Por S. Hussain Ather
Actualizado el 30 de agosto de 2022
Comprender cómo los transformadores aumentan los niveles de voltaje es esencial para cualquier persona que trabaje en la distribución de energía o en el diseño de equipos eléctricos. A continuación encontrará una descripción general clara, dirigida por expertos, de la fórmula del devanado, la física detrás del funcionamiento del transformador y herramientas confiables en línea que pueden ayudarlo a diseñar o evaluar un transformador.
En un transformador de red eléctrica, una bobina de alambre se enrolla alrededor de un núcleo magnético. El número de vueltas en los devanados primario y secundario determina la relación de voltaje entre los dos lados.
La relación central se expresa como:
\(\frac{N_P}{N_S}=\frac{V_P}{V_S}\)
donde NP y NS son las vueltas de las bobinas primaria y secundaria, y VP y VS son los voltajes correspondientes. La fórmula le indica cuánto aumentará o disminuirá el voltaje el transformador.
Tenga en cuenta que se trata de una fracción, no de una proporción en el sentido convencional. Por ejemplo, si el primario tiene una vuelta y el secundario tiene cuatro vueltas, el transformador reduce el voltaje a 1/4 de su entrada.
Los transformadores pueden aumentar el voltaje (step-up) o reducirlo (step-down). La relación de vueltas siempre será positiva, pero una relación mayor que uno indica un transformador elevador, mientras que una relación menor que uno indica un transformador reductor.
La fórmula es estrictamente válida cuando los devanados primario y secundario están en fase. En otras palabras, para un suministro de corriente alterna (CA) determinado, las corrientes en ambos devanados deben estar sincronizadas.
Si bien la fórmula básica del devanado proporciona una base teórica, el diseño del transformador del mundo real debe considerar parámetros adicionales como el material del núcleo, la geometría del devanado y las pérdidas. Una calculadora de diseño de transformadores incorpora estos factores para brindar a los ingenieros una guía práctica.
Las entradas clave incluyen:
Al ingresar estos valores, una calculadora puede estimar el tamaño del núcleo, el peso del cobre, los requisitos de aislamiento del devanado y la eficiencia.
El funcionamiento de un transformador depende del flujo magnético (Φ) y su variación en el tiempo. El flujo máximo viene dado por:
\(\Phi=BA\cos\theta\)
donde B es la intensidad del campo magnético, A es el área de la sección transversal central, y θ es el ángulo entre el campo y el área normal.
Para un suministro de CA, el flujo varía de forma sinusoidal:
\(\Phi(t)=\Phi_{max}\sin(\omega t)\)
con ω =2πf. La fuerza electromotriz inducida (fem) en cualquier devanado sigue la ley de Faraday:
\(V=N\frac{d\Phi}{dt}\)
Por lo tanto, el voltaje inducido en una bobina es directamente proporcional al número de vueltas y la tasa de cambio de flujo.
Varias herramientas en línea acreditadas pueden ayudar a los ingenieros a determinar los tamaños de cable, las caídas de voltaje y las capacidades de carga adecuados:
Cada calculadora hace suposiciones simplificadas sobre la saturación del núcleo, la inductancia de fuga y el aumento de temperatura. Revise siempre la metodología subyacente para asegurarse de que se alinea con sus requisitos de diseño específicos.
En la práctica, rara vez necesitará una simulación a gran escala para el dimensionamiento rutinario de un transformador, pero una calculadora confiable puede ahorrar tiempo y reducir el riesgo de diseñar una unidad de manera insuficiente o excesiva.
Al dominar tanto las ecuaciones teóricas como las calculadoras prácticas, podrá diseñar transformadores que sean eficientes, confiables y adaptados a las necesidades de su aplicación.
