La función principal de un núcleo en un transformador es proporcionar una ruta magnética que une los devanados primario y secundario. Su alta permeabilidad permite cambiar el flujo magnético para seguir este camino con relativamente poca corriente magnetizante. Esto favorece un acoplamiento magnético eficaz entre los devanados. El material y la construcción del núcleo también influyen en las pérdidas de energía, por lo que su función consiste tanto en guiar el flujo magnético como en limitar el calor producido durante el funcionamiento.
¿Cómo vincula el núcleo los devanados primario y secundario?
Cuando se aplica un voltaje alterno al devanado primario, se desarrolla un flujo magnético cambiante en el núcleo. Este flujo también conecta el devanado secundario, induciendo un voltaje a través de sus terminales. Cuando una carga completa el circuito secundario, la corriente puede fluir y se entrega energía eléctrica a esa carga.
El núcleo proporciona un camino magnético compartido a través de las regiones rodeadas por ambos devanados. Sus ramas y yugos forman el circuito magnético principal, lo que ayuda a concentrar el flujo donde puede conectar las bobinas. Esta relación se llama acoplamiento magnético..
Como se explica en Según la explicación de OpenStax sobre el funcionamiento del transformador , el cambio de flujo compartido por los devanados induce sus voltajes. En un transformador ideal, la relación de voltaje es igual a la relación de vueltas. El núcleo permite un acoplamiento eficaz; el número de vueltas establece si el voltaje aumenta o disminuye.
Por ejemplo, un transformador ideal con el doble de vueltas secundarias que primarias produce un voltaje secundario dos veces su voltaje primario. El núcleo no crea energía adicional. Los transformadores reales también tienen pérdidas, por lo que su potencia de salida es menor que su potencia de entrada.
Los devanados permanecen eléctricamente aislados del núcleo. Por lo tanto, la transferencia de energía entre devanados separados se basa en la inducción electromagnética en lugar de una conexión conductora a través del metal. Parte del flujo aún no logra unir ambos devanados; esto se llama flujo de fuga y la disposición del devanado también lo afecta.
¿Por qué es importante una trayectoria magnética de baja reluctancia?
La reluctancia magnética describe con qué fuerza una trayectoria magnética se opone al establecimiento del flujo magnético. Una trayectoria de baja reluctancia permite que se desarrolle el flujo requerido con menos esfuerzo de magnetización. Es una propiedad magnética, distinta de la resistencia eléctrica que se opone a la corriente en un cable.
Los materiales del núcleo, como el acero eléctrico, tienen una permeabilidad magnética mucho mayor que el aire. La permeabilidad describe la facilidad con la que un material responde a un campo magnetizante. Por lo tanto, el uso de un núcleo adecuado reduce la reluctancia magnética en comparación con un recorrido equivalente a través del aire.
El beneficio práctico es una corriente magnetizante más baja : el componente de la corriente primaria necesaria para establecer el flujo magnético alterno. Esta corriente es necesaria incluso cuando el circuito secundario está abierto y no llega energía a la carga.
Para un transformador alimentado a una tensión y frecuencia sinusoidales fijas, con un número fijo de vueltas primarias, el flujo requerido está aproximadamente establecido por esas condiciones. Una mayor permeabilidad reduce principalmente la corriente magnetizante necesaria para establecer ese flujo. No eleva automáticamente el voltaje secundario.
La geometría del núcleo y las uniones también son importantes. Los espacios no deseados aumentan la reluctancia magnética y pueden aumentar la corriente magnetizante. Por lo tanto, las propiedades del material y una trayectoria magnética bien estructurada deben trabajar juntas.
Un núcleo real consume algo de energía en forma de calor durante la magnetización repetida. Dos mecanismos principales son la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes parásitas . Comprender sus diferencias explica por qué los núcleos de los transformadores utilizan materiales magnéticos seleccionados y métodos de construcción específicos.
La pérdida por histéresis se produce cuando la magnetización del material se invierte repetidamente con el flujo alterno. Los materiales magnéticamente blandos con un bucle de histéresis estrecho reducen la energía disipada durante cada ciclo. El procesamiento de materiales también afecta este comportamiento.
La pérdida por corrientes parásitas se produce porque el cambio de flujo induce la circulación de corrientes eléctricas dentro de un núcleo conductor. Estas corrientes generan calor. Las delgadas láminas de acero, aisladas eléctricamente entre sí, limitan su recorrido y reducen las pérdidas asociadas en comparación con un bloque de acero macizo.
En transformadores de potencia y distribución, Núcleos CRGO y Los núcleos amorfos ofrecen diferentes características de pérdida. Su rendimiento debe evaluarse a la frecuencia y densidad de flujo magnético previstas.
La laminación aborda principalmente las corrientes parásitas ; No debe describirse como el principal remedio para la pérdida de histéresis. Las menores pérdidas en el núcleo reducen el desperdicio de energía y el calor que el sistema de enfriamiento debe eliminar.
Preguntas frecuentes
¿El núcleo consume energía cuando no hay carga conectada?
Sí. Un transformador energizado todavía tiene un flujo central alterno cuando su secundario está abierto. Por lo tanto, la histéresis y las corrientes parásitas continúan produciendo pérdidas, contribuyendo a su consumo de energía sin carga.
¿Son las pérdidas del núcleo lo mismo que las pérdidas del cobre?
No. En el material magnético se producen pérdidas en el núcleo. Las pérdidas del cobre son calentamiento resistivo en los devanados y aumentan con el cuadrado de la corriente del devanado cuando la resistencia es constante.
¿Una mayor permeabilidad siempre significa una mayor eficiencia?
No. Una mayor permeabilidad puede reducir la corriente magnetizante, pero la eficiencia también depende de las pérdidas del núcleo, la resistencia del devanado y las condiciones de funcionamiento. La permeabilidad por sí sola no puede establecer la eficiencia total del transformador.
Un núcleo de transformador eficaz combina una trayectoria magnética adecuada con pérdidas controladas. Ambos son necesarios para un funcionamiento eficiente.
