La electricidad es un conjunto de fenómenos producidos por el movimiento e
interacción
entre las cargas eléctricas positivas y negativas de los cuerpos físicos.
El área de la electricidad se encarga de la instalación, reparación y
mantenimiento de
cualquier sistema eléctrico (cableado, iluminación, etc.), para lo que se cuenta con
diversas
herramientas y materiales.
¿Qué son los transformadores eléctricos?
Los transformadores son dispositivos de baja potencia para
alimentar circuitos
eléctricos y
dispositivos electrónicos.
Su característica principal es que contienen un entorno cerrado que evita la
propagación del calor y la dispersión de electricidad, haciendo que se mantenga un
bajo nivel de ruido.
DISEÑO DE TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS - Tipo acorazado de 60 Hz
Para diseñar y construir correctamente un transformador tipo acorazado, es fundamental comprender los parámetros eléctricos que definen su funcionamiento. En esta sección aprenderá, de forma clara y progresiva, cómo determinar los valores exactos de voltaje y corriente necesarios para garantizar un rendimiento seguro, eficiente y confiable.
Descripción
Para calcular las dimensiones y valores necesarios, de los materiales que
usaremos para construir un transformador tipo
acorazado es necesario establecer dos datos importantes.
Que son el voltaje, que, vale la aclaracion sera en tipo corriente alterna y la
intensidad de corriente, que se expresa en amperios.
Esto dependen del uso que le daremos, segun la potencia que se requiera
para alimentar los dispositivos electricos o electronicos que podamos diseñar y/o ensamblar.
El transformador que calcularemos para este ejemplo, funciona en una frecuencia de 60 Hercios, tendra un voltaje de entrada de 220 voltios de corriente alterna, un voltaje de salida de 12 voltios de corriente alterna y una intensidad de 3 amperios.
Frecuencia ( f )
Hertz ( Hz )
Voltaje de entrada o primario ( Vp )
Voltaje de salida o secundario ( Vs )
Voltaje de corriente alterna ( VCA )
Intensidad ( I )
Amperios ( A )
Potencia nominal
El primer calculo que realizaremos es la obtención de la potencia nominal del transformador.
La potencia nominal es la potencia electrica máxima que demanda un dispositivo
o maquina eléctrica en condiciones normales.
La potencia eléctrica es la cantidad de energía que se consume o se produce en un
circuito eléctrico por unidad de tiempo. Se mide en vatios (W).
Se obtiene multiplicando el voltaje de salida por el amperaje.
El resultado que se obtiene es en Vatios.
Potencia ( P )
Vatios ( W )
Voltaje de salida o secundario ( Vs )
Voltaje de corriente alterna ( VCA )
Intensidad ( I )
Amperios ( A )
Con este dato, ahora calcularemos la sección del núcleo.
Sección del núcleo
Un transformador esta compuesto por laminas metálicas (chapas), en forma de E y de I.
La sección del núcleo es el área transversal efectiva del material ferromagnético
por donde circula el flujo magnético generado por el devanado primario.
Se suele representar con la letra S.
Sección del núcleo ( S )
Base ( b )
Altura ( h )
Se obtiene multiplicando la constante de la frecuencia de la energía de entrada por la raíz cuadrada de la potencia nominal, es resultado se expresa en Centímetros cuadrados.
La constante de la frecuencia es un valor que se establece segun el valor de los hercios (Hz) de la energia electrica de entrada.
Para una frecuencia de 60 Hz, la constante es 0.903.
Sección del núcleo ( S )
Potencia ( P )
Centímetros cuadrados ( cm2 )
Número de lamina (chapa)
Una vez obtenida la sección del núcleo, se puede calcular el número de lámina o de chapa que se necesitara.
Estos materiales vienen en diferentes medidas. Tomando su parte central para seleccionar el tamaño adecuado, la parte que denominamos como base. Se establece este valor en pulgadas, ya que es en esta unidad en la que se comercializa habitualmente.
Aquí tenemos una lista de medidas y su equivalencias para poder elegir el tamaño adecuado:
Pulgadas ( " )
Centímetros ( cm )
Base ( b )
Para estimar el número de lámina o de chapa, calculamos la raíz cuadrada de la sección
del núcleo.
El resultado se da en Centímetros.
Número ( N° )
Centímetros ( cm )
Buscaremos en la lista de laminas o chapas, el valor más cercano al resultado obtenido, esto representara el valor de la base del transformador.
Base ( b )
Centímetros ( cm )
Como vemos la placa correspondiente para los valores del transformador calculado para este ejemplo es de 2.45 cm, equivalente a laminas de base de 1" (una pulgada).
