Teoría del Transformador en Operación con y sin Carga

Definición de Transformador

Un transformador se define como un dispositivo eléctrico que transfiere energía eléctrica entre dos o más circuitos a través de la inducción electromagnética.

Teoría del Transformador en Carga Nula

Sin Resistencia de Bobinado y Sin Reactancia de Fuga

Considere un transformador con solo pérdidas en el núcleo, lo que significa que no tiene pérdida por cobre ni reactancia de fuga. Cuando se aplica una fuente de corriente alterna al primario, suministra corriente para magnetizar el núcleo del transformador.

Pero esta corriente no es la corriente de magnetización real; es un poco mayor que la corriente de magnetización real. La corriente total suministrada desde la fuente tiene dos componentes, uno es la corriente de magnetización que se utiliza únicamente para magnetizar el núcleo, y otro componente de la corriente de la fuente se consume para compensar las pérdidas en el núcleo del transformador.

Debido al componente de pérdida en el núcleo, la corriente de la fuente en carga nula no retrasa el voltaje de alimentación exactamente 90°, sino por un ángulo θ, que es menor que 90°. La corriente total Io tiene un componente Iw en fase con el voltaje de alimentación V1, representando el componente de pérdida en el núcleo.

Este componente se toma en fase con el voltaje de la fuente porque está asociado con pérdidas activas o de trabajo en los transformadores. Otro componente de la corriente de la fuente se denota como Iμ.

Este componente produce el flujo magnético alterno en el núcleo, por lo que es sin vatios; significa que es la parte reactiva de la corriente de la fuente del transformador. Por lo tanto, Iμ estará en cuadratura con V1 y en fase con el flujo alterno Φ. Por lo tanto, la corriente primaria total en un transformador en condiciones de carga nula se puede representar como:

Ahora ha visto lo simple que es explicar la teoría del transformador en carga nula.

Teoría del Transformador en Carga

Sin Resistencia de Bobinado y Reactancia de Fuga

Ahora examinaremos el comportamiento del transformador mencionado anteriormente en carga, lo que significa que la carga está conectada a los terminales secundarios. Considere un transformador con pérdidas en el núcleo pero sin pérdida por cobre ni reactancia de fuga. Cuando se conecta una carga al bobinado secundario, la corriente de carga comenzará a fluir a través de la carga así como del bobinado secundario.

Esta corriente de carga depende únicamente de las características de la carga y también del voltaje secundario del transformador. Esta corriente se llama corriente secundaria o corriente de carga, aquí se denota como I2. Como I2 fluye a través del secundario, se producirá un MMF (Fuerza Magnetomotriz) en el bobinado secundario. Aquí es N2I2, donde N2 es el número de vueltas del bobinado secundario del transformador.

Este MMF o fuerza magnetomotriz en el bobinado secundario produce el flujo φ2. Este φ2 opondrá el flujo de magnetización principal y momentáneamente debilitará el flujo principal e intentará reducir el emf autoinducido E1 en el primario. Si E1 cae por debajo del voltaje de la fuente V1, habrá una corriente extra fluyendo desde la fuente al bobinado primario.

Esta corriente extra primaria I2′ produce un flujo extra φ′ en el núcleo que neutraliza el flujo contraproducente secundario φ2. Por lo tanto, el flujo de magnetización principal del núcleo, Φ, permanece inalterado independientemente de la carga. Así, la corriente total que este transformador extrae de la fuente se puede dividir en dos componentes.

El primero se utiliza para magnetizar el núcleo y compensar la pérdida en el núcleo, es decir, Io. Es el componente de carga nula de la corriente primaria. El segundo se utiliza para compensar el flujo contraproducente del bobinado secundario.

Se conoce como el componente de carga de la corriente primaria. Por lo tanto, la corriente primaria total en carga nula I1 de un transformador eléctrico de potencia sin resistencia de bobinado y sin reactancia de fuga se puede representar como sigue:

Donde θ2 es el ángulo entre el Voltaje Secundario y la Corriente Secundaria del transformador. Ahora procederemos un paso más hacia un aspecto más práctico del transformador.

Teoría del Transformador en Carga, con Bobinado Resistivo, pero Sin Reactancia de Fuga

Ahora, considere la resistencia del bobinado del transformador, pero sin reactancia de fuga. Hasta ahora hemos discutido el transformador que tiene bobinados ideales, es decir, bobinados sin resistencia ni reactancia de fuga, pero ahora consideraremos un transformador que tiene resistencia interna en el bobinado, pero sin reactancia de fuga. Dado que los bobinados son resistentes, habrá una caída de voltaje en los bobinados.

Hemos demostrado anteriormente que la corriente primaria total desde la fuente en carga es I1. La caída de voltaje en el bobinado primario con resistencia R1 es R1I1. Obviamente, el emf inducido en el bobinado primario E1, no es exactamente igual al voltaje de la fuente V1. E1 es menor que V1 por la caída de voltaje I1R1.

Nuevamente, en el caso del secundario, el voltaje inducido en el bobinado secundario, E2, no aparece completamente en la carga ya que también disminuye en una cantidad I2R2, donde R2 es la resistencia del bobinado secundario y I2 es la corriente secundaria o corriente de carga.

De manera similar, la ecuación de voltaje del lado secundario del transformador será:

Teoría del Transformador en Carga, con Resistencia y Reactancia de Fuga

Ahora consideraremos la condición cuando hay reactancia de fuga del transformador, así como resistencia de bobinado del transformador.

Supongamos que las reactancias de fuga de los bobinados primario y secundario del transformador son X1 y X2, respectivamente. Por lo tanto, la impedancia total de los bobinados primario y secundario del transformador con resistencias R1 y R2, respectivamente, se puede representar como,

Ya hemos establecido la ecuación de voltaje de un transformador en carga, con solo resistencias en los bobinados, donde las caídas de voltaje en los bobinados ocurren solo debido a la caída de voltaje resistiva.

Pero cuando consideramos la reactancia de fuga de los bobinados del transformador, la caída de voltaje ocurre en el bobinado no solo debido a la resistencia, sino también debido a la impedancia de los bobinados del transformador. Por lo tanto, la ecuación de voltaje real del transformador se puede determinar fácilmente reemplazando las resistencias R1 y R2 en las ecuaciones de voltaje establecidas anteriormente con Z1 y Z2.

Por lo tanto, las ecuaciones de voltaje son,

Las caídas de resistencia están en la dirección del vector de corriente. Pero una caída reactiva será perpendicular al vector de corriente, como se muestra en el diagrama vectorial del transformador.