Hemos revisado un sinfín de equipos eléctricos en las publicaciones anteriores, desde los más sencillos como son los motores monofásicos de baja potencia hasta dispositivos tan complejos y delicados como pueden ser un controlador o el panel de una HMI, sin embargo, en la mayoría de los casos hemos dado por hecho que la alimentación eléctrica existe y está normalizada a los valores nominales que dichos equipos requieren.
Esto no siempre es así, pues, dependiendo de las necesidades de cada equipo, es posible que debamos contar con distintas formas de alimentarlos siendo los circuitos monofásicos y trifásicos de donde parte esta clasificación, después podríamos encontrar la necesidad de manejar distintos valores de tensión (voltaje) que a su vez conllevan variaciones en las potencias y corrientes consumidas.
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| Fig. 1: Transformador de la marca ABB. |
Es entonces que nace la duda a resolver en esta publicación: ¿Cómo podemos adaptar la tensión que nos entrega la compañía eléctrica a las necesidades de nuestros equipos? Si bien los avances en Electrónica han hecho posible la existencia de equipos basados en transistores que pueden limitar, reducir o aumentar los valores de tensión, el método más clásico y recurrido es el uso de transformadores y a continuación haremos una revisión sobre estos equipos.
¿Qué es un transformador?
Un transformador es un dispositivos eléctrico que, utilizando como base los fundamentos de la teoría electromagnética, permite al usuario aumentar o disminuir los valores de tensión y corriente cuando es necesario. Este cambio se realiza entre un par de circuitos similares, donde el primero de ellos induce una corriente en el segundo, la cual conserva la misma frecuencia.
Partes de un transformador
Independientemente del tamaño y la potencia que puede manejar un transformador, se mantiene constante que éstos sean constituidos por tres partes esenciales.
Devanado primario: es el circuito principal al cual se le conecta la fuente de energía y se encarga de transportar la corriente desde la línea de suministro.
Núcleo de hierro: Es el elementos al rededor del cual se enrollan los devanados y donde se produce el flujo magnético. Estos se construyen a partir de una serie de laminas aisladas con el fin de minimizar corrientes no deseadas (parásitas).
Devanado secundario: es el circuito que suministra energía a la carga y donde se genera la fuerza electromotriz por el cambio de magnetismo en el núcleo al cual rodea.
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| Fig. 2: Diagrama general de un transformador. |
Según la aplicación que se tenga, el devanado cualquiera de los devanados puede considerarse como de bajo o alto voltaje, en comparación con el devanado secundario.
Una vez definido esto, podemos indagar un poco más en su funcionamiento.
¿Cómo funciona un transformador?
Como mencionamos anteriormente, los transformadores se rigen bajo los fundamentos de la teoría electromagnética, es decir que, el devanado principal induce una corriente sobre el devanado secundario a través del núcleo de hierro.
Según la Ley de Lenz, la corriente de alimentación debe ser alterna para que se produzca una variación de flujo, dicho de otra forma, un transformador no puede utilizarse con corriente continua.
Considerando lo anterior, se ha definido una expresión matemática conocida como relación de transformación, a partir de la cual podemos elegir un valor tensión y/o corriente en la salida del transformador en función de la alimentación y de la cantidad de hierro en el núcleo.
- Np: Número de vueltas del devanado del primario
- Ns: Número de vueltas del secundario
- Vp: Tensión en el primario
- Vs: Tensión en el secundario
- Is: Corriente en el secundario
- Ip: Corriente en el primario
- rt: Relación de transformación
Como se observa, si se desea aumentar la tensión en el secundario, se deben añadir más vueltas en el secundario (Ns) y, por el contrario, si deseamos una menor tensión, será necesario un menor número de vueltas en el secundario en comparación con el primario.
Ejemplo
Para ejemplificar lo anterior supongamos un transformador monofásico el cual tiene 500 vueltas en el primario y 1000 en el secundario, esto nos da una relación de 0.5
A partir de esto podemos obtener el voltaje en el secundario con un simple despeje de la ecuación original:
Y, suponiendo un voltaje de 110 [V] en el primario, nuestra tensión de salida sería de 220 [V].
Ideales para motores y un sinfín de equipos de campo.
Además, utilizar la misma ecuación para diseñar transformadores. Supongamos un voltaje de 480 [V] en el primario pero tenemos la necesidad de obtener 110 [V] en el secundario. Comenzamos obteniendo el valor de rt.
A partir de esto podemos obtener una relación de vueltas para el secundario suponiendo 100 en el primario.
Conclusiones
Los transformadores son los dispositivos eléctricos que facilitan la alimentación a todos los equipos existentes en una planta pues, mientras la tensión de alimentación suministrada por las compañías eléctricas al rededor del mundo (CFE en el caso de México), es un valor constante y relativamente alto, el uso de estos dispositivos y su correcta selección, permite que sea sencillo "adaptar" los valores de tensión a los nominales de cada equipo.
Si bien en la mayoría de los casos será necesario el uso de equipos de protección adicional con el fin de hacer un ajuste fino en los valores de alimentación, un transformador siempre hará "el trabajo más difícil" al reducir (o aumentar) dicha señal.
En próximos artículos retomaremos el concepto de transformadores para conocer su clasificación según la aplicación donde se utilice y, además, qué otros cálculos son importantes al momento de diseñar y seleccionar estos dispositivos.
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-AHN
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