre el número de espiras del devanado primario y las del secundario.


fuerza electro motriz

LES DEJO UNA PEQUEÑA ANIMACIÓN FLASH QUE AGRUPA LAS FORMULAS DE FARADAY, LA RELACIÓN DE POTENCIA Y LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN








link: http://fisicayquimicaenflash.es/swf/fisica/cmagnetico/transformador.swf

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TODO POR AHORA, GRACIAS POR LEER, EN UN PRÓXIMO POST CONTINÚO CON EL RESTO DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y CON MAS DATOS ÚTILES.

Fuente: Escencialmente el libro Electrotecnia de Pablo Alcalde San Miguel publicado por editorial PARANINFO 4ª edición, 2ª reimpresión, 2004.



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