Universidad Central
Teoría de Campo II
Trabajo de Investigación
"Análisis Electromagnético y Dimensionamiento de un Transformador
Monofásico de Baja Potencia"
Docente: Asdrubal Chacón Chavarría
Grupo 8
Integrantes:
Alejandro Madrigal Estrada
Introducción
El presente trabajo de investigación tiene como propósito desarrollar el
dimensionamiento y análisis electromagnético de un transformador monofásico
reductor de baja potencia, aplicando los conceptos fundamentales de teoría de
campos electromagnéticos que hemos estado viendo en clases al diseño de un
transformador reductor. Nos corresponde la variante número 7, asignada al
grupo 8, cuyas especificaciones técnicas establecen una tensión primaria de 120
V, una tensión secundaria de 24 V y una potencia aparente de 700 VA.
El objetivo principal del trabajo consiste en realizar el diseño técnico del
transformador, justificando cada decisión del diseño a partir de las propiedades
magnéticas de los materiales, las leyes del electromagnetismo y los criterios de
eficiencia energética. A lo largo del informe, se abordarán las etapas
fundamentales del dimensionamiento, que incluyen el cálculo de la sección del
núcleo, la determinación del número de espiras de los devanados, la selección
de conductores, el análisis de pérdidas y la definición de un protocolo
constructivo, todo ello con el fin de obtener un prototipo funcional que cumpla
con las especificaciones solicitadas por el docente.
El desarrollo del trabajo se estructura en torno a las etapas fundamentales del
diseño electromagnético de un transformador. En primer lugar, se aborda el
cálculo de la sección del núcleo, el cual se determina a partir de la potencia
nominal y de la densidad de flujo magnético admisible en el material. Este paso
resulta clave, ya que el núcleo es el encargado de conducir el flujo magnético
entre los devanados y por lo tanto, su geometría debe garantizar que no se
alcance la saturación. Adicionalmente, se calcula el flujo magnético máximo que
circulará por el núcleo, y con base en este valor se selecciona el tipo de chapa
magnética que presenta las características apropiadas para la aplicación,
considerando factores como la permeabilidad y las pérdidas asociadas al
material.
Posteriormente explicaremos el desarrollo del cálculo de los devanados primario
y secundario. En esta etapa, se determina el número de espiras necesario para
cada bobinado, de tal forma que se cumpla con la relación de transformación
establecida entre las tensiones de entrada y salida. Asimismo, procedemos a
calcular las corrientes nominales que circularán por cada devanado, valores que
resultan fundamentales para la selección del calibre del conductor, la elección
del conductor adecuado busca evitar un calentamiento excesivo y asegurar que
la densidad de corriente se mantenga dentro de los rangos aceptables para una
operación continua.
Un aspecto complementario, pero de gran relevancia que también abarcaremos
en el trabajo será el estudio de las pérdidas que ocurren dentro del
transformador durante su funcionamiento. En esta parte, se describen los
fenómenos de histéresis magnética y corrientes de Foucault, ambos asociados a
la interacción entre el campo magnético variable y el material del núcleo.
Finalmente, el trabajo incluye una descripción del protocolo constructivo del
transformador, en el cual se detalla el proceso de ensamblaje de los
componentes y se enumeran los elementos necesarios para su construcción,
tales como el núcleo de chapas magnéticas, los carretes aislantes, el alambre
para los devanados, los materiales aislantes y los terminales de conexión.
Marco Teórico
Transformador monofásico
Un transformador monofásico es una máquina eléctrica estática diseñada para
transferir energía eléctrica entre dos circuitos mediante el fenómeno de la
inducción electromagnética. Su principal función consiste en modificar el nivel
de tensión de una corriente alterna, puede ser aumentándola o disminuyéndola
sin alterar la frecuencia de la señal. Debido a su eficiencia y confiabilidad, los
transformadores se utilizan ampliamente en sistemas de generación, transmisión
y distribución de energía eléctrica, así como en equipos electrónicos y
aplicaciones industriales.
La estructura básica de un transformador monofásico está conformada por un
núcleo ferromagnético y dos devanados de conductor, los cuales se conocen
como devanado primario y devanado secundario. Si el devanado primario es
sometido a una fuerza alterna, se genera un campo magnético variable que
circula a través del núcleo. Dicho flujo magnético induce una fuerza electromotriz
en el devanado secundario, permitiendo la transferencia de energía sin que
exista una conexión directa entre un circuito y otro.
Inducción electromagnética.
Siguiendo
la
misma
línea
de
pensamiento,
se
llega
a
la
inducción
electromagnética. Este fenómeno establece que una variación del flujo
magnético que atraviesa al conductor genera una fuerza electromotriz inducida.
Es decir, siempre que un campo electromagnético cambie con el tiempo, será
capaz de producir una diferencia de potencial en un conductor cercano. Este
principio es esencial en el diseño de los transformadores pues permite transferir
energía entre dos devanados mediante el campo magnético generado en el
núcleo. La ley de Lenz complementa este fenómeno al indicar que la corriente
inducida siempre se opone a la variación de flujo que la origina, garantizando el
cumplimiento del principio de conservación de la energía. (Pernía, 2004).
Núcleo magnético
Constituye uno de los elementos más importantes del transformador, ya que
proporciona un camino de baja resistencia magnética para la circulación del flujo
generado por el devanado primario. Es gracias a ello que se mejora
significativamente el acoplamiento magnético entre ambos devanados y se
incrementa la eficiencia del dispositivo (Chapman, 2012).