Ya que tenemos la medida de la base, tenemos que obtener la medida de la
altura para poder ensamblar la sección del núcleo.
La altura se obtiene dividiendo la sección del núcleo entre la
base.
Sección del núcleo ( S )
Altura del núcleo ( h )
Base ( b )
Número de espiras en las bobinas primaria y secundaria
En un transformador eléctrico, la bobina (también llamada devanado) cumple una
función de permitir la transferencia de energía eléctrica entre dos circuitos mediante
inducción
electromagnética, sin que exista conexión eléctrica directa entre ellos.
La bobina primaria crea el campo electro magnético, la bobina secundaria
recibe el campo
inducido, el núcleo guía y concentra ese campo.
El número de espiras (vueltas) en cada bobina y el diámetro del alambre de cobre, define la
relación de transformación.
Ahora calcularemos el número de espiras en cada una de estas bobinas, según los voltajes
requeridos.
Número de espiras en la bobina primaria
Las vueltas en la bobina primaria se calculan según la siguiente fórmula simplificada.
La constante 37.53 aparece en el cálculo práctico del número de espiras del devanado primario de un transformador de baja frecuencia (50/60 Hz) y no es un número arbitrario. Es una constante de diseño que agrupa varios factores físicos y de conversión de unidades.
Número espiras bobina primaria ( Nebp )
Voltaje de entrada o primario ( Vp )
Constante ( 37.53 )
Sección del núcleo ( S )
Número de espiras en la bobina secundaria
Las vueltas en la bobina secundaria se obtienen multiplicando el voltaje de salida por el número de espiras en la bobina primaria dividiéndolo con el voltaje primario, a este resultado se le suma un porcentaje para compensar la caída de voltaje en la bobina secundaria, que se da según el tamaño del transformador. Para obtener el valor adecuado consultaremos una tabla y tomando como base la potencia encontraremos el porcentaje indicado.
El % de espiras representa la cantidad adicional de vueltas que se deben agregar
al
devanado para compensar pérdidas reales, como:
Pérdidas en el núcleo (histéresis y corrientes parásitas), caídas de tensión bajo carga,
saturación magnética, eficiencia real del transformador, calidad y sección del núcleo.
En la práctica, a mayor potencia, el transformador es más eficiente y requiere menor porcentaje
de espiras adicionales.
Obtendremos este valor de la siguiente tabla, segun la potencia del transformador:
Número espiras bobina secundaria ( Nebs )
Voltaje de salida o secundario ( Vs )
Número espiras bobina primaria ( Nebp )
Voltaje de entrada o primario ( Vp )
Porcentaje sumatoria de espiras ( % espiras )
Intensidades máximas
Las intensidades máximas en el cálculo de un transformador eléctrico, vienen a ser
valores máximos admisibles.
Sirven para dimensionar correctamente los devanados, garantizando la seguridad térmica, y
asegurando que el transformador entregue su potencia nominal sin sobrecalentarse ni degradarse.
Desde el punto de vista técnico, son un parámetro crítico de diseño.
Las intensidades . Se obtienen dividiendo la potencia entre el voltaje, según corresponda a cada bobina.
Intensidad máxima bobina primaria ( I.max.p. )
Intensidad máxima bobina secundaria ( I.max.s.
)
Potencia nominal del transformador ( P )
Voltaje de entrada o primario ( Vp )
Voltaje de salida o secundario ( Vs )
Cálculo de la sección de alambre
La sección del alambre, tambien conocido como calibre o diámetro del alambre
es, de forma sencilla, qué tan grueso o delgado es un
alambre.
Un alambre grueso deja pasar más corriente sin calentarse, mientras que un alambre delgado
solo puede conducir poca corriente y se calienta más rápido.
Para calcular la seccion del alambre, se utiliza directamente la intensidad o corriente eléctrica que es la cantidad de electrones en desplazamiento. Por lo tanto, el conductor es directamente proporcional a la intensidad. Entonces para obtener la sección del conductor de cada bobina dividiremos las intensidades máximas de cada una con la densidad de la corriente.
El valor de la densidad de la corriente lo que obtendremos de una tabla, según la potencia del transformador.
Sección del alambre bobina primaria ( Scu.p. )
Sección del alambre bobina secundaria ( Scu.s.
)
Densidad de la corriente ( J )
Intensidad máxima bobina primaria ( I.max.p. )
Intensidad máxima bobina secundaria ( I.max.s.
