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.
Un transformador puede parecer una simple caja metálica. Pero por dentro, una forma inteligente de armarlo hace que funcione. Este proceso se denomina diseño de transformadores. Un transformador de potencia cambia la tensión eléctrica para que sea más alta o más baja. Este artículo te mostrará cómo diseñar un transformador. Explicaremos las partes difíciles de una forma fácil de entender. Aprenderás sobre el núcleo, los devanados y cómo hacer que tu transformador funcione bien sin desperdiciar energía. Su lectura le ayudará a entender cómo debe ser un buen transformador. También le mostrará cómo un ingeniero fabrica uno desde el principio.
Un transformador de potencia es un equipo eléctrico. Envía energía eléctrica de un circuito a otro distinto. Puede hacerlo sin piezas móviles. La función principal de un transformador es cambiar la cantidad de tensión y corriente. Un transformador puede ser elevador o reductor. Un transformador elevador aumenta la tensión. Un transformador reductor reduce la tensión. Esto es de gran ayuda en muchos sistemas eléctricos.
El transformador realiza su función utilizando un campo magnético. Tiene dos partes principales. Una parte es un núcleo magnético y la otra es un grupo de bobinados. Hay al menos dos devanados: el primario y el secundario. El devanado primario toma la potencia de entrada. El devanado secundario emite la potencia de salida. Cuando se aplica una tensión de entrada al devanado primario, se crea un campo magnético que cambia dentro del núcleo. Este campo magnético, llamado flujo magnético, genera una tensión en el devanado secundario. Lo especial de un transformador es ver cómo todas estas piezas hacen su trabajo en equipo. Un simple transformador puede hacer mucho trabajo.
Un buen plan para un transformador es muy importante para hacer uno que sea seguro y haga bien su trabajo. Un transformador mal diseñado puede causar grandes problemas. Puede calentarse demasiado, malgastar energía e incluso dejar de funcionar de golpe. Un ingeniero tiene que pensar en muchas cosas durante el proceso de diseño de un transformador. El objetivo principal es hacer un transformador que pueda manejar la cantidad de potencia que se supone que debe manejar. También tiene que funcionar muy bien sin desperdiciar energía. Un transformador que funciona así de bien ahorra dinero y energía.
Un buen diseño del transformador también garantiza que seguirá funcionando durante muchos años. Debe ser capaz de soportar el calor producido por la pérdida de potencia. El aislamiento tiene que ser lo suficientemente resistente para la tensión más alta que vaya a utilizar. El ensamblaje de las piezas debe ser correcto. Un buen transformador es aquel con el que se puede contar para que funcione. Por ejemplo, un transformador de potencia de 100 kVA debe planificarse con cuidado. Esto es para asegurarse de que puede manejar esa cantidad de energía de forma segura durante mucho tiempo. El trabajo de un ingeniero consiste en encontrar la combinación adecuada de precio, tamaño y funcionamiento en el diseño final del transformador. Esto es lo que hace que el transformador sea una pieza útil en un sistema eléctrico.
Para diseñar un transformador, primero hay que saber para qué se necesita. Tienes que averiguar los detalles básicos del transformador. Estos detalles son el primer paso para todo tu trabajo matemático. Si no los tienes, no puedes construir un transformador que sea útil.
Estos son los aspectos importantes que hay que decidir al principio:
Cuando tengas esta información, podrás empezar a calcular matemáticamente las demás partes del transformador. Por ejemplo, la potencia de entrada y la potencia de salida te ayudarán a averiguar cuánta corriente circulará por los devanados primario y secundario. Estos primeros pasos son la base de todo el diseño del transformador.
El núcleo magnético es como el corazón del transformador. Su función es indicar al flujo magnético dónde debe ir. Lo guía desde el devanado primario hasta el secundario. El material utilizado para el núcleo influye mucho en el funcionamiento del transformador. La mayoría de núcleos de transformador están hechos de un material especial llamado acero al silicio. Este material deja pasar muy fácilmente un campo magnético a través de él.
