Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Comprender el núcleo del transformador es clave para entender cómo funciona un transformador y por qué algunos son mejores que otros. Esta guía sobre núcleos de transformadores le mostrará todo lo que necesita saber sobre las piezas de los transformadores. Veremos qué hacen, de qué están hechos y por qué es tan importante el diseño de su núcleo. Si quiere elegir un transformador eficiente y ahorrar en costes de energía, este artículo es para usted.
La función principal de un transformador es cambiar el nivel de tensión y corriente en un circuito eléctrico. Es como una rampa para la electricidad. Un transformador puede "subir" la tensión a un nivel superior o "bajar" la tensión a un nivel inferior. Esto se hace sin cambiar la cantidad total de potencia. Cuando sube la tensión, baja la corriente. Cuando baja la tensión, aumenta la corriente.
Es un trabajo muy importante. Las centrales eléctricas generan electricidad a un voltaje muy alto para enviarla a largas distancias con menos pérdidas de energía. Cuando esta electricidad llega a su ciudad, un transformador reduce el voltaje a un nivel más seguro para hogares y empresas. Cada aparato necesita una potencia diferente. Un transformador ayuda a adaptar la potencia de la toma de corriente a las necesidades del aparato.
El transformador lo hace mediante un proceso llamado inducción electromagnética. Tiene dos juegos de hilos, llamados bobinado primario y secundario. La primera bobina (primaria) recibe la energía eléctrica. Esto crea un campo magnético. El transformador utiliza este campo para transferir energía a la segunda bobina (secundario), que envía la energía a un nuevo voltaje. Todos los tipos de transformadores funcionan según esta regla básica.
Hablemos ahora de la estrella del espectáculo: el núcleo del transformador. Si los devanados son los brazos del transformador, el núcleo es como el cuerpo que los une. El núcleo es la parte central del transformador. Su función principal es proporcionar un camino para que fluya el flujo magnético. Cuando el devanado primario crea un campo magnético, el núcleo guía este campo hacia el devanado secundario.
Sin un buen núcleo transformador, el flujo magnético se dispersaría en el aire. Gran parte de la energía se perdería. El núcleo actúa como una autopista para el campo magnético, asegurándose de que viaja desde la bobina primaria hasta los devanados secundarios sin apenas perderse por el camino. Esto es lo que hace que un transformador sea tan bueno transfiriendo energía. El núcleo magnético es la clave de un transformador eficiente.
El núcleo del transformador suele estar hecho de un material muy permeable al flujo magnético. Esto significa que el campo magnético puede fluir libremente a través de él. Una opción habitual es el núcleo de hierro. Cuanto mejor guíe el flujo magnético el núcleo del transformador, más eficaz será la transferencia de energía. Por eso es tan importante el diseño del núcleo. Un núcleo de transformador eficiente garantiza el buen funcionamiento del aparato. El transformador depende de esta pieza.
El diseño del núcleo lo es todo en un transformador. Un buen diseño del núcleo asegura que el transformador funcione bien y no desperdicie mucha energía. Un mal diseño del núcleo puede provocar grandes pérdidas de energía, calentamiento y una vida útil más corta del transformador. El objetivo siempre es crear una trayectoria para el flujo magnético que sea lo más fácil posible de recorrer.
El diseño del núcleo afecta a muchas cosas. Decide cuánto flujo magnético puede soportar el núcleo, lo que se denomina densidad de flujo. También ayuda a reducir el derroche de energía. La forma y el tamaño del núcleo del transformador deben estar en consonancia con la potencia que debe soportar el transformador. Para aplicaciones de alta potencia, se necesita un núcleo más grande y robusto. Para componentes electrónicos más pequeños, se utiliza un diseño de núcleo de transformador diferente.
Pensando en el diseño del núcleo es como hacemos un transformador eficiente. Queremos minimizar las pérdidas de potencia. Por ejemplo, un buen diseño de núcleo tendrá muy pocos espacios de aire. Estos espacios pueden resistir el flujo magnético y causar pérdidas de energía. El modo en que se construye el núcleo del transformador, desde su material hasta su forma, influye en el rendimiento del transformador. Este diseño garantiza que el transformador funcione correctamente.
El material utilizado para el núcleo del transformador es muy importante para su rendimiento. El objetivo es utilizar materiales que tengan una alta permeabilidad. Esto significa que dejan pasar fácilmente el flujo magnético a través de ellos. Los materiales más comunes son el acero al silicio y los metales amorfos.
