Comprendiendo los Transformadores Eléctricos: Eficiencia y Aplicaciones Prácticas

El orador saluda al público e introduce el tema del experimento del día sobre transformadores. El experimento es parte del curso académico y se centrará en los aspectos prácticos de los transformadores eléctricos.

Transformadores eléctricos se destacan como máquinas altamente precisas, eficientes y con requisitos mínimos de mantenimiento. Se clasifican como máquinas estáticas, a diferencia de las máquinas rotativas como los motores. Los transformadores desempeñan un papel crucial en la conversión eficiente de energía eléctrica.

Transformadores consisten en dos bobinas o devanados que convierten la energía eléctrica en un campo magnético. Este campo magnético, al pasar a través de un núcleo, induce una corriente en la bobina secundaria, transformándola de nuevo en energía eléctrica. La demostración incluye un módulo de transformador simple con dos devanados y un núcleo.

El transformador experimental tiene un devanado con 300 vueltas y otro con 75 vueltas. El devanado de alambre más grueso puede manejar hasta 15 amperios, con una resistencia baja de 0.08 Ohmios. El devanado de alambre más delgado tiene 300 vueltas, soporta hasta 4 amperios y tiene una resistencia de 0.82 Ohmios. La inductancia del devanado de alambre más delgado es significativamente mayor debido a su mayor número de vueltas.

El orador presenta una fuente de alimentación experimental con niveles de voltaje ajustables. La fuente puede suministrar 0-20V DC y 0-25V AC, con una corriente máxima de 12A, lo que equivale a una potencia de salida de 300W.

La discusión se centra en el equipo de medición analógico, descrito como complejo para analizar variables y seleccionar sondas con características específicas. El equipo es crucial para comprender y medir parámetros eléctricos.

El orador explica el concepto de relación de transformación del transformador, definida como la relación entre vueltas primarias y vueltas secundarias. La relación es proporcional al voltaje, con cada vuelta correspondiente a un voltio. Las vueltas primarias y secundarias dependen de la función del transformador, ya sea como un transformador elevador o reductor.

El orador calcula las vueltas del transformador para una configuración de transformador elevador. El lado primario tiene 75 vueltas, mientras que el lado secundario tiene 300 vueltas. Esta configuración indica un transformador elevador.

El orador determina el voltaje de entrada para la configuración del transformador. Con un voltaje inicial de 7V en el lado primario, la relación de transformación de 1:4 resulta en un voltaje de entrada de 7V para el transformador.

Usando la relación de vueltas del transformador de 1:4 y el voltaje de entrada de 7V, el altavoz calcula el voltaje de salida para el transformador. El cálculo implica las vueltas primarias y secundarias para determinar el voltaje de salida final.

El orador explica el proceso de cálculo para determinar el valor de BS. Dividen 75 entre 4, lo que resulta en un valor de 7. Al sustituir este valor en la fórmula, calculan BS como 7 * 4 = 28 V, que sirve como el valor de referencia para futuras mediciones.

Pasando al proceso de verificación del equipo, el orador verifica si la fuente de alimentación está funcionando probando la corriente alterna. Utilizan un probador para verificar la corriente y luego proceden a determinar un nivel de voltaje aceptable, estableciendo en 25 V para precisión en la medición.

El orador enfatiza la importancia de la precisión en la medición de voltaje al elegir trabajar con un rango de 25 V en lugar de 75 V. Explican que trabajar más cerca del valor real proporciona resultados más precisos, aunque pueda requerir más esfuerzo.

El orador demuestra la prueba de un transformador conectando cables al bobinado primario y energizando el sistema. Explican que la electricidad puede no estar visiblemente presente sin una carga conectada, resaltando la necesidad de entender los signos sutiles de actividad eléctrica.

El orador discute la medición de voltaje, centrándose específicamente en un punto de referencia en la parte inferior de la pantalla. Mencionan divisiones en la pantalla, donde cada grupo de divisiones representa 2.5 voltios. El orador identifica una línea en 27.5 voltios y demuestra cómo ajustar el voltaje quitando un cable y usando terminales para medir el voltaje.