El núcleo no es una pieza maciza de acero. Está formado por muchas chapas finas. Estas láminas se denominan laminados. Cada lámina tiene una capa muy fina de aislamiento. Esto la mantiene separada de las demás láminas. Este sistema de laminación es muy importante. Ayuda a reducir la cantidad de energía que se desperdicia en el núcleo. Esta energía desperdiciada se conoce como pérdidas en el núcleo. Un núcleo sólido dejaría que grandes corrientes eléctricas se movieran en su interior. Esto crearía mucho calor y desperdiciaría mucha energía. Las láminas finas detienen estas corrientes, lo que hace que el transformador funcione mucho mejor.
La tensión de un transformador depende totalmente del número de espiras de sus bobinados. La relación entre la tensión de entrada, la tensión de salida y el número de espiras es muy sencilla. Esta relación se denomina relación de espiras. Si el devanado secundario tiene más vueltas que el primario, el transformador es un transformador elevador. Si el devanado secundario tiene menos vueltas, se trata de un transformador reductor.
Para calcular el número de espiras, los ingenieros utilizan una fórmula. Esta fórmula suele denominarse ecuación EMF del transformador. Una forma más sencilla de pensarlo es "voltios por vuelta". En primer lugar, se calcula cuánta tensión puede manejar una sola espira del bobinado. Por ejemplo, si descubrimos que los voltios por vuelta son 0,5 y necesitamos un devanado primario para 120 voltios, lo calcularemos así:
Número de vueltas = Tensión de bobinado / Voltios por vuelta Número de vueltas = 120 voltios / 0,5 = 240 vueltas
Necesitaría 240 vueltas para la bobina primaria. Si quisieras una salida secundaria de 12 voltios, necesitarías 12 / 0,5 = 24 vueltas para el devanado secundario. Este cálculo es un paso muy importante a la hora de diseñar un transformador.
El devanado de un transformador es una bobina de alambre. Este alambre, o conductor, casi siempre es de cobre. El cobre es una buena elección porque transporta muy bien la electricidad y no cuesta demasiado. El grosor, o calibre, del hilo de cobre que elijas es muy importante. El grosor adecuado depende de la cantidad de corriente que tenga que transportar el bobinado.
Un bobinado que transporte mucha corriente debe tener un hilo de cobre grueso. Un bobinado con poca corriente puede utilizar un hilo más fino. Si elige un cable demasiado fino para la cantidad de corriente, se calentará demasiado. Este calor puede fundir el aislamiento del cable. Esto puede provocar la rotura del transformador. Para encontrar el tamaño de cable adecuado, primero hay que calcular la corriente primaria y la corriente secundaria. Para ello, utiliza la potencia nominal (VA) del transformador.
| Potencia nominal | Tensión de entrada | Corriente primaria | Alambre sugerido |
|---|---|---|---|
| 100 VA | 120 voltios | 0,83 amperios | Delgado |
| 1000 VA | 120 voltios | 8,3 amperios | Medio |
| 5000 VA | 120 voltios | 41,7 amperios | Grueso |
Esta tabla muestra una idea sencilla. A medida que aumenta la corriente, el cable debe ser más grueso. Elegir el conductor correcto garantiza que el transformador pueda gestionar la potencia que necesita suministrar sin calentarse demasiado. Esto es muy importante para que el transformador sea seguro y fiable.
Ningún transformador es perfecto. Todos los transformadores desperdician energía. Esta energía desperdiciada se convierte en calor. Hay dos tipos principales de pérdidas en un transformador: las pérdidas en el núcleo y las pérdidas en el cobre. Conocerlas es muy importante cuando se diseña un transformador para que funcione muy bien.
Las pérdidas en el núcleo son las que se producen en el núcleo magnético del transformador. Están causadas por el campo magnético dentro del acero al silicio, que siempre está cambiando. Estas pérdidas se producen siempre que el transformador está encendido. Esto es así aunque no haya nada conectado al devanado secundario. Utilizar láminas finas y un buen material para el núcleo ayuda a reducir estas pérdidas.
