Transformadores y Pinzas Amperimétricas: Fundamentos, Componentes y Medición Eléctrica

Transformadores Eléctricos: Fundamentos y Componentes

Principio de Funcionamiento

Al aplicar una diferencia de potencial alterna a un bobinado, que llamaremos primario, se establecerá en él una corriente i1, también alterna, la cual producirá un flujo magnético variable. Si colocamos un segundo bobinado, denominado secundario, que concatene dicho flujo, en él se establecerá una fuerza electromotriz (FEM) inducida. Esta FEM será proporcional a la variación de flujo concatenado, según el principio de inducción electromagnética.

Materiales del Núcleo

Los materiales utilizados en el núcleo de los transformadores son cruciales para su rendimiento. A continuación, se detallan algunos de los más comunes:

• Acero: Baja resistividad, buena resistencia mecánica. Permite una inducción máxima de aproximadamente 8 kGauss.
• Acero al Silicio: Mayor resistividad que el acero puro, manteniendo buena resistencia mecánica. Alcanza hasta 10 kGauss.
• Acero al Silicio con Grano Orientado: Ofrece una resistividad aún mayor y excelente resistencia mecánica. Puede llegar a 12 kGauss.
• Ferritas y Cerámicos: Poseen una elevada resistividad, lo que reduce significativamente las corrientes parásitas al ser aislantes eléctricos. Sin embargo, son materiales muy frágiles. Su inducción máxima es de aproximadamente 10 kGauss.

Pérdidas en el Transformador

Las pérdidas de energía en un transformador se clasifican principalmente en dos tipos:

• Pérdidas en el Bobinado (Pérdidas en el Cobre): Se deben al efecto Joule, causado por la resistencia eléctrica de los conductores del bobinado primario y secundario.
• Pérdidas en el Núcleo (Pérdidas en el Hierro): Incluyen:
  • Pérdidas por Histéresis: Relacionadas con la energía necesaria para magnetizar y desmagnetizar el material del núcleo en cada ciclo de corriente alterna. Materiales magnéticamente "más blandos" (con menor área de bucle de histéresis) disminuyen estas pérdidas.
  • Pérdidas por Corrientes Parásitas (o de Foucault): Generadas por corrientes inducidas en el propio material conductor del núcleo.

Corrientes Parásitas (o de Foucault)

Ante la variación del flujo magnético del primario, se produce una fuerza electromotriz (FEM) que se opone a este flujo. Si el material del núcleo es conductor eléctrico, y suponiendo una espira en cortocircuito dentro del núcleo, se generan corrientes circulares (parásitas) en su interior. Estas corrientes, por efecto Joule, producen calor que puede dañar el bobinado y reducir la eficiencia del transformador.

Para reducir las corrientes parásitas, se aplican las siguientes técnicas:

• Laminación del Núcleo: Consiste en construir el núcleo con láminas delgadas de material ferromagnético, aisladas entre sí. Esto reduce el área transversal que atraviesa la corriente parásita, aumentando su resistencia y, por lo tanto, disminuyendo su magnitud.
• Aumento de la Resistividad del Núcleo: Se utilizan materiales con mayor resistividad. Por ejemplo, el acero al silicio puede aumentar la resistividad en aproximadamente un 30% en comparación con el acero puro.
• Uso de Materiales Aislantes Eléctricos: Empleo de materiales como las ferritas, que son aislantes eléctricos, para el núcleo.

Aunque no se "compensan" directamente aumentando la potencia, la reducción de estas pérdidas mejora la eficiencia y permite que el transformador opere a temperaturas más bajas, prolongando su vida útil.

Flujo Disperso

El flujo disperso es la porción del flujo magnético producido en el bobinado primario del transformador que no es concatenado por el bobinado secundario. No se considera una pérdida de energía en el sentido estricto, ya que no se disipa en forma de calor, pero sí afecta el rendimiento del transformador. Su principal efecto es que provoca una variación en la tensión del secundario y hace que la relación de transformación real difiera de la calculada idealmente.

Para minimizar el flujo disperso, se adopta un diseño con núcleo acorazado. Para compensar su efecto en la tensión de salida, se suelen agregar espiras adicionales en el bobinado secundario.

Pinza Amperimétrica: Medición de Corriente

La pinza amperimétrica es un instrumento de medición que permite medir la corriente eléctrica sin necesidad de interrumpir el circuito.

Medición de Corriente Continua (DC)

Las pinzas amperimétricas para corriente continua funcionan basándose en el efecto Hall. Este efecto se produce cuando una corriente circula a través de una placa conductora sumergida en un campo magnético homogéneo. Las cargas eléctricas en movimiento, al entrar en el campo magnético, experimentan una fuerza de Lorentz ortogonal tanto a su velocidad como al campo magnético. Esto provoca una separación de cargas hacia un lado de la placa, generando una diferencia de potencial (voltaje Hall) entre sus lados. Esta diferencia de potencial es medida y es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético, que a su vez es proporcional a la corriente que se desea medir.

Medición de Corriente Alterna (AC)

Las pinzas amperimétricas para corriente alterna funcionan como un transformador de intensidad. Captan el flujo magnético generado por la corriente que circula por el conductor que se desea medir. En este caso, el conductor actúa como el bobinado primario del transformador, y la pinza contiene un bobinado secundario que induce una corriente proporcional a la corriente del conductor, la cual es luego medida.