El acero al silicio es un tipo especial de acero al que se añade una pequeña cantidad de silicio. Esta adición aumenta la capacidad del acero para resistir el flujo de corriente dentro del propio núcleo, lo que ayuda a reducir la pérdida de energía. A menudo, se trata de un tipo especial de acero al silicio denominado CRGO, que significa Cold Rolled Grain Oriented (acero laminado en frío con grano orientado). El acero CRGO tiene muy buenas propiedades magnéticas en la dirección en que se lamina, lo que lo hace perfecto para el núcleo de un transformador. El transformador se beneficia enormemente de estos materiales.
Otro material asombroso es el metal amorfo, a veces llamado vidrio metálico. Los núcleos amorfos están hechos de metales que se enfrían tan rápidamente que no forman una estructura cristalina. Esta estructura desordenada hace que sea muy fácil que el campo magnético cambie de dirección, lo que reduce drásticamente la pérdida de energía. Un núcleo amorfo es ideal para hacer un transformador con mayor eficiencia, especialmente en transformadores de distribución que están siempre encendidos. También se utilizan otros materiales, como la ferrita, a menudo en transformadores de corriente de alta frecuencia. Estos materiales marcan una gran diferencia.
Si alguna vez observa de cerca el núcleo de un transformador, se dará cuenta de que no es un bloque macizo de metal. Está formado por muchas láminas finas apiladas. Esto se llama laminación. La construcción del núcleo utiliza estas láminas por una razón muy importante: para detener algo llamado corrientes parásitas.
Esto es lo que ocurre. Cuando el campo magnético en el núcleo del transformador está siempre cambiando, puede crear pequeños flujos circulares de corriente dentro del propio material del núcleo. Se trata de corrientes parásitas. Estas pequeñas corrientes son un gran problema porque no realizan ningún trabajo útil. Sólo generan calor, que es una forma de pérdida de energía. Este calentamiento puede dañar el transformador y desperdiciar electricidad. Un núcleo de hierro macizo tendría grandes corrientes parásitas.
La laminación interrumpe el paso de las corrientes parásitas. Cada lámina tiene una capa aislante. Esta capa impide que la corriente fluya entre las láminas. Esto significa que cualquier corriente parásita sólo puede fluir en una lámina muy fina, lo que la hace muy pequeña y débil. Este sencillo truco de laminación es una de las mejores formas de reducir las pérdidas por corrientes de Foucault y conseguir un transformador más eficiente. Se trata de una parte fundamental de la construcción del núcleo del transformador.
Cuando hablamos de los principales tipos de núcleos de transformador, solemos referirnos a las dos formas o estilos de configuración más comunes. Son el "tipo de núcleo" y el "tipo de carcasa". La elección entre ellos depende de las necesidades de potencia y del uso que se vaya a dar al transformador. Cada tipo de núcleo tiene sus propias ventajas.
El primer tipo de núcleo se denomina, simplemente, "tipo de núcleo". En este diseño, los bobinados se enrollan alrededor de los miembros del núcleo. Imagínese un donut cuadrado, y los hilos se enrollan alrededor de dos de sus lados. Este diseño es sencillo de construir y proporciona un buen acoplamiento entre los devanados primario y secundario. El núcleo del transformador es el centro de la estructura.
El segundo tipo principal de núcleo es el "tipo cáscara". En un transformador tipo concha, el núcleo rodea a los devanados. Es como si el devanado fuera el centro blando y el núcleo del transformador fuera el caparazón duro que lo protege. Este diseño proporciona un mejor camino para el flujo magnético porque tiene un gran miembro central. Un diseño tipo concha también ofrece una mejor protección mecánica para la bobina y el devanado. Este es uno de los tipos más comunes de núcleos de transformador. Este transformador es muy fiable.
Profundicemos un poco más en estos dos diseños. En un transformador "de núcleo", el devanado rodea el núcleo del transformador. El núcleo suele tener forma de rectángulo con dos extremidades. Los devanados primario y secundario se colocan uno sobre otro en ambas extremidades del núcleo. Esta construcción del núcleo es más fácil de desmontar para reparaciones. Sin embargo, la trayectoria del flujo magnético es más larga, lo que a veces puede provocar una mayor pérdida de energía.
En un transformador "tipo carcasa" ocurre lo contrario. El núcleo del transformador se construye alrededor de las bobinas. El núcleo tiene tres extremidades y la bobina se enrolla alrededor de la extremidad central. Los dos miembros exteriores proporcionan una trayectoria de baja resistencia para el flujo magnético. Este diseño tipo concha ayuda a reducir la pérdida de energía porque el flujo magnético tiene dos caminos de retorno, lo que reduce su resistencia. Con este diseño, el transformador suele ser más compacto.
