Regulación De La Tensión Del Transformador - Cambios, Ejemplos Y Carga

La regulación de la tensión del transformador es la relación o el valor porcentual por el que la tensión de los terminales de salida de un transformador varía hacia arriba o hacia abajo de su valor en vacío como resultado de las variaciones de la corriente de carga conectada

Hemos visto en esta serie de turoriales sobre el transformador, que cuando el devanado primario de un transformador se energiza, produce un voltaje y una corriente secundarios en una cantidad determinada por la relación de vueltas del transformador, (TR).

Así que si un transformador monofásico tiene una relación de vueltas de 2:1 y se aplica 240V al devanado primario de alto voltaje, esperaríamos ver un voltaje terminal de salida en el devanado secundario de 120VAC porque hemos asumido que es un transformador ideal.

Sin embargo, en el mundo real esto no siempre es cierto ya que al ser un circuito magnético bobinado, todos los transformadores sufren pérdidas que consisten en pérdidas de cobre I2R y pérdidas en el núcleo magnético que reducirían este valor secundario ideal en unos pocos precensos, por ejemplo 117 VAC, y esto es normal.

Pero también hay otro valor relacionado con los transformadores (y las máquinas eléctricas) que también afecta a este valor de tensión secundaria cuando el transformador está suministrando toda la potencia, y esto se llama "regulación".

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Regulación del voltaje del transformador

La regulación de la tensión de los transformadores monofásicos es el cambio porcentual (o por valor unitario) de la tensión de su terminal secundario en comparación con la tensión original sin carga en condiciones de carga secundaria variables.

En otras palabras, la regulación determina la variación del voltaje del terminal secundario que se produce en el interior del transformador como resultado de las variaciones de la carga conectada a los transformadores, afectando así a su rendimiento y eficiencia si estas pérdidas son elevadas y el voltaje secundario es demasiado bajo.

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Cuando no hay carga conectada al devanado secundario de los transformadores, es decir, sus terminales de salida están abiertos, no hay condición de bucle cerrado, por lo que no hay corriente de carga de salida (IL = 0) y el transformador actúa como un único devanado de alta autoinducción. Nótese que el voltaje secundario sin carga es el resultado del voltaje primario fijo y la relación de vueltas del transformador.

Cargar el devanado secundario con una simple impedancia de carga hace que una corriente secundaria fluya, en cualquier factor de potencia, a través del devanado interno del transformador. Por lo tanto, la tensión cae debido a la resistencia interna de los bobinados y su reactancia de fuga hace que el voltaje de los terminales de salida cambie.

La regulación de la tