¿Por qué no se queman los transformadores de CA?

Estoy marginalmente familiarizado con la forma en que funciona un transformador de CA. Después de ver esta pregunta:

¿Por qué no todos los motores se queman al instante?

Me hizo pensar en lo mismo con los transformadores de CA.

La bobina primaria debe proporcionar muy poca resistencia y, por lo tanto, permitir que fluya mucha corriente. Estoy adivinando que la resistencia viene del campo magnético fluctuante. ¿Es esto correcto? Si es así, supongo que la corriente aumenta cuando se coloca una carga en la bobina secundaria porque el campo magnético no colapsa en la bobina primaria, sino que es utilizada por la bobina secundaria.

Además, ¿significa esto que si se colocara una corriente continua en un transformador que causaría problemas? (es decir, corriente muy alta)

Estoy seguro de que no digo esto correctamente, así que espero que alguien pueda aclararme.

Para resumir mi pregunta, ¿cuál es el comportamiento de la bobina primaria de un transformador (en términos de flujo de corriente) cuando no se coloca carga en la bobina secundaria y qué cambia cuando se coloca una carga en la bobina secundaria?

Andy te dio la clásica respuesta académica a tus preguntas. Todo lo que dijo es correcto, pero dudo que, como principiante, comprenda la mayor parte. Entonces, déjenme probar una explicación simple.

El primario de un transformador es una bobina enrollada alrededor de un núcleo de hierro que puede tomar una de varias formas. Este devanado primario tiene una resistencia muy baja. (Mida la resistencia de un transformador de potencia típico usado en un equipo de banco electrónico con un DMM y encontrará que son solo unos pocos ohmios). Conecte una fuente de voltaje de CC a esto, el resultado es bastante predecible. La fuente de voltaje entregará una corriente tan grande como sea capaz al devanado primario y el transformador se calentará mucho y probablemente se convertirá en humo. Eso, o su suministro de CC quemará un fusible, se quemará o entrará en modo de límite de corriente si está equipado. Por cierto, mientras esta alta corriente fluye, el devanado primario en realidad está produciendo un campo magnético unidireccional en el núcleo del transformador.

Ahora, mida la inductancia del secundario con un medidor LRC. (Es un dispositivo similar al DMM que mide solo inductancia, resistencia y capacitancia: "LRC"). Para un transformador de potencia de 60 Hz, probablemente leerá algunas Henries de inductancia a través de sus cables primarios.

Luego, aplique ese valor "L" a la fórmula para calcular la "reactancia inductiva" (" X L ") del devanado primario donde "f" es la frecuencia principal de CA de 60 Hz para los EE. UU. . La respuesta, X L , está en unidades de ohmios al igual que la resistencia de CC, pero en este caso se trata de "AC ohmios", también conocida como "impedancia".$X_L = 2 \pi f L$$X_L$$X_L$

Luego, aplique este valor de a la "Ley de Ohm" tal como lo haría con una resistencia conectada a una fuente de CC. I = $X_L$$I = \frac{V}{X_L}$. En el caso habitual de EE. UU., Tenemos 120 voltios RMS como V. Ahora verá que la "I" actual es un valor bastante razonable. Probablemente unos cientos de miliamperios ("RMS" también). Es por eso que puede aplicar 120 voltios al transformador descargado y funcionará durante un siglo sin problemas. Estos pocos cientos de miliamperios de corriente primaria, llamada "corriente de excitación", produce calor en la bobina primaria del transformador, pero la mayor parte mecánica del transformador puede manejar esta cantidad de calor por diseño prácticamente para siempre. Sin embargo, como se describió anteriormente, no se necesitaría una fuente de alimentación de 5 V CC, sino unos minutos para quemar este mismo transformador si esa fuente de CC fuera capaz de suministrar una corriente lo suficientemente grande como para conducir con éxito la bobina de CC de bajo R. ¡Ese es el "milagro" de la reactancia inductiva! Eso'

Eso es para el transformador descargado. Ahora, conecte una carga resistiva apropiada a la secundaria. La corriente de excitación descrita anteriormente continuará fluyendo a más o menos la misma magnitud. Pero ahora y corriente adicional fluirá en el primario. Esto se llama "corriente reflejada", la corriente que es "causada" por la carga de resistencia resistiva secundaria que toma corriente del secundario del transformador. La magnitud de esta corriente reflejada está determinada por la relación de espiras del transformador de potencia. La forma más sencilla de determinar la corriente reflejada es utilizar el método "VA" (voltios-amperios). Multiplique el voltaje secundario del transformador por la corriente en amperios que está siendo dibujada por la carga resistiva unida al secundario. (Esto es esencialmente "vatios" - voltios por amperios). El "método VA" dice que el VA del secundario debe ser igual al VA incremental del primario. ("Incremental" en este caso significa "además de la corriente de excitación"). Entonces, si tiene un transformador de potencia CA típico con un primario de 120 VRMS y un secundario de 6 VRMS y conecta una resistencia de 6 Ohmios al secundario, eso La carga de 6 ohmios extraerá 1.0 Amp RMS del secundario. Entonces, el VA secundario = 6 x 1 = 6. Este VA secundario debe ser numéricamente igual al VA primario, donde el voltaje es 120 VRMS. 0 Amp RMS desde el secundario. Entonces, el VA secundario = 6 x 1 = 6. Este VA secundario debe ser numéricamente igual al VA primario, donde el voltaje es 120 VRMS. 0 Amp RMS desde el secundario. Entonces, el VA secundario = 6 x 1 = 6. Este VA secundario debe ser numéricamente igual al VA primario, donde el voltaje es 120 VRMS.
VA primaria = VA secundaria = 6 = 120 x I.
I = 6/120 o solo 50 miliamperios RMS.