)
Milimetros cuadrados ( mm2 )
Para encontrar el diámetro del alambre que usaremos en cada bobina, usaremos el resultado de las secciones de alambre, que al ser obtenido en milímetros cuadrados, podremos buscarlo en la siguiente tabla.
| Número de galga | Sección (mm²) |
|---|---|
| 44 | 0.0020 |
| 43 | 0.0025 |
| 42 | 0.0030 |
| 41 | 0.0040 |
| 40 | 0.0050 |
| 39 | 0.0063 |
| 38 | 0.0080 |
| 37 | 0.0100 |
| 36 | 0.0127 |
| 35 | 0.0160 |
| 34 | 0.0201 |
| 33 | 0.0254 |
| 32 | 0.0320 |
| 31 | 0.0404 |
| 30 | 0.0509 |
| 29 | 0.0642 |
| 28 | 0.0810 |
| 27 | 0.1020 |
| 26 | 0.1290 |
| 25 | 0.1620 |
| 24 | 0.2050 |
| 23 | 0.2580 |
| 22 | 0.3260 |
| 21 | 0.4110 |
| 20 | 0.5180 |
| 19 | 0.6530 |
| 18 | 0.8230 |
| 17 | 1.0380 |
| 16 | 1.3090 |
| 15 | 1.6500 |
| 14 | 2.0810 |
| 13 | 2.6240 |
| 12 | 3.3090 |
| 11 | 4.1720 |
| 10 | 5.2620 |
| 9 | 6.6340 |
| 8 | 8.3660 |
| 7 | 10.550 |
| 6 | 13.300 |
| 5 | 16.770 |
| 4 | 21.150 |
| 3 | 26.670 |
| 2 | 33.630 |
| 1 | 42.410 |
| 0 | 53.580 |
| 00 | 67.430 |
| 000 | 85.030 |
| 0000 | 107.20 |
Sección del alambre bobina primaria ( Scu.p. )
Sección del alambre bobina secundaria ( Scu.s.
)
Milimetros cuadrados ( mm2 )
Cálculo de la sección de alambre
La sección del alambre, tambien conocido como calibre o diámetro del alambre
es, de forma sencilla, qué tan grueso o delgado es un
alambre.
Un alambre grueso deja pasar más corriente sin calentarse, mientras que un alambre delgado
solo puede conducir poca corriente y se calienta más rápido.
Para calcular la seccion del alambre, se utiliza directamente la intensidad o corriente eléctrica que es la cantidad de electrones en desplazamiento. Por lo tanto, el conductor es directamente proporcional a la intensidad. Entonces para obtener la sección del conductor de cada bobina dividiremos las intensidades máximas de cada una con la densidad de la corriente.
El valor de la densidad de la corriente lo que obtendremos de una tabla, según la potencia del transformador.
Sección del alambre bobina primaria ( Scu.p. )
Sección del alambre bobina secundaria ( Scu.s.
)
Densidad de la corriente ( J )
Intensidad máxima bobina primaria ( I.max.p. )
Intensidad máxima bobina secundaria ( I.max.s.
)
Milimetros cuadrados ( mm2 )
Para encontrar el diámetro del alambre que usaremos en cada bobina, usaremos el resultado de las secciones de alambre, que al ser obtenido en milímetros cuadrados, podremos buscarlo en la siguiente tabla.
| Número de galga | Sección (mm²) |
|---|---|
| 44 | 0.0020 |
| 43 | 0.0025 |
| 42 | 0.0030 |
| 41 | 0.0040 |
| 40 | 0.0050 |
| 39 | 0.0063 |
| 38 | 0.0080 |
| 37 | 0.0100 |
| 36 | 0.0127 |
| 35 | 0.0160 |
| 34 | 0.0201 |
| 33 | 0.0254 |
| 32 | 0.0320 |
| 31 | 0.0404 |
| 30 | 0.0509 |
| 29 | 0.0642 |
| 28 | 0.0810 |
| 27 | 0.1020 |
| 26 | 0.1290 |
| 25 | 0.1620 |
| 24 | 0.2050 |
| 23 | 0.2580 |
| 22 | 0.3260 |
| 21 | 0.4110 |
| 20 | 0.5180 |
| 19 | 0.6530 |
| 18 | 0.8230 |
| 17 | 1.0380 |
| 16 | 1.3090 |
| 15 | 1.6500 |
| 14 | 2.0810 |
| 13 | 2.6240 |
| 12 | 3.3090 |
| 11 | 4.1720 |
| 10 | 5.2620 |
| 9 | 6.6340 |
| 8 | 8.3660 |
| 7 | 10.550 |
| 6 | 13.300 |
| 5 | 16.770 |
| 4 | 21.150 |
| 3 | 26.670 |
| 2 | 33.630 |
| 1 | 42.410 |
| 0 | 53.580 |
| 00 | 67.430 |
| 000 | 85.030 |
| 0000 | 107.20 |
Sección del alambre bobina primaria ( Scu.p. )
Sección del alambre bobina secundaria ( Scu.s.