Las pérdidas en el cobre son las que se producen en los devanados de cobre. Están causadas por la resistencia del cable eléctrico. Cuando la corriente circula por el cable, éste se calienta. Esto también se conoce como pérdida I²R. Las pérdidas en el cobre aumentan a medida que el transformador trabaja más. Más corriente significa más calor y más potencia desperdiciada. Un buen diseño de transformador intentará que tanto las pérdidas en el núcleo como las pérdidas en el cobre sean lo más pequeñas posible. Esto se hace para que el transformador funcione mejor y desperdicie menos energía.
La forma en que los devanados primario y secundario se colocan en el núcleo se denomina disposición de los devanados. Esta disposición puede cambiar la forma en que el transformador realiza su trabajo. El objetivo principal es conseguir la mejor conexión magnética entre las bobinas primaria y secundaria. Esto significa que se desea que la mayor parte posible del flujo magnético del devanado primario se conecte con el devanado secundario.
Una configuración normal es enrollar la bobina secundaria justo encima de la bobina primaria. Hay una lámina de aislamiento entre ellas. De este modo, los dos devanados están muy cerca el uno del otro. La proximidad ayuda a reducir el llamado flujo de fuga. El flujo de fuga es un campo magnético que se escapa y no se conecta con ambos devanados. Una buena disposición de los devanados mejora la regulación de la tensión del transformador. La regulación de tensión muestra cuánto baja la tensión de salida cuando el transformador trabaja a plena potencia. Una buena disposición ayuda a que funcione mejor cuando cambia la cantidad de potencia que emite. También influye la impedancia del transformador y su potencia para mantener separados los circuitos de entrada y salida.
Toda la energía desperdiciada en un transformador se convierte en calor. Si este calor no se elimina, el transformador se calentará cada vez más. Demasiado calor puede dañar el aislamiento. Esto puede provocar la rotura del transformador. Por eso, todo transformador de potencia debe tener una forma de enfriarse. Los métodos de refrigeración utilizados dependen del tamaño y la potencia nominal del transformador.
En el caso de los transformadores pequeños, basta con que el aire se mueva a su alrededor para mantenerlos fríos. El calor pasa del núcleo y los devanados a la superficie exterior, y luego al aire. Para transformadores más grandes, esto no es suficiente. Un transformador de mayor potencia, como una unidad de 100 kVA, puede tener aletas en su carcasa exterior. Estas aletas dejan más espacio para que el aire entre en contacto, lo que mejora la refrigeración. Los transformadores muy grandes suelen colocarse dentro de un depósito lleno de un aceite especial. El aceite absorbe el calor del núcleo y los devanados del transformador. El aceite caliente se desplaza y se enfría con aire o agua. Elegir la forma de refrigerar el transformador es una parte muy importante de su diseño.
Después de que un ingeniero haya terminado de planificar el transformador y lo haya construido, hay que probarlo. Las pruebas se realizan para asegurarse de que el transformador hace lo que se supone que debe hacer y es seguro de usar. Hay unas cuantas pruebas normales para un transformador.
Una de las pruebas se denomina prueba de circuito abierto. Para esta prueba, se pone tensión en el lado primario, pero el lado secundario se deja abierto sin nada conectado a él. Esta prueba comprueba las pérdidas en el núcleo del transformador. Otra prueba es la de cortocircuito. La salida del secundario se conecta con un cable grueso y se aplica una tensión muy pequeña en el primario. Esta prueba comprueba las pérdidas en el cobre y la impedancia del transformador. Por último, se realiza una prueba de regulación de tensión. Se comprueba cómo cambia la tensión secundaria cuando no hay carga y cuando hay carga completa. Estas pruebas garantizan que el transformador tiene la tensión correcta y funciona tan bien como se desea. Esta es la última comprobación para un transformador que se ha diseñado bien.
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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