Puede verificar la mayor parte de esto usando un simple DMM para medir las corrientes en el primario y secundario en condiciones sin carga y carga. Pruébelo usted mismo, pero tenga cuidado con el primario porque ese 120 VRMS es casi letal. Sin embargo, NO podrá observar directamente la corriente "incremental" en el primario causada al agregar la carga al secundario. ¿Por qué? ¡Esa respuesta no es tan simple! La corriente de excitación y la corriente reflejada están 90 grados fuera de fase. Se "suman", pero se suman de acuerdo con las matemáticas vectoriales, y esa es otra discusión por completo.

Desafortunadamente, la bellamente expresada respuesta de Andy anterior será apenas apreciada a menos que el lector entienda las matemáticas vectoriales tal como se aplica a los circuitos de CA. Espero que mi respuesta, y sus experimentos de verificación, le den una comprensión numérica a nivel del intestino de cómo "funciona" un transformador de potencia.

Supongo que la corriente aumenta cuando se coloca una carga en la bobina secundaria porque el campo magnético no colapsa en la bobina primaria, sino que la utiliza la bobina secundaria.

Suena bien pero no lo es. En términos generales, para un transformador razonablemente eficiente, la magnetización del núcleo es constante en cualquier condición de carga secundaria. El problema es cómo explicarlo sin convencerlo de que el circuito equivalente del transformador (a continuación) no está mal:

Cosas a tener en cuenta: -

• Xm es el 99.9% de la inductancia primaria del transformador
• Xp (inductancia de fuga primaria) constituye el 0.1% final de la inductancia primaria
• Xs y Rs son inductancias de fuga secundarias y resistencia del devanado referidas a las primarias por acción de la relación de espiras al cuadrado.
• Lo que parece un transformador (a la derecha) no debe considerarse como tal: es un convertidor de potencia perfecto y no genera magnetismo en absoluto; es un dispositivo para ayudar a las matemáticas y deseo a los ataúdes que dibujan estas imágenes ¡solo lo mostraría como una caja negra!

Como puede ver, incluso en condiciones de carga pesada, la caída de voltaje de Rp y Xp es pequeña en comparación con un voltaje de CA de entrada y esto significa que el voltaje a través de Xm es bastante constante. Tenga en cuenta que Xm es el único componente que produce magnetismo en el núcleo. No estoy convencido, ¿eh? No te culpo.

Aquí hay otra forma de verlo

La serie de 4 imágenes a continuación intenta demostrar que las contribuciones de flujo de las corrientes de carga tanto primarias como secundarias son iguales y opuestas y, por lo tanto, el flujo se cancela. Muestra un transformador simple 1: 1, pero se aplica igualmente a diferentes relaciones de vueltas porque el flujo es proporcional a las vueltas de amperios y no a los amperios. Mire cada imagen numéricamente a su vez: -

1) Sí, la impedancia de un transformador abierto proviene del campo magnético fluctuante (tratando de cambiar el campo magnético del núcleo)

2) Sí, si se coloca un voltaje de CC en el primario, está en problemas, el transformador podría quemarse. (A menos que esté clasificado para esa corriente, por alguna razón). Perdí la bobina en una motocicleta vieja un par de veces por razones similares: se encendió a la izquierda con el motor apagado, la bobina se quemó y el plástico goteó.

3) Sin carga en el secundario, la corriente a través del primario tiene que pasar por la inductancia muy grande / muy rígida ('inductancia de fuga') de la bobina primaria.

4) Con una carga en el secundario, la corriente secundaria cancela el efecto en el núcleo de la corriente primaria.

Un transformador diseñado para que DC fluya a través de él se llama reactor saturable y se usa como interruptor; es decir, la CC satura el núcleo magnético, por lo que el suministro de CA no puede cambiar el flujo en el núcleo, por lo tanto, el voltaje de CA secundario es cero. Cuando se apaga la corriente de CC, el flujo en el núcleo ahora puede cambiar y se produce la acción normal del transformador, lo que conduce a un voltaje de CA en el secundario.

Un dispositivo similar, pero que se basa en la corriente alterna que satura el núcleo, se llama transformador ferronorresistente. Estos se usaron para estabilizar de manera económica el voltaje secundario de un transformador. Este dispositivo tiene dos secundarios, uno de los cuales está en cortocircuito por un condensador de gran valor, y el otro es el devanado de salida.