Qué es un transformador monofásico: construcción y funcionamiento

Un transformador monofásico es un dispositivo eléctrico que acepta corriente alterna monofásica y emite corriente alterna monofásica. Se utiliza para la distribución de energía en zonas no urbanas, ya que la demanda global y los costes son menores que los de los transformadores de distribución trifásicos. Se utilizan como transformadores reductores para reducir la tensión doméstica a un valor adecuado sin modificar la frecuencia. Por esta razón, se utilizan habitualmente para alimentar aparatos electrónicos en los hogares. Este artículo ofrece una visión general de los transformadores monofásicos.

¿Qué es un transformador monofásico?

Definición: Un transformador es un dispositivo que convierte la energía magnética en energía eléctrica. Consta de dos bobinas eléctricas llamadas bobina primaria y bobina secundaria. El devanado primario de un transformador recibe energía, mientras que el devanado secundario la entrega. Para enrollar estas bobinas se suele utilizar un circuito magnético de hierro llamado "núcleo". Aunque estas dos bobinas están aisladas eléctricamente, están conectadas magnéticamente.

Cuando una corriente eléctrica pasa por el primario de un transformador, se crea un campo magnético que induce una tensión en el secundario del transformador. Según el tipo de aplicación, el transformador monofásico se utiliza para aumentar o disminuir la tensión de salida. Este transformador suele ser un transformador de potencia con alto rendimiento y bajas pérdidas. A continuación se muestra un esquema del transformador monofásico.

Principio del transformador monofásico

El transformador monofásico funciona según el principio de la ley de inducción electromagnética de Faraday. En general, la inducción mutua entre los devanados primario y secundario es la responsable del funcionamiento de un transformador eléctrico.

Funcionamiento del transformador monofásico

Un transformador es un dispositivo estático que transfiere la energía eléctrica de un circuito a otro de la misma frecuencia. Se compone de bobinas primarias y secundarias. Este transformador funciona según el principio de la inductancia mutua.

Cuando el devanado primario de un transformador se conecta a una alimentación de corriente alterna, la corriente circula por la bobina y se forma un campo magnético. Esta condición se conoce como inductancia mutua y el flujo de corriente se ajusta a la ley de Faraday de la inducción electromagnética. Cuando la corriente aumenta de cero a su valor máximo, el campo magnético se refuerza y viene dado por dɸ/dt.

Este electroimán forma las líneas de fuerza magnética y se expande hacia fuera de la bobina, formando una trayectoria de flujo magnético. Las bobinas de ambos devanados están conectadas por este flujo magnético. La intensidad del campo magnético generado en el núcleo depende del número de vueltas del bobinado y de la cantidad de corriente. El flujo magnético y la corriente son directamente proporcionales entre sí.

Fuente: Wikimedia

Cuando las líneas de flujo magnético fluyen alrededor del núcleo, pasan por la bobina secundaria, induciendo una tensión en ella. La ley de Faraday se utiliza para determinar la tensión inducida a través de la bobina secundaria y viene dada por:

Nº dɸ/dt

donde,

n" es el número de vueltas de la bobina

La frecuencia es la misma en los devanados primario y secundario.

Por tanto, podemos decir que la tensión inducida es la misma en ambos devanados, ya que el mismo flujo magnético conecta ambas bobinas. Además, la tensión total inducida es directamente proporcional al número de vueltas de la bobina.

Supón que los devanados primario y secundario del transformador sólo tienen una bobina cada uno. Suponiendo que no haya pérdidas, la corriente fluye por la bobina para producir un flujo magnético e inducir una tensión de un voltio en el secundario.

Debido a la alimentación de corriente alterna, el flujo magnético varía sinusoidalmente y viene dado por,

ɸ = ɸ_max Sin ωt

La relación entre la emf inducida, E en los devanados de la bobina de N vueltas viene dada por

E=N (d∅)/dt

E=N*ω*ɸ_max cosωtφ

Emax=Nωɸ_max

Erms=Nω/√2*ɸ_max=2π/√2*f*N*ɸ_max

Erms=4,44 fNɸ_max

Dónde,

f" es la frecuencia en Hertz, dada por ω/2π.

n' es el número de devanados de la bobina

ɸ' es la cantidad de flujo en Webers

La ecuación anterior es la ecuación del campo electromagnético del transformador. Para la emf de un devanado primario del transformador E, N será el número de espiras primarias (NP), mientras que para la emf E de un devanado secundario del transformador, el número de espiras N será (NS).

Construcción de un transformador monofásico

En un transformador monofásico sencillo, cada devanado se enrolla cilíndricamente en un miembro de hierro dulce por separado para proporcionar el circuito magnético necesario, lo que suele denominarse "núcleo del transformador". Proporciona una vía para el flujo del campo magnético que induce la tensión entre dos bobinas.

Como se puede ver en la figura anterior, los dos devanados no están lo suficientemente cerca como para tener un acoplamiento magnético eficaz. Por tanto, la convergencia y el aumento del circuito magnético cerca de las bobinas pueden mejorar el acoplamiento magnético entre los devanados primario y secundario. Para evitar las pérdidas de potencia del núcleo, hay que utilizar láminas de acero finas.

Según la forma en que se enrollan los devanados alrededor del núcleo de acero laminado, la construcción de los transformadores se divide en dos tipos

Núcleo del transformador

En este tipo de construcción, sólo la mitad de los devanados se enrollan de forma cilíndrica alrededor de cada pata del transformador para mejorar el acoplamiento magnético, como se muestra en la figura siguiente. Este tipo de construcción garantiza que las líneas de fuerza magnética fluyan simultáneamente por ambos devanados. El principal inconveniente del transformador de núcleo es el flujo de fuga que se produce debido al flujo de una pequeña parte de las líneas de fuerza magnéticas fuera del núcleo.

Transformador de carcasa

En este tipo de transformador, los devanados primario y secundario están colocados de forma cilíndrica en el brazo central, con una sección transversal que duplica la de los brazos exteriores. En este tipo de construcción, hay dos trayectorias magnéticas cerradas y el extremo exterior tiene un flujo magnético de ɸ/2. El transformador de carcasa supera el flujo de fuga, reduce las pérdidas en el núcleo y aumenta el rendimiento.

Aplicaciones

A continuación se muestran las aplicaciones de un transformador monofásico.

• Reducir las señales de larga distancia para soportar los dispositivos electrónicos residenciales y comerciales
• En los televisores para la regulación de la tensión
• Para aumentar la potencia en los inversores domésticos
• Para suministrar energía a zonas no urbanas
• Para aislar eléctricamente dos circuitos ya que el primario y el secundario están alejados el uno del otro

FAQ

1). ¿Qué significa "monofásico"?

Un sistema o circuito monofásico que genera o utiliza una única tensión alterna

2). ¿Las casas utilizan una fuente de alimentación monofásica?

En general, las casas se alimentan con corriente monofásica

3). ¿Con qué principios funciona el transformador monofásico?

La ley de Faraday de la inducción electromagnética y la inducción mutua

4). ¿Qué es la "relación de giro" de un transformador?

NP/NS = VP/VS = n = Relación de giro

5). Indica dos usos de un transformador monofásico

• En los televisores para la regulación de la tensión
• Para aumentar la potencia en los inversores domésticos

Por tanto, un transformador monofásico es adecuado para los aparatos eléctricos más ligeros. Es menos costoso y preferible para suministrar energía a zonas no urbanas. Este artículo hace hincapié en el principio de funcionamiento de los transformadores, la construcción y las aplicaciones de un transformador monofásico. En este artículo, el lector aprenderá más sobre el transformador monofásico.