Cómo elegir un transformador: Calculadora y dimensionamiento de transformadores
Figura 1: Transformer
Un transformador es un dispositivo eléctrico pasivo que utiliza la inducción electromagnética para transferir energía eléctrica de un circuito a otro. Seleccionar el transformador adecuado para una aplicación requiere considerar detenidamente varios factores, como la tensión, la corriente, el tipo de carga, el rendimiento, el entorno y el coste. Este artículo ofrece una guía paso a paso para elegir un transformador y analizar las distintas potencias de un transformador.
Índice de contenidos
- Selección de un transformador
- Calculadora de carga nominal del transformador
- Capacidad de carga del transformador
- Cálculo de la eficiencia del transformador
- Calculadora de potencia del transformador
- Pérdidas en los transformadores
- Cómo reducir las pérdidas de los transformadores
- Preguntas frecuentes
Selección de un transformador
Lea nuestro artículo general sobre transformadores para obtener más información sobre su funcionamiento, construcción y tipos. Los transformadores están disponibles en múltiples diseños, especificaciones y tamaños. Es importante tener en cuenta lo siguiente:
- Sube o baja: Elija un transformador elevador o reductor en función de los requisitos específicos de la aplicación. Por ejemplo, al trabajar en un rectificador, para reducir la tensión de alimentación de 230 a 12 voltios, elige un transformador reductor de 230-12 voltios.
Tome nota: El voltaje y la frecuencia de la red eléctrica varían de un país a otro. Países como Estados Unidos utilizan una fuente de alimentación principal de 120 voltios que funciona a 60 Hz, mientras que los europeos, como Reino Unido, Países Bajos y Alemania, funcionan a 230 voltios y 50 Hz. Elige el transformador en consecuencia. Para más detalles, consulte la lista completa de países con sus correspondientes tensiones de alimentación y frecuencias de funcionamiento.
Figura 2: Bajada (izquierda) y subida (derecha)
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Especificaciones de tensión y corriente: El siguiente paso en la selección del transformador consiste en determinar los requisitos de corriente y tensión de la carga.
- Si un edificio tiene un suministro de corriente alterna de 240 V y necesita 120 V para los equipos eléctricos, elija un transformador de 240-120 V.
Tome nota: Por lo general, las tensiones primaria y secundaria figuran en las especificaciones del transformador. Pero en casos excepcionales, como un transformador de corriente, se indican en su lugar las corrientes primaria y secundaria.
- VA: Determine la potencia requerida por la carga (VA) al seleccionar un transformador, ya que los transformadores suelen especificarse por sus tensiones primaria y secundaria y sus valores de VA. Determinar estos valores de antemano es necesario para seleccionar el transformador adecuado para la aplicación específica.
Calculadora de carga nominal del transformador
La carga nominal (potencia aparente) de un transformador se mide en VA (voltio-amperio). La potencia nominal representa la cantidad total de potencia que el transformador puede suministrar a la carga. Para calcular la carga nominal necesaria:
- Determina los requisitos de corriente y tensión de la carga.
- Multiplique los valores de corriente de carga en amperios (I) y tensión (V) para obtener los VA (o carga nominal) del transformador.
- Para un transformador monofásico,
- Para un transformador trifásico,
Tome nota: Los transformadores pequeños expresan su potencia en voltios-amperios, pero los transformadores de mayor potencia se expresan en kilovoltios-amperios (kVA) y megavoltios-amperios (MVA). Por lo tanto, VA, kVA y MVA son unidades similares. Por ejemplo, 6 VA equivalen a 0,006 kVA.
Lea nuestros artículos sobre transformadores monofásicos y trifásicos para obtener más información sobre su funcionamiento y diseño.
Capacidad de carga del transformador
La capacidad de carga de un transformador es la cantidad máxima de potencia eléctrica que un transformador puede manejar con seguridad y eficacia sin sobrecalentarse ni causar daños. Por ejemplo, un transformador con una potencia nominal de 200 VA puede manejar 200 voltios a un amperio de corriente o 100 voltios a dos amperios de corriente.
Conociendo el valor VA del transformador, es posible determinar la corriente a través de la carga reordenando la ecuación para VA.
- Obtenga la potencia en VA del transformador.
- Determina la tensión necesaria para la carga.
- Reordena la ecuación para VA para resolver la corriente. Por ejemplo, para un transformador monofásico.
Tome nota: No se recomienda cargar un transformador por encima del 80% de su VA nominal. Después de calcular la VA, divida el valor por 0,8 para obtener la VA mínima necesaria. Un electricista o ingeniero eléctrico debe revisar y confirmar todos los valores por razones de seguridad.
Ejemplo
Calcular la potencia nominal de un transformador monofásico con una tensión de carga de 24 voltios y una corriente de fase de carga máxima de 5 amperios.
La potencia en VA del transformador = (V × I)= (24 × 5) = 120 VA
Dividiendo el VA por 0,8, el VA revisado = 150
Elija un transformador con una potencia en VA de aproximadamente 150 para la carga.
Cálculo de la eficiencia del transformador
El rendimiento de un transformador viene dado por:
Cuando se trata de transformadores, la potencia primaria suele denominarse voltio-amperios (VA) para distinguirla de la secundaria. Por lo tanto, la eficiencia viene dada por:
Los transformadores tienen un alto rendimiento debido a la ausencia de partes móviles. Los transformadores también se denominan máquinas estáticas de corriente alterna. El rendimiento de un transformador de potencia bien diseñado es muy alto, con una media superior al 98%. Las únicas pérdidas se deben a las pérdidas en el núcleo, al mantenimiento del campo magnético alterno, a las pérdidas de resistencia en las bobinas y a la energía utilizada para la refrigeración.
Calculadora de potencia del transformador
Factor de potencia
En un circuito de corriente alterna, el factor de potencia es el coseno de la diferencia de fase entre la tensión y la corriente. El factor de potencia representa la fracción de la potencia nominal (potencia aparente) que consume (potencia real) un circuito.
- PF: Factor de potencia
- 𝛷: La diferencia de fase entre la tensión y la corriente en el circuito
Un factor de potencia bajo significa que se necesita una corriente mayor para suministrar una cantidad determinada de potencia real a la carga, lo que se traduce en mayores pérdidas de energía y menor eficiencia. El factor de potencia también puede ayudar a calcular la potencia total que puede soportar el transformador sin sobrecargarse.
Triángulo de poder
La potencia aparente, la potencia real y la potencia activa pueden representarse en un triángulo rectángulo conocido como triángulo de potencia (Figura 4).
- S: Potencia aparente (potencia nominal) medida en VA
- Q: Potencia reactiva medida en VAR. La potencia reactiva se consume cuando se conecta una carga inductiva como el motor, creando una diferencia de fase entre la tensión y la corriente.
- P: Potencia activa medida en vatios. La potencia activa es la que genera trabajo real.
- 𝛷: La diferencia de fase entre la tensión y la corriente en el circuito
Figura 3: Triángulo de potencia que muestra la potencia activa (P), la potencia aparente (S) y la potencia reactiva (Q) en un circuito magnético.
Utiliza la figura 3 para deducir la relación entre los distintos tipos de potencia en un transformador.
- Potencia reactiva
- Potencia activa
- Potencia aparente
- Factor de potencia
Pérdidas en los transformadores
En un transformador hay múltiples fuentes de pérdidas de potencia.
- Pérdida de cobre: Las pérdidas de cobre se deben a las corrientes que circulan por los devanados de cobre del transformador.
- Pérdida de núcleo (pérdida de hierro): Las pérdidas de hierro se deben a las corrientes parásitas y a la histéresis que se producen en el núcleo debido al flujo alterno.
- Pérdida dieléctrica: La pérdida dieléctrica se observa en el material aislante del transformador. Si el aceite se deteriora o el aislamiento sólido se daña, disminuye la calidad del sistema, afectando a la eficiencia global del transformador.
Cómo reducir las pérdidas de los transformadores
Las diversas pérdidas que se producen en un transformador pueden provocar un sobrecalentamiento del aparato, con los consiguientes daños y una menor vida útil del transformador. Es necesario reducir estas pérdidas para mejorar la eficiencia de los transformadores y garantizar el rendimiento óptimo del sistema eléctrico. Las medidas más comunes son:
- Utilice hilos de cobre más grandes en los devanados del transformador para reducir las pérdidas de cobre.
- Utilice material magnético de alta calidad, como acero al silicio, con la menor área de bucle de histéresis para reducir las pérdidas de hierro o núcleo.
- Apile las chapas finas mientras fabrica el núcleo del transformador; así se reducen las pérdidas por corrientes parásitas.
- Compruebe regularmente el aceite y mantenga la calidad del aislamiento para reducir las pérdidas dieléctricas.
Preguntas frecuentes
¿Cómo dimensionar un transformador?
Para dimensionar un transformador, determine los requisitos de carga del sistema eléctrico en términos de tensión e intensidad y, a continuación, seleccione un transformador con un valor nominal de kVA adecuado en función de los requisitos de carga.
¿Cómo calcular los VA del transformador?
Para calcular el valor nominal en VA (voltios-amperios) de un transformador, hay que calcular el producto de los valores nominales de tensión e intensidad del transformador.
¿Cuáles son los tamaños de los transformadores monofásicos en kVA?
Los tamaños estándar de kVA para transformadores monofásicos son: 1, 1,5, 2, 3, 5, 7,5, 10, 15, 25, 37,5, 50, 75, 100, 167, 200, 250 y 333 (KVA)
¿Es un transformador 100% eficiente?
El rendimiento de un transformador es inferior al 100% debido a los distintos tipos de pérdidas que se producen en el dispositivo, como las pérdidas en el núcleo, en el cobre y en el dieléctrico.
