Transformador

Denomínase transformador a un aparello electromagnético que permite aumentar ou diminuír a voltaxe e a intensidade dunha corrente alterna, mantendo a potencia. A potencia que ingresa no equipo, no caso dun transformador ideal (isto é, sen perdas), é igual á que se obtén na saída. As máquinas reais presentan unha pequena porcentaxe de perdas, dependendo do seu deseño e tamaño, entre outros factores.

Transformador

Transformador.

O transformador converte a enerxía eléctrica alterna dun certo nivel de tensión, en enerxía alterna doutro nivel de tensión, baseándose no fenómeno da indución electromagnética. Está constituído por dúas bobinas de material condutor, enroladas sobre un núcleo pechado de material ferromagnético, mais illadas entre si electricamente. A única conexión entre as bobinas constitúea o fluxo magnético común que se estabelece no núcleo. Polo xeral, o núcleo é fabricado ben sexa de ferro ou de láminas apiladas de aceiro eléctrico, aliaxe axeitada para optimizar o fluxo magnético. As bobinas ou enrolamentos denomínanse primario e secundario segundo correspondan á entrada ou saída do sistema en cuestión, respectivamente. Tamén existen transformadores con máis enrolamentos; neste caso, pode existir un enrolamento "terciario", de menor tensión que o secundario.

Historia

Transformador de Déri, Bláthy e Zipernowsky, 1885, Budapest.

Primeiros pasos: os experimentos con bobinas de indución

O fenómeno de indución electromagnética no cal se basea o funcionamento do transformador foi descuberto por Michael Faraday en 1831, e baséase fundamentalmente en que calquera variación de fluxo magnético que atravesa un circuíto pechado xera unha corrente inducida, e en que a corrente inducida só permanece mentres se produce o cambio de fluxo magnético.

A primeira "bobina de indución" foi inventada polo sacerdote Nicholas Joseph Callan na Universidade de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan foi un dos primeiros investigadores en decatarse de que cantas máis espiras hai no secundario, en relación co bobinado primario, meirande é o aumento da tensión eléctrica. Os científicos e investigadores basearon os seus esforzos en evolucionar as bobinas de indución para obter maiores tensións nas baterías. No canto de corrente alterna (CA), a súa acción baseouse nun "do&break" mecanismo vibrador que regularmente interrompía o fluxo da corrente directa (DC) das baterías.

Entre a década de 1830 e a década de 1870, os esforzos para construír mellores bobinas de indución, na súa maioría por ensaio e erro, revelaron paseniño os principios básicos dos transformadores. Un deseño práctico e eficaz non apareceu até a década de 1880, cando o transformador tería un papel decisivo na guerra das Correntes, na que os sistemas de distribución de corrente alterna triunfaron sobre os seus homólogos de corrente continua, unha posición dominante que se mantén dende entón.

En 1876, o enxeñeiro ruso Pavel Yablochkov inventou un sistema de iluminación baseado nun conxunto de bobinas de indución no cal o bobinado primario se conectaba a unha fonte de corrente alterna e os enrolamentos secundarios podían conectarse a varias lámpadas de arco, do seu propio deseño. As bobinas empregadas no sistema comportábanse como transformadores primitivos. A patente alegou que o sistema podería, “achegar subministracións por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes dunha soa fonte de enerxía eléctrica”.

En 1878, os enxeñeiros da empresa Ganz en Hungría asignaron parte dos seus recursos de enxeñaría para a fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria e Hungría. En 1883, fixeron máis de cincuenta instalacións para devandito fin. Ofrecía un sistema que constaba de dúas lámpadas incandescentes e de arco, xeradores e outros accesorios.

En 1882, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs expuxeron por primeira vez un dispositivo cun núcleo de ferro chamado "xerador secundario" en Londres, logo venderon a idea á compañía estadounidense Westinghouse Electric. Tamén este sistema foi expuesto en Turín, Italia en 1884, onde foi adoptado para o sistema de alumeado eléctrico.

O nacemento do primeiro transformador

Entre 1884 e 1885, os enxeñeiros húngaros Miksa Déri, Ottó Titusz Bláthy e Károly Zipernowsky, da compañía Ganz dese país, crearon en Budapest o modelo “DBZ” de transformador de corrente alterna, baseado nun deseño de Gaulard e Gibbs (Gaulard e Gibbs só deseñaron un modelo de núcleo aberto). Descubriron a fórmula matemática dos transformadores:

${\frac {V_{s}}{V_{p}}}={\frac {N_{s}}{N_{p}}}$

onde $V_{s}$ é a tensión no secundario e $N_{s}$ é o número de espiras no secundario;$V_{p}$ e $N_{p}$ correspóndense co primario.

