¿Por qué no se queman los transformadores de CA

Question

Estoy ligeramente familiarizado con la forma en que funciona un transformador de CA. Después de ver esta pregunta:

¿Por qué no se queman todos los motores al instante?

Me hizo pensar en lo mismo con los transformadores de CA.

La bobina primaria debería proporcionar muy poca resistencia y así permitir que fluya mucha corriente. Yo soy adivinando que la resistencia proviene del campo magnético fluctuante. ¿Esto es correcto? Si es así, asumo que la corriente aumenta cuando se coloca una carga en la bobina secundaria porque el campo magnético no colapsa en la bobina primaria sino que es utilizado por la bobina secundaria en su lugar?

Además, ¿significa esto que si se colocara una corriente continua en un transformador que causaría problemas? (es decir, una corriente muy alta)

Estoy seguro de que no estoy diciendo esto correctamente, así que espero que alguien pueda aclararme.

Para resumir mi pregunta, ¿cuál es el comportamiento de la bobina primaria de un transformador (en términos de flujo de corriente) cuando no se coloca ninguna carga en la bobina secundaria, y qué cambia cuando se coloca una carga en la bobina secundaria?

Answer 1

Andy te dio la clásica respuesta académica a tus preguntas. Todo lo que ha dicho es correcto, pero dudo que, como principiante, entiendas la mayor parte. Así que, déjame intentar una explicación sencilla.

El primario de un transformador es una bobina enrollada alrededor de un núcleo de hierro que puede tener varias formas. Este bobinado primario tiene una resistencia muy baja. (Mida la resistencia de un transformador de potencia típico utilizado en equipos electrónicos de banco con un multímetro digital y comprobará que es de sólo unos pocos ohmios). Conecte una fuente de tensión continua a este, el resultado es bastante predecible. La fuente de voltaje entregará una corriente tan grande como sea capaz al devanado primario y el transformador se calentará mucho y probablemente se convertirá en humo. Eso, o su fuente de CC quemará un fusible, se quemará a sí misma, o entrará en el modo de límite de corriente si así lo equipa. Por cierto, mientras fluye esta alta corriente, el devanado primario está produciendo un campo magnético unidireccional en el núcleo del transformador.

Ahora, mide la inductancia del secundario con un medidor LRC. (Es un aparato parecido a un DMM que sólo mide la inductancia, la resistencia y la capacitancia - "LRC"). Para un transformador de potencia de 60 Hz es probable que leas unos pocos Henries de inductancia a través de sus cables primarios.

A continuación, aplica ese valor "L" a la fórmula \$X_L = 2 \pi f L \$ para calcular la "reactancia inductiva" ( \$X_L\$ ") del devanado primario, donde "f" es la frecuencia principal de CA de 60 Hz para los Estados Unidos. La respuesta, \$X_L\$ está en unidades de ohmios, al igual que la resistencia de CC, pero en este caso se trata de "ohmios de CA", también conocidos como "impedancia".

A continuación, aplique este valor de \$X_L\$ a la "Ley de Ohm" al igual que lo haría con una resistencia conectada a una fuente de corriente continua. \$I = \frac{V}{X_L}\$ . En el caso habitual de EE.UU. tenemos 120 voltios RMS como V. Ahora verá que la corriente "I" es un valor bastante razonable. Probablemente unos cientos de miliamperios ("RMS" también). Por eso puedes aplicar 120 voltios al transformador sin carga y funcionará durante un siglo sin problemas. Esta corriente primaria de unos cientos de miliamperios, llamada "corriente de excitación", produce calor en la bobina primaria del transformador, pero el grueso mecánico del transformador puede soportar esta cantidad de calor por diseño prácticamente para siempre. Sin embargo, como se ha descrito anteriormente, una fuente de alimentación de 5 VDC no tardaría más que unos minutos en quemar este mismo transformador si esa fuente de DC fuera capaz de suministrar una corriente lo suficientemente grande como para conducir con éxito la bobina de DC de baja R. Ese es el "milagro" de la reactancia inductiva. Es el campo magnético alterno creado por la propia corriente alterna en el núcleo del transformador, que limita la corriente cuando se acciona desde una fuente de tensión alterna.

Eso es para el transformador sin carga. Ahora, conecte una carga resistiva adecuada al secundario. La corriente de excitación descrita anteriormente seguirá fluyendo más o menos en la misma magnitud. Pero ahora fluirá una corriente adicional en el primario. Esta corriente se denomina "corriente reflejada", es decir, la corriente "causada" por la carga resistiva del secundario que toma corriente del secundario del transformador. La magnitud de esta corriente reflejada viene determinada por la relación de vueltas del transformador de potencia. La forma más sencilla de determinar la corriente reflejada es utilizar el método de los "VA" (voltios-amperios). Multiplique la tensión del secundario del transformador por la corriente en amperios que consume la carga resistiva conectada al secundario. (Esto es esencialmente "Vatios" - voltios por amperios. ) El "Método VA" dice que el VA del secundario debe ser igual al VA incremental del primario. ("Incremental" en este caso significa "además de la corriente de excitación"). Así, si tiene un transformador de potencia de CA típico con un primario de 120 VRMS y un secundario de 6 VRMS y conecta una resistencia de 6 Ohm al secundario, esa carga de 6 Ohm consumirá 1,0 Amp RMS del secundario. Por tanto, la VA del secundario = 6 x 1 = 6. Este VA secundario debe ser numéricamente igual al VA primario, donde la tensión es de 120 VRMS.
VA primario = VA secundario = 6 = 120 x I.
I = 6/120 o sólo 50 miliamperios RMS.