Por lo general, los núcleos se fabrican utilizando chapas de acero al silicio
laminadas, esto se debe a que este material una alta permeabilidad magnética
y menores pérdidas de energía. La selección del tamaño del núcleo depende
principalmente de la potencia que deberá suministrar el transformador, pues un
núcleo insuficiente puede saturarse y ocasionar un aumento considerable de la
temperatura, afectando tanto el rendimiento como la vida útil del equipo.
Devanados y relación de transformación.
Los devanados están constituidos por alambre de cobre esmaltado que va
enrollado alrededor del núcleo magnético. El devanado primario recibe la energía
que proviene de la fuente de alimentación, mientras que el secundario entrega
la energía ya transformada hacia la carga.
La cantidad de espiras presentes en cada devanado determina la relación de
transformación del equipo. Cuando el devanado secundario tiene menos espiras
que el primario, se obtiene un transformador reductor, mientras que ocurre el
efecto contrario cuando el número de espiras del secundario es mayor. Esta
relación permite adaptar los niveles de tensión según las necesidades de cada
aplicación, manteniendo prácticamente constante la potencia transferida, salvo
las pérdidas inherentes al funcionamiento. Esto de acuerdo con Chapman et. al.
(Chapman, 2012; Fitzgerald, Kingsley & Umans, 2014).
Corriente nominal y selección del conductor.
Representa la máxima corriente que cada devanado puede transportar
continuamente sin comprometer la seguridad e integridad del transformador.
Esto depende directamente de la potencia nominal y de la tensión de operación
de cada devanado (Fitzgerald, Kingsley & Umans, 2014) por lo que constituye
un aspecto fundamental durante el proceso de diseño.
Pérdidas en el transformador
Los transformadores son altamente efectivos, aún pese a eso, durante su
funcionamiento se producen pérdidas de energía que se manifiestan
principalmente en forma de calor. Estas pérdidas pueden clasificarse en
pérdidas del núcleo y pérdidas en los devanados. En las del núcleo destacan las
ocasionadas por la histéresis magnética y las corrientes de Foucault (Zirka et
al., 2011). a histéresis se produce debido al proceso continuo de magnetización
y desmagnetización del material ferromagnético cada vez que cambia la
corriente alterna. Este fenómeno requiere energía para reorientar los dominios
magnéticos del material, provocando que el calor se disipe constantemente.
Por otra parte, las corrientes de Foucault corresponden a pequeñas corrientes
eléctricas inducidas dentro del propio núcleo metálico por la variación del flujo
magnético. Estas corrientes generan pérdidas adicionales por efecto Joule y
elevan la temperatura del transformador, disminuyendo su eficiencia. Las
investigaciones sobre aceros eléctricos orientados demuestran que el uso de
chapas delgadas y aisladas reduce significativamente este tipo de pérdidas
(Price, Goode & Power, 2016).
Esta problemática se trata con un núcleo laminado. Los núcleos de los
transformadores modernos se fabrican mediante láminas delgadas de acero al
silicio aisladas eléctricamente entre sí. Esta construcción laminada incrementa la
resistencia al paso de las corrientes inducidas y limita considerablemente su
circulación. Gracias a este diseño, se reduce el calentamiento del núcleo, se
mejora el rendimiento energético y se prolonga la vida útil del transformador.
Por esta razón, la utilización de núcleos laminados constituye una práctica
estándar en la fabricación de transformadores destinados tanto a aplicaciones
industriales como domésticas.
Ahora bien, la eficiencia de un transformador expresa la capacidad de convertir
la potencia eléctrica suministrada en el devanado primario en potencia útil
disponible en el devanado secundario. En condiciones normales de operación, la
eficacia suele ser elevada debido a la ausencia de partes móviles y al reducido
nivel de pérdidas presentes durante el proceso de transformación. (Fitzgerald,
Kingsley & Umans, 2014).
Factores como la calidad del núcleo y su material, el calibre de los conductores,
diseño de los devanados y el adecuado dimensionamiento del equipo influyen
directamente sobre su rendimiento. Es por esto que durante el proceso de diseño
es indispensable seleccionar correctamente cada uno de estos elementos para
obtener un transformador seguro, eficiente y capaz de satisfacer las condiciones
de operación establecidas, esto de acuerdo con Chapman (Chapman, 2012).
Bibliografía
Chapman, S. J. (2012). Máquinas eléctricas (5.ª ed.). McGraw-Hill Education.
Fitzgerald, A. E., Kingsley, C., & Umans, S. D. (2014). Máquinas eléctricas (7.ª
ed.). McGraw-Hill Education.
Pernía
Castro,
M.
A.
(2004).
Circuitos
magnéticos
y
transformadores
UniversidadNacional Experimental del
Táchira.
https://www.researchgate.net/publicati
on/235751884_Circuitos_Magneticos__
Transformadores
Price, K., Goode, B., & Power, D. (2016). Grain-oriented electrical steels for
power and distribution transformers.
Ironmaking & Steelmaking, 43(9), 677–
684.
https://doi.org/10.1080/03019233.201
6.1211122
Zirka, S. E., Moroz, Y. I., Moses, A. J., & Arturi, C. M. (2011). Static and Dynamic
Hysteresis
Models
for
Studying
Transformer
Transients.
IEEE
Transactions on Power Delivery, 26(4),
2352–2362.
https://doi.org/10.1109/TPWRD.2011.2
160008
0