A súa solicitude de patente fixo o primeiro uso da palabra transformador, que fora acuñada por Ottó Titusz Bláthy.

En 1885, George Westinghouse mercou as patentes de DBZ e as de Gaulard e Gibbs. El encomendoulle a William Stanley a construción dun transformador de tipo ZBD para uso comercial. Este deseño utilizouse por vez primeira comercialmente en 1886.

Funcionamento

Se se aplica unha forza electromotriz alterna no enrolamento primario, as variacións de intensidade e sentido da corrente alternada crearán un campo magnético variábel dependendo da frecuencia da corrente. Este campo magnético variábel orixinará, por indución, a aparición dunha forza electromotriz nos extremos do enrolamento secundario.

A relación entre a forza electromotriz indutora (Ep, a aplicada ao enrolamento primario) e a forza electromotriz inducida (Es, a obtida no secundario) é directamente proporcional ao número de espiras (voltas) dos enrolamentos primario (Np) e secundario (Ns) .

${\frac {Ep}{Es}}={\frac {Np}{Ns}}$

Así, se o número de espiras do secundario é 100 veces maior que o do primario se aplicamos unha tensión alterna de 100 voltios no primario obteremos 10.000 voltios no secundario. Á relación entre o número de voltas ou espiras do primario e as do secundario chámaselle relación de voltas do transformador ou relación de transformación.

Esquema dun transformador mostrando o fluxo magnético no núcleo.

Agora ben, como a potencia aplicada no primario, no caso dun transformador ideal, debe ser igual á obtida no secundario, o produto da forza electromotriz pola intensidade (potencia) debe ser constante. No caso do exemplo, se a intensidade circulante polo primario é de 10 amperios, a do secundario será de só 0,1 amperios.

Esta particularidade ten a súa utilidade para o transporte de enerxía eléctrica a larga distancia, ao permitir efectuar un transporte a altas tensións e pequenas intensidades e, polo tanto, pequenas perdas.

Outra aplicación frecuente en circuítos de radio é a de transformador de impedancias. Se se coloca no secundario unha impedancia de valor Z, e chamamos m a Ns/Np, como:

$Is={\frac {Ip}{m}}$

e

$Es=Ep\times m$

a impedancia vista desde o primario será:

${\frac {Ep}{Ip}}={\frac {Es}{m^{2}Is}}={\frac {Z}{m^{2}}}$

Así, conséguese transformar unha impedancia de valor Z noutra de Z/m². Colocando o transformador ao revés, o que facemos é elevar a impedancia nun factor m².

Circuíto equivalente

Circuíto equivalente do transformador Ideal

Se se considerar o transformador como ideal (sen perdas), cúmprese a relación:

${\frac {V_{S}}{V_{P}}}={\frac {N_{S}}{N_{P}}}$

realmente sempre existen perdas e quedas de tensión, especialmente:

• Perdas por efecto Joule: tanto no enrolamento primario como no secundario, ao circular corrente disipase enerxía en forma de calor
• Perdas por histérese e correntes de Foucault: No circuíto magnético

Para modelizar mellor o transformador realízanse dous ensaios que nos dan os parámetros necesarios para obter un circuíto equivalente mais aproximado:

• Ensaio en baleiro
• Ensaio en curtocircuíto

Véxase tamén

Outros artigos

• Electromagnetismo
• Indutor

Bibliografía

• Beeman, Donald, ed. (1955). Industrial Power Systems Handbook. McGraw-Hill. 
• Calvert, James (2001). "Inside Transformers". University of Denver. Arquivado dende o orixinal o 09 de maio de 2007. Consultado o 19 de maio de 2007. 
• Coltman, J. W. (Jan 1988). "The Transformer". Scientific American: 86–95. OSTI 6851152. 
• Coltman, J.W. (Jan–Feb 2002). "The Transformer [Historical Overview]". Industry Applications Magazine, IEEE 8 (1): 8–15. doi:10.1109/2943.974352. Consultado o Feb 29, 2012. 
• Brenner, Egon; Javid, Mansour (1959). "Chapter 18–Circuits with Magnetic Coupling". Analysis of Electric Circuits. McGraw-Hill. pp. 586–622. 
• CEGB, (Central Electricity Generating Board) (1982). Modern Power Station Practice. Pergamon. ISBN 0-08-016436-6. 

Máquinas eléctricas
Máquinas de corrente continua	Máquinas síncronas	Máquinas asíncronas	Transformadores
Dínamo		Motor de indución