Puede verificar la mayor parte de esto utilizando un simple DMM para medir las corrientes en el primario y el secundario en condiciones de vacío y de carga. Inténtelo usted mismo, pero tenga cuidado con el primario porque esos 120 VRMS son casi letales. Sin embargo, NO podrá observar directamente la corriente "incremental" en el primario causada por la adición de la carga al secundario. ¿Por qué? La respuesta no es tan sencilla. La corriente de excitación y la corriente reflejada están desfasadas 90 grados. Se "suman", pero se suman según la matemática vectorial, y eso es otra discusión.

Lamentablemente, la respuesta de Andy, bellamente expresada, apenas se apreciará a menos que el lector entienda las matemáticas vectoriales aplicadas a los circuitos de corriente alterna. Espero que mi respuesta, y sus experimentos de verificación, le dará una comprensión numérica a nivel de las tripas de la forma en que un transformador de potencia "funciona".

Answer 2

Supongo que la corriente aumenta cuando se coloca una carga en la bobina bobina secundaria porque el campo magnético no se desploma en la bobina primaria, sino que es utilizado por la bobina secundaria.

Suena bien pero no lo es. En general, para un transformador razonablemente eficiente, la magnetización del núcleo es constante bajo cualquier condición de carga secundaria. El problema es que cómo lo explico sin convencerte de que el circuito equivalente del transformador (a continuación) no es erróneo

Cosas a tener en cuenta: -

• Xm es el 99,9% de la inductancia primaria del transformador
• Xp (inductancia de fuga primaria) constituye el último 0,1% de la inductancia primaria
• Xs y Rs son la inductancia de fuga del secundario y la resistencia del devanado referida al primario por acción de la relación de vueltas al cuadrado.
• La cosa que parece un transformador (a la derecha) no debería considerarse como tal - es un perfecto convertidor de potencia y no genera ningún magnetismo - es un dispositivo para ayudar a las matemáticas y ¡ojalá los cerebritos que hacen estos dibujos lo mostraran como una caja negra!

Como puede ver, incluso en condiciones de carga pesada, la caída de voltios de Rp y Xp es pequeña en comparación con la tensión de CA de entrada y esto significa que la tensión a través de Xm es bastante constante. Tenga en cuenta que Xm es el único componente que produce magnetismo en el núcleo. No estás convencido, ¿eh? No te culpo.

Esta es otra forma de verlo

La serie de 4 imágenes que aparecen a continuación intentan demostrar que las contribuciones de flujo de las corrientes de carga tanto en el primario como en el secundario son iguales y opuestas y, por lo tanto, el flujo se cancela. Se trata de un simple transformador 1:1, pero se aplica igualmente a diferentes relaciones de vueltas, ya que el flujo es proporcional a los amperios-vueltas y no a los amperios. Mira cada imagen numéricamente por turno: -

Answer 3

1) Sí, la impedancia de un transformador abierto proviene de la fluctuación del campo magnético (tratando de cambiar el campo magnético del núcleo)

2) Sí, si se coloca una tensión continua en el primario, tienes problemas, el transformador podría quemarse. (A no ser que esté dimensionado para esa corriente, por alguna razón). Yo he perdido la bobina de una vieja moto un par de veces por razones similares: se dejó encendida con el motor apagado, la bobina se quemó y el plástico goteó.

3) Sin carga en el secundario, la corriente a través del primario tiene que pasar por la inductancia muy grande / muy rígida ('inductancia de fuga') de la bobina primaria.

4) Con una carga en el secundario, la corriente del secundario anula el efecto en el núcleo de la corriente del primario.

Answer 4

Un transformador diseñado para que la corriente continua fluya a través de él se denomina reactor saturable, y se utiliza como interruptor; es decir, la corriente continua satura el núcleo magnético, por lo que el suministro de corriente alterna no puede cambiar el flujo en el núcleo, ergo, la tensión alterna secundaria es cero. Cuando se desconecta la corriente continua, el flujo del núcleo puede cambiar y se produce la acción normal del transformador, lo que da lugar a una tensión alterna en el secundario.

Un dispositivo similar, pero que depende de la corriente alterna que satura el núcleo, se llama transformador ferrorresonante. Se utilizaba para estabilizar de forma económica la tensión secundaria de un transformador. Este dispositivo tiene dos secundarios, uno de los cuales está cortocircuitado por un condensador de gran valor, y el otro es el devanado de salida.