Entonces, ¿cuándo elegir uno en lugar de otro? Los transformadores con núcleo suelen utilizarse en aplicaciones de potencia de alta tensión, como los grandes transformadores de potencia. El transformador tipo carcasa es muy común en transformadores electrónicos y de distribución más pequeños, en los que es importante un tamaño compacto y un mayor rendimiento. La elección del tipo de núcleo depende realmente del trabajo específico que deba realizar el transformador. Ambos están diseñados para que el transformador funcione bien.
La forma en que se ensambla el núcleo del transformador se denomina configuraciones de montaje. Esto es especialmente importante para la energía trifásica, que se utiliza en la mayoría de los entornos industriales. Para este tipo de requisitos de potencia, el núcleo tiene que manejar tres flujos de campo magnético separados a la vez. Los diseños más comunes son el núcleo de tres miembros y el núcleo de cinco miembros.
Un núcleo de tres ramas es el estándar para la mayoría de los transformadores de distribución trifásicos. Tiene tres patas verticales, o extremidades, y un yugo superior e inferior para conectarlas. Cada rama contiene los devanados primario y secundario de una fase de potencia. Este diseño del núcleo es sencillo y rentable. El flujo magnético de cada fase comparte la misma trayectoria, lo que funciona bien la mayoría de las veces.
Para transformadores de potencia muy grandes, se suele utilizar un núcleo de cinco miembros. Este diseño añade dos miembros exteriores a los tres estándar. Estos miembros adicionales no están bobinados. Su función es facilitar el retorno del flujo magnético, lo que ayuda a reducir la pérdida de energía y las pérdidas en vacío. También existe una configuración de núcleo de cuatro miembros, pero es menos común. Estas diferentes configuraciones se eligen para garantizar el funcionamiento eficaz de un transformador específico. El transformador necesita la construcción de núcleo adecuada para su trabajo.
La relación entre la bobina y el núcleo del transformador es la clave del funcionamiento de un transformador. La bobina, también conocida como devanado, está hecha de un conductor, normalmente cobre o aluminio. En un transformador hay al menos dos devanados: el primario y el secundario.
El proceso comienza cuando una corriente alterna circula por la bobina primaria. Esta corriente crea un campo magnético cambiante alrededor del bobinado. Aquí es donde entra en juego el núcleo del transformador. El núcleo, al estar hecho de un material con alta permeabilidad magnética, capta este campo magnético. A continuación, guía el flujo magnético de manera eficiente a lo largo de su trayectoria. El núcleo es como un canal para esta energía magnética. Los devanados que rodean el núcleo son donde empieza la acción.
El flujo magnético, que ahora fluye por el núcleo común, pasa por el devanado secundario. Este campo magnético cambiante que se desplaza por la bobina secundaria induce una tensión en ella. Esto crea una nueva corriente que puede alimentar un dispositivo. La relación de vueltas entre la bobina primaria y la secundaria determina la tensión de salida. Así es como un transformador realiza su función de elevador y reductor. El núcleo del transformador garantiza que casi todo el flujo magnético de la bobina primaria llegue al secundario, lo que aumenta la eficacia del almacenamiento y la transferencia de energía. El núcleo también puede construirse alrededor de las bobinas.
Cuando se habla de un buen transformador, a menudo se hace referencia a su eficiencia. Es una medida de la cantidad de energía que se pierde al pasar por el transformador. Ningún transformador es perfecto; siempre habrá alguna pérdida de energía. Pero un transformador bien diseñado con un núcleo de transformador eficiente puede acercarse mucho a la perfección. Conocer los núcleos de los transformadores es conocer la eficiencia.
Hay dos tipos principales de pérdida de energía en un transformador. La primera es la "pérdida de carga" o pérdida de cobre, que se produce en el bobinado debido a la resistencia del alambre. La segunda, y a menudo mayor, es la "pérdida en vacío" o pérdida de hierro. Se produce en el propio núcleo del transformador. Esta pérdida de energía se debe a las corrientes parásitas y a algo llamado histéresis. La pérdida por histéresis es la energía utilizada para cambiar la dirección del campo magnético en el material del núcleo. Aquí es donde brillan los materiales amorfos, ya que tienen pérdidas por histéresis muy bajas.
Un núcleo de transformador eficiente está diseñado para reducir estas pérdidas en vacío. Utilizando materiales de alta calidad como metal amorfo o CRGO acero al silicio y el uso de laminados para detener las pérdidas por corrientes parásitas son fundamentales. Reducir las pérdidas de energía no es sólo una cuestión de rendimiento, sino también de dinero. Un transformador con mayor rendimiento gasta menos energía, lo que se traduce en menores costes de funcionamiento a lo largo de su vida útil. Para cualquiera que elija un transformador, éste es un punto crítico a tener en cuenta. La eficiencia del transformador está directamente relacionada con el diseño de su núcleo. Esto es lo que necesita saber sobre la eficiencia de los transformadores.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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