Introducción

Los transformadores son máquinas estáticas que se utilizan para variar los valores de tensión (V) e intensidad (I) en C.A.

Son utilizados en las líneas de transporte y distribución para elevar o reducir los valores de tensión eléctrica.

imagen F01

(figura a determinar: una figura en la que se represente los transformadores dentro de una línea de transporte y distribución indicando como nota trafo elevador, línea de alta, trafo reductor, etc indicando una breve explicación)

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Funcionamiento del transformador monofásico

Los transformadores, como la mayoría de las máquinas eléctricas, disponen de un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Sobre el núcleo magnético, formado por chapas apiladas, van arrollados dos bobinados que se denominan primario y secundario.

imagen F02

(fotografía de un transformador monofásico, indicando el circuito magnético y el circuito eléctrico, primario N1 y secundario N2)

Al conectar el bobinado primario de N1 espiras a una tensión alterna, se crea un flujo magnético alterno. Este flujo magnético, que se establece en todo el circuito magnético, recorre el bobinado secundario de N2 espiras induciendo en él una fuerza electromotriz produciendo la tensión en bornes V2.

A la relación de tensiones entre el primario y secundario se le llama relación de transformación, para un transformador ideal se cumple:

dónde:

animación F03

La transferencia de energía eléctrica entre el primario y secundario se hace a través del campo magnético variable que aparece en el núcleo, no hay conexión eléctrica entre los dos bobinados.

 

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Transformador ideal

Para entender el funcionamiento del transformador, partiremos del transformador ideal, es decir, sin tener en cuenta las pérdidas eléctricas y magnéticas.

Funcionamiento en vacío: Se conecta el primario a la red y al secundario no se le conecta carga alguna.

Al conectar el primario a una tensión V1 circula por él una pequeña corriente, denominada intensidad de vacío I0, se produce un flujo alterno senoidal en el núcleo magnético. Este flujo magnético induce una f.e.m. E1 en el primario, por efecto de la autoinducción, y a su vez en el secundario también se inducirá otra f.e.m. E2.

animación F04

 (figura a determinar, donde se vea el proceso de generación de E1 y E2)

El valor de E1 viene determinado por la siguiente expresión:

dónde:

Lógicamente la expresión de E2 será análoga a la anterior ya que lo crea el mismo flujo F:

dónde:

Dividiendo las dos expresiones se comprueba que la f.e.m. generada en los dos bobinados depende del nº de espiras:

 

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Funcionamiento en carga: Se conecta el primario a la red y al conectar al secundario una carga circulará por ésta una intensidad I2 .

La intensidad I2 creará una fuerza magnetomotriz (N2·I2) que tiende a modificar el flujo común F. Esto no ocurrirá puesto que en el primario aparecerá otra fuerza magnetomotriz (N1·I1) igual a la del secundario pero de sentido contrario equilibrando su efecto. Por lo tanto el flujo común se mantendrá constante.

animación F05

 (figura a determinar, donde se vea el proceso de generación de E1 y E2, I2 e I1, etc)

Podemos poner la siguiente expresión:

Despejando obtenemos la relación de transformación:

 

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Transformador real

Anteriormente hemos analizado el funcionamiento del transformador sin tener en cuenta las pérdidas que se originan en él. Si bien, por tratarse de una máquina estática las pérdidas son menores que en una máquina rotativa y hay que tenerlas en cuenta.

Las pérdidas de un transformador son las siguientes:

animación F06

animación F07

animación F08

Teniendo en cuenta todo lo dicho anteriormente se representa el transformador real con el siguiente circuito equivalente:

animación F09

(figura a determinar, donde se vea el proceso de generación de E1 y E2, I2 e I1, y las caídas de tensión originadas por las perdidas, etc)