Como vimos en algunos análisis de SPICE anteriores en este capítulo, la tensión de salida de un transformador varía con resistencias de carga variables, incluso con una entrada de voltaje constante.
El grado de varianza se ve afectado por las inductancias de bobinado primario y secundario, entre otros factores, entre los que se incluye la resistencia de bobinado y el grado de inductancia mutua (acoplamiento magnético) entre los bobinados primario y secundario.
Para aplicaciones de transformadores de potencia, donde el transformador es visto por la carga (idealmente) como una fuente constante de voltaje, es bueno que el voltaje secundario varíe lo menos posible para grandes variaciones en la corriente de carga.
Fórmula de regulación de voltaje
La medida de qué tan bien un transformador de potencia mantiene un voltaje secundario constante en un rango de corrientes de carga se denomina regulación de voltaje del transformador. Se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:
¿Qué es «Carga completa»?
«A plena carga» significa el punto en el que el transformador está funcionando a la corriente secundaria máxima admisible. Este punto de operación estará determinado principalmente por el tamaño del cable de bobinado (ampacidad) y el método de enfriamiento del transformador.
Tomando como ejemplo nuestra primera simulación de transformador SPICE, comparemos el voltaje de salida con una carga de 1 kΩ frente a una carga de 200 Ω (suponiendo que la carga de 200 Ω será nuestra condición de «carga completa»). Recuerde, si lo desea, que nuestro voltaje primario constante era de 10.00 voltios de CA:
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E+00 9.962E-03 Output with 1k ohm load freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.348E+00 4.674E-02 Output with 200 ohm load
Observe cómo disminuye el voltaje de salida a medida que la carga se vuelve más pesada (más corriente). Ahora tomemos el mismo circuito de transformador y coloquemos una resistencia de carga de magnitud extremadamente alta en el devanado secundario para simular una condición «sin carga»: (Consulte la lista de especias» transformador»»)
transformer v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 100 l2 3 5 100 k l1 l2 0.999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 9e12 .ac lin 1 60 60 .print ac v(2,0) i(v1) .print ac v(3,5) i(vi1) .end
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 2.653E-04 freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.990E+00 1.110E-12 Output with (almost) no load
Por lo tanto, vemos que nuestro voltaje de salida (secundario) abarca un rango de 9.990 voltios (prácticamente) sin carga y 9.348 voltios en el punto que decidimos llamar «carga completa».»Calculando la regulación de voltaje con estas cifras, obtenemos:
Incidentalmente, esto se consideraría una regulación bastante pobre (o «suelta») para un transformador de potencia. Alimentando una carga resistiva simple como esta, un buen transformador de potencia debe exhibir un porcentaje de regulación de menos del 3%.
Las cargas inductivas tienden a crear una condición de peor regulación de voltaje, por lo que este análisis con cargas puramente resistivas fue una condición «mejor de los casos».
Aplicaciones que requieren una regulación «deficiente»
Sin embargo, hay algunas aplicaciones en las que realmente se desea una regulación deficiente. Uno de estos casos es en la iluminación de descarga, donde se requiere un transformador elevador para generar inicialmente un alto voltaje (necesario para «encender» las lámparas), luego se espera que el voltaje caiga una vez que la lámpara comience a extraer corriente.
Esto se debe a que los requisitos de voltaje de las lámparas de descarga tienden a ser mucho más bajos después de que se ha establecido una corriente a través de la trayectoria del arco. En este caso, un transformador elevador con una regulación de voltaje deficiente es suficiente para la tarea de acondicionamiento de energía a la lámpara.
Otra aplicación es el control de corriente para soldadores de arco de CA, que no son más que transformadores reductores que suministran energía de baja tensión y alta corriente para el proceso de soldadura.
Se desea un alto voltaje para ayudar a «golpear» el arco (ponerlo en marcha), pero al igual que la lámpara de descarga, un arco no requiere tanta tensión para sostenerse una vez que el aire se ha calentado hasta el punto de ionización. Por lo tanto, una disminución del voltaje secundario bajo una corriente de carga alta sería una buena cosa.
Algunos diseños de soldadores de arco proporcionan un ajuste de corriente de arco por medio de un núcleo de hierro móvil en el transformador, accionado dentro o fuera del conjunto de bobinado por el operador.
Alejar la babosa de hierro de los devanados reduce la resistencia del acoplamiento magnético entre los devanados, lo que disminuye el voltaje secundario sin carga y hace que la regulación de voltaje sea más pobre.