)
Milimetros cuadrados ( mm2 )
Longitud del alambre
Una vez que hemos obtenido el número de alambre para cada bobina, tenemos que saber la longitud que necesitaremos de cada uno, es decir la cantidad de metros que necesitamos para cumplir las vueltas de cada bobina.
Para esto necesitamos el valor del perímetro promedio, que se calcula con la siguiente fórmula, siendo el resultado en centímetros:
Perímetro promedio ( Pm )
Base ( b )
Altura ( h )
Centimetros ( cm )
Con este dato, podemos calcular las longitudes de los alambres que usaremos en cada bobina, empleando las siguientes fórmulas:
Longitud del alambre bobina primaria ( Lbp )
Longitud del alambre bobina secundaria ( Lbs )
Perímetro promedio ( Pm )
Número espiras bobina primaria ( Nebp )
Número espiras bobina secundaria ( Nebs )
Centímetros ( cm )
Los resultados de la longitud del alambre se dan en centímetros, pero necesitamos estos valores en metros, por lo que haremos una conversión de unidades, que es muy sencilla:
Longitud del alambre bobina primaria ( Lbp )
Longitud del alambre bobina secundaria ( Lbs )
Metros ( m )
Centímetros ( cm )
Peso del alambre
Finalmente, para completar el diseño del transformador eléctrico, necesitamos conocer el peso del alambre que usaremos en cada bobina. Esto es importante para determinar el costo total del material y para asegurar que el transformador tenga la resistencia mecánica adecuada.
Para obtener el peso del alambre, simplemente multiplicaremos la longitud del alambre de cada bobina por el valor en gramos por metro. Se calcula con la ayuda de la tabla de valores del cobre, primero se ubica el número de alambre en la tabla, luego en la columna peso ( g * m ) ubicamos el valor correspondiente en gramos por metro.
| Número de galga | Peso ( g * m ) |
|---|---|
| 44 | 0.017 |
| 43 | 0.022 |
| 42 | 0.028 |
| 41 | 0.035 |
| 40 | 0.045 |
| 39 | 0.056 |
| 38 | 0.071 |
| 37 | 0.089 |
| 36 | 0.112 |
| 35 | 0.142 |
| 34 | 0.180 |
| 33 | 0.226 |
| 32 | 0.285 |
| 31 | 0.359 |
| 30 | 0.453 |
| 29 | 0.571 |
| 28 | 0.720 |
| 27 | 0.908 |
| 26 | 1.145 |
| 25 | 1.443 |
| 24 | 1.820 |
| 23 | 2.295 |
| 22 | 2.894 |
| 21 | 3.649 |
| 20 | 4.602 |
| 19 | 5.802 |
| 18 | 7.317 |
| 17 | 9.226 |
| 16 | 11.63 |
| 15 | 14.67 |
| 14 | 18.50 |
| 13 | 23.33 |
| 12 | 29.42 |
| 11 | 37.09 |
| 10 | 46.77 |
| 9 | 58.98 |
| 8 | 74.37 |
| 7 | 93.78 |
| 6 | 118.3 |
| 5 | 149.1 |
| 4 | 188.0 |
| 3 | 237.1 |
| 2 | 299.0 |
| 1 | 377.0 |
| 0 | 475.4 |
| 00 | 599.5 |
| 000 | 755.9 |
| 0000 | 953.2 |
Longitud del alambre ( l )
Longitud del alambre bobina primaria ( Lbp )
Longitud del alambre bobina secundaria ( Lbs )
Gramos ( g )
Gramos por metro ( g * m )
El resultado del peso se redondea hacia arriba, para darle un margen de seguridad, debido a que compraremos el material por gramos, siendo este la forma en que lo comercializan en las tiendas especializadas.
Después de todos estos cálculos, estos son los valores que necesitamos para construir nuestro transformador eléctrico acorazado de 60 Hz.
NOTA: Enrollar el alambre en las dos bobinas siguiendo el mismo sentido; devanando en primer lugar la bobina primaria y sobre esta la bobina secundaria.
Video-Tutorial
CÁLCULO DIGITAL
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Bobinado de transformadores
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