Transformadores electricos

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La electricidad es una forma de energía. La gran ventaja de la electricidad como forma de energía radica en la facilidad de ser convertida a otras formas de energía y de otras formas de energía a electricidad. Además es muy fácil y segura de ser transportada y almacenada.
La energía generada por la fuerza hidráulica, plantas térmicas o nucleares se convierte en energía eléctrica que puede ser transportada cientos o miles de kilómetros hasta nuestros hogares a través de cables de cobre (o aluminio).
Cuando se empezó con la industria de suministro de electricidad, a fines del siglo 19, hubo una gran discusión y enfrentamiento entre si la electricidad debía ser de corriente continua CC defendida por Toma Alva Edison o como corriente alterna AC defendida por Nicolás Tesla. Al final la idea de Tesla de usar corriente alterna AC se impuso y hoy en día casi todo transporte de electricidad se hace con corriente alterna.
Corriente alterna significa que la polarización de los hilos (o alambres) cambian periódicamente. Para la transmisión de energía eléctrica se ha estandarizado AC con una frecuencia de cambio de 60 veces por segundo conocida como 60 Hertz. En los países Europeos la frecuencia es de 50 Hz. La tensión o voltaje entregado en las casas es en Colombia de 110 voltios nominales pero en la práctica es de unos 120 voltios. En Europa y algunos países latinoamericanos la tensión es de 220 voltios. En general 60 Hz esta asociado a 110 voltios y 50 Hz con 220 voltios.
Una ventaja de la corriente alterna es que fácilmente se puede cambiar de voltaje utilizando un sencillo dispositivo eléctrico llamado “transformador”. Este dispositivo consta de un nucreo normalmente de hierro y generalmente dos arrollamientos o bobinados de alambre de cobre del cual uno se llama primario y el otro secundario. Si en el primario aplicamos una corriente alterna de un voltaje dado en el secundario aparece una corriente eléctrica con un voltaje proporcional a la relación de número de vueltas del alambre entre el primario y el secundario.
Por ejemplo, si en el primario tenemos 1000 vueltas de alambre y en el secundario 200, la relación será de 1000/200 = 5, entonces si aplicamos 110 voltios en el primario en el secundario tendremos 110/5= 22 voltios. Si aplicamos 200 voltios en el primario tendremos 200/5 = 40 voltios en el secundario. El transformador se puede invertir de dirección, es decir que podemos decir que el primario es el secundario y que el secundario pasa a ser primario y el resultado será el reciproco. En nuestro ejemplo si a un primario de 200 vueltas le aplicamos 20 voltios, el secundario de 1000 vueltas presentara un voltaje de 100 voltios.
Una anotación importante, los transformadores solamente funcionan con corriente alterna, nunca funcionan con corriente continua. Es más, si se aplica corriente continua a un transformador lo va a destruir porque los bobinados del transformador ofrecen casi cero resistencia al paso de la corriente continua y seria como un corto circuito.
El transformador funciona porque la bobina o enrollamiento del primario induce una campo magnético en el nucleo del transformador generalmente de hierro. Como la corriente es alterna entonces el campo magnético en el núcleo será también variable y alternado. Un campo magnético variable induce corriente en alambres que atraviese este campo magnético. Esta es la función del bobinado o enrollamiento secundario, captar el campo magnético alterno y convertirlo en electricidad. El campo magnético generado por el primario depende del número de vueltas o espira que tenga el bobinado primario y el voltaje inducido en el secundario dependerá también del número de vueltas que tenga.
Conociendo el funcionamiento del transformador, es posible aplicar modelos matemáticos que nos permite calcular los valores óptimos de número de vueltas o espiras que necesitamos para construir transformadores. Los análisis matemáticos se resumen en algunas fórmulas conocidas que nos permiten calcular el tamaño de los transformadores sin tener que preocuparnos de la teoría de funcionamiento.
Podemos decir que en el transformador el primario convierte la energía eléctrica en energía magnética y el secundario reconvierte la energía magnética en energía eléctrica. Una característica adicional de los transformadores es que los circuitos eléctricos relacionados con el primario quedan totalmente aislados eléctricamente del secundario. Esta propiedad es muy usada en la electrónica de circuitos.
El núcleo del transformador debe ser capaz de manejar el campo magnético usado para intercambiar energía. Esto significa que el núcleo del transformador tiene que ser un excelente generador de campo magnético, esto es conocido como permeabilidad magnética. La permeabilidad o habilidad de producir campo magnético de un material depende de la frecuencia del campo eléctrico. A mayor frecuencia más campo magnético se genera pero hay un límite en el cual un aumento de la frecuencia no produce más campo magnético, entonces se dice que le material está saturado magnéticamente,
La capacidad de generar campo magnético para una frecuencia dada y su frecuencia de saturación depende de los materiales. El hierro y sus allegados conocidos como elementos ferromagnéticos (el níquel entre ellos) presentan muy buena permeabilidad magnética generando grandes flujos de campo magnéticos a frecuencias muy bajas pero su frecuencia de saturación es también muy baja después de unos miles de ciclos. El aire o el vacío tiene muy baja permeabilidad pero en cambio la frecuencia de saturación es muy elevada, teóricamente infinita.
Actualmente se dispone de materiales para núcleos de transformador que resuelven el compromiso entre alta permeabilidad magnética y elevar la frecuencia de saturación. Son conocidos como “ferritas” y son fabricado de material cerámico o plástico mesclados con partículas ferromagnéticas. La mayor o menor cantidad de partículas ferromagnéticas determinaran su compartimiento.
Por esta razón los transformadores para cambio de energía que trabajan a frecuencias de 50 0 60 Hz su núcleo es de hierro casi puro, en cambio los usados en alta frecuencia en radio su núcleo es el aire, parecen pequeñas espiras de alambre pero son en la práctica transformadores.
El tamaño del núcleo depende de la cantidad de energía que se está transfiriendo, es decir que el tamaño del núcleo debe soportar todo el campo magnético necesario para transferir la energía. Los transformadores usados en baja frecuencia 50 o 60 Hz transfieren cantidades apreciables de energía por lo cual se construyen de núcleos de hierro y de tamaño grande dependiendo de la potencia o cantidad de energía que manejan, esto lo hacen voluminosos y pesados.
Como el núcleo es de hierro que es muy buen conductor de electricidad, los transformadores necesitan ser aislados eléctricamente entre los bobinados y el núcleo. Además el núcleo no puede ser de hierro solido porque si lo fuera en el interior del núcleo se comportaría como si fuera una bobina que induciría corriente eléctrica. Estas corrientes eléctricas circulando en el interior del núcleo generarían calor y pérdida de energía. Por esta razón los núcleos del transformador se construyen con láminas de hierro y no de hierro sólido. Las láminas evitan que se puedan formar bucles o espiras en el interior del núcleo.
En resumen, los transformadores de energía trabajan a baja frecuencia de 50 o 60 Hz y requieren núcleos de hierro laminado para manejar en campo magnético necesario, el número de espiras del primario y secundario depende del voltaje a manejar y adicional el calibre de alambre usado en los bobinados depende de la corriente que va a circular por el.
Como un transformador es construido para manejar una potencia dada, la corriente que circulara está dado por la relación I = P/V entonces la corriente será inversamente proporcional al voltaje esperado en el bobinado. El resultado bobinados que utilizan voltajes altos manejan corrientes pequeñas el calibre del alambre es delgado y el bobinado tiene muchas vueltas, en cambio, si el voltaje del bobinado es bajo, circulara mucha corriente por él, el calibre del alambre es grande y el número de espiras es pequeño.

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