Transformador ferrorresonante
Ninguna exposición sobre la regulación del transformador se puede llamar completa sin mencionar un dispositivo inusual llamado transformador ferrorresonante.
La «ferrorresonancia» es un fenómeno asociado con el comportamiento de los núcleos de hierro mientras operan cerca de un punto de saturación magnética (donde el núcleo está tan fuertemente magnetizado que los aumentos adicionales en la corriente de devanado resultan en poco o ningún aumento en el flujo magnético).
Aunque es algo difícil de describir sin profundizar en la teoría electromagnética, el transformador ferrorresonante es un transformador de potencia diseñado para funcionar en condiciones de saturación persistente del núcleo.
Es decir, su núcleo de hierro está «lleno» de líneas magnéticas de flujo durante una gran parte del ciclo de CA, de modo que las variaciones en la tensión de alimentación (corriente de devanado primario) tienen poco efecto en la densidad de flujo magnético del núcleo, lo que significa que el devanado secundario produce un voltaje casi constante a pesar de las variaciones significativas en la tensión de alimentación (devanado primario).
Circuitos de resonancia en transformadores Ferrorresonantes
Normalmente, la saturación del núcleo en un transformador produce una distorsión de la forma de onda sinusoidal, y el transformador ferrorresonante no es una excepción. Para combatir este efecto secundario, los transformadores ferrorresonantes tienen un devanado secundario auxiliar paralelo a uno o más condensadores, formando un circuito resonante sintonizado a la frecuencia de la fuente de alimentación.
Este «circuito de tanque» sirve como un filtro para rechazar armónicos creados por la saturación del núcleo, y proporciona el beneficio adicional de almacenar energía en forma de oscilaciones de CA, que está disponible para mantener el voltaje de bobinado de salida durante breves períodos de pérdida de voltaje de entrada (milisegundos de tiempo, pero ciertamente mejor que nada).
El transformador ferrorresonante proporciona regulación de voltaje de la salida.
Además de bloquear los armónicos creados por el núcleo saturado, este circuito resonante también «filtra» las frecuencias armónicas generadas por cargas no lineales (de conmutación) en el circuito de bobinado secundario y cualquier armónico presente en la tensión de la fuente, proporcionando energía «limpia» a la carga.
Los transformadores ferrorresonantes ofrecen varias características útiles en el acondicionamiento de energía de CA: voltaje de salida constante dadas variaciones sustanciales en el voltaje de entrada, filtrado de armónicos entre la fuente de alimentación y la carga, y la capacidad de «atravesar» breves pérdidas de potencia manteniendo una reserva de energía en su circuito de tanque resonante.
Estos transformadores también son altamente tolerantes a cargas excesivas y sobretensiones transitorias (momentáneas). Son tan tolerantes, de hecho, que algunos pueden ser paralelos brevemente con fuentes de alimentación de CA no sincronizadas, lo que permite que una carga se cambie de una fuente de alimentación a otra de una manera de «hacer antes de romper» sin interrupción de la alimentación en el lado secundario.
Desventajas conocidas de los transformadores Ferrorresonantes
Desafortunadamente, estos dispositivos tienen desventajas igualmente notables: desperdician mucha energía (debido a las pérdidas de histéresis en el núcleo saturado), generando calor significativo en el proceso, y son intolerantes a las variaciones de frecuencia, lo que significa que no funcionan muy bien cuando se alimentan con pequeños generadores impulsados por motores que tienen una regulación de velocidad deficiente.
Los voltajes producidos en el circuito de bobinado/condensador resonante tienden a ser muy altos, lo que requiere condensadores caros y presenta al técnico de servicio voltajes de trabajo muy peligrosos. Sin embargo, algunas aplicaciones pueden priorizar las ventajas del transformador ferrorresonante sobre sus desventajas.
Los circuitos semiconductores existen para «condicionar» la alimentación de CA como alternativa a los dispositivos ferrorresonantes, pero ninguno puede competir con este transformador en términos de simplicidad pura.
REVISIÓN:
- La regulación de voltaje es la medida de lo bien que un transformador de potencia puede mantener una tensión secundaria constante dada una tensión primaria constante y una amplia variación en la corriente de carga. Cuanto menor sea el porcentaje (más cercano a cero), más estable será el voltaje secundario y mejor será la regulación que proporcionará.
- Un transformador ferrorresonante es un transformador especial diseñado para regular el voltaje a un nivel estable a pesar de la amplia variación en el voltaje de entrada.
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