El orador demuestra el electromagnetismo moviendo un núcleo y observando el efecto de un campo magnético en los niveles de voltaje. Explican cómo el núcleo se comporta como un electroimán, produciendo un sonido similar al de una cortadora de cabello. El orador retira el núcleo, mostrando que incluso en un espacio abierto, el efecto del electromagnetismo persiste.

El orador discute el magnetismo residual en el núcleo, señalando que incluso después de realinear el núcleo, queda algo de magnetismo residual. Hacen hincapié en la importancia de abordar fallas técnicas en ingeniería, resaltando la necesidad de considerar variables operativas antes de determinar si hay un problema técnico.

El orador encuentra una discrepancia en la medición de voltaje, notando que el valor esperado es de 28 voltios pero mide solo 7.5 voltios. Expresan la necesidad de analizar el equipo más a fondo para entender por qué no se está obteniendo el voltaje esperado.

El altavoz está experimentando un error de medición de voltaje, donde la lectura es solo alrededor de cinco voltios en lugar del valor esperado. Este error se atribuye a un fenómeno conocido como errores aferentes, que ocurren cuando el equipo tiene una capacidad limitada para proporcionar lecturas precisas. Al ajustar el ajuste de rango de 25 a 75 voltios, el altavoz intenta mejorar la precisión de la medición pero aún obtiene una lectura de aproximadamente 28 voltios.

La discusión se centra en los tipos y aplicaciones de transformadores, enfocándose específicamente en los transformadores elevadores y reductores. Los transformadores elevadores, como los utilizados en la generación de energía en la represa de Guri en Venezuela, aumentan los niveles de voltaje de 18,000 voltios a valores más altos para la transmisión. En contraste, los transformadores reductores disminuyen los niveles de voltaje para la distribución, como reducir de 800,000 voltios a 400,000 voltios para el consumo local. El orador explica el papel de los autotransformadores en la obtención de reducciones de voltaje intermedias y destaca las diversas aplicaciones de los transformadores en diversas industrias, desde equipos de audio hasta cargadores de teléfonos.

En la discusión, se destacó que a lo largo de una larga distancia de aproximadamente 100 km de un punto a otro, como de aquí a Carora, se produce una caída de voltaje debido a la resistencia en las líneas de energía. Para abordar este problema, se coloca estratégicamente una subestación de compensación, que inicialmente recibe 24,000 V pero debido a la distancia, el voltaje cae a 18,000 V. La subestación luego aumenta el voltaje de nuevo a 28,000 V para asegurar que cuando llegue a su destino, el voltaje esté más cerca de los originales 24,000 V. Este proceso demuestra el uso de transformadores de voltaje para compensar las pérdidas de voltaje en la transmisión de energía.

La discusión se adentró en el escenario de usar un transformador de reducción, donde el objetivo principal es reducir el voltaje de 300 V a 75 V. Aplicando la fórmula de la relación del transformador, se determinó que con 300 vueltas en el primario y 75 vueltas en el secundario, la relación de voltaje se reduce en un factor de 4. Esta reducción resulta en un voltaje secundario de 5 V, mostrando la aplicación práctica de las relaciones de transformador en escenarios de reducción de voltaje.

Un concepto clave discutido fue la conservación de la potencia en transformadores, enfatizando que la potencia de entrada debe ser igual a la potencia de salida. Este principio fue ilustrado a través de la fórmula P = VI, donde la potencia de entrada (voltaje y corriente en el lado primario) debe ser igual a la potencia de salida (voltaje y corriente en el lado secundario). Al mantener el equilibrio de potencia, los transformadores aseguran una transferencia de energía eficiente sin pérdidas, mostrando el principio fundamental de conservación de potencia en sistemas eléctricos.

La conversación profundizó en la importancia de la eficiencia de los transformadores y su papel en la reducción de pérdidas de energía. Se explicó que los transformadores operan en el principio de reducir las pérdidas al disminuir el voltaje para la transmisión a través de líneas de energía más delgadas y luego aumentarlo de nuevo para la distribución en niveles de voltaje más bajos. Este proceso ayuda a minimizar el desperdicio de energía y mejora la eficiencia del sistema al utilizar conductores más gruesos para niveles de voltaje más bajos, mejorando en última instancia el rendimiento general y la efectividad del sistema de transmisión de energía.

La eficiencia del transformador es un aspecto crucial de su rendimiento. La eficiencia se determina por la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada, multiplicada por 100%. Sin embargo, la potencia de salida siempre es menor que la potencia de entrada debido a las pérdidas en el sistema, como la dispersión del flujo magnético, la resistencia en los conductores y las pérdidas por histéresis. Un buen transformador típicamente tiene una eficiencia por encima del 95%.

En comparación con los motores que convierten la energía eléctrica en energía mecánica, los transformadores muestran una eficiencia más alta. Mientras que un motor puede perder alrededor del 20% de la energía que recibe, un transformador con devanados de cobre puede tener pérdidas tan bajas como el 5%. El uso de devanados de aluminio en los transformadores, aunque rentable, puede provocar fallas en el equipo y complicar su correcto funcionamiento.

Para verificar el rendimiento del circuito, es necesario que se cumplan valores específicos de voltaje en la entrada y salida. Al probar cuidadosamente el circuito con un probador y una fuente de alimentación, asegurando que se mantengan los niveles de voltaje correctos, y observando el comportamiento del sistema durante la operación, los ingenieros pueden validar la funcionalidad del circuito y su cumplimiento con las especificaciones de diseño.

Al realizar mediciones, es esencial seguir un procedimiento sistemático. Esto incluye conectar el equipo correctamente, energizar el circuito de manera segura y observar las lecturas con precisión. Al adherirse a técnicas de medición adecuadas, los ingenieros pueden garantizar una recopilación de datos precisa y resultados confiables.

El orador mide el voltaje del transformador, obteniendo inicialmente un valor de 7.5. Al cambiar la escala, la lectura aumenta a 4.5, que se refina a 4.75. El orador discute la precisión de la medición, señalando experiencias pasadas donde los valores fueron más precisos debido a sesiones prácticas en persona.

El orador calcula la potencia, indicando que el voltaje medido es de 4.75 V. Suponen una potencia de carga de 300 W y proceden a determinar el voltaje y corriente primarios necesarios para la ecuación de potencia. Los valores de resistencia para los lados primario y secundario del transformador se especifican como 0.08 Ohm y 0.8 Ohm respectivamente.

El orador analiza la carga del transformador, considerando una carga de 300 W que debe ser suministrada por el sistema. Discuten la capacidad del transformador para manejar una sobrecarga del 20% de su capacidad nominal durante 8 horas al día, con solo una reducción del 1% en la eficiencia. El voltaje primario está establecido en 20 V, mientras que el voltaje secundario medido es de 4.75 V.

El cálculo de potencia primario implica determinar la salida de 20 V desde el lado primario, con un valor de corriente primaria (I) de 15 A. Este paso inicial sienta las bases para cálculos adicionales en el experimento del transformador.

Al pasar al lado secundario, el cálculo de potencia implica considerar una carga de 300 W. La potencia secundaria se calcula multiplicando el voltaje secundario (B) por la corriente secundaria (I), siendo B de 4.75 V. Este paso es crucial para ajustar los valores de voltaje para el funcionamiento eficiente del equipo.

Para determinar la eficiencia del transformador, es necesario calcular las pérdidas en ambos lados, primario y secundario. Las pérdidas primarias se calculan como I^2 * R_primario, mientras que las pérdidas secundarias se calculan como I^2 * R_secundario. Estos cálculos son esenciales para evaluar la eficiencia general del transformador.

La eficiencia general del transformador se determina restando las pérdidas de la potencia de entrada. Este cálculo implica restar la suma de las pérdidas primarias y secundarias de la potencia de entrada, luego dividir por la potencia de entrada y multiplicar por 100% para obtener el porcentaje de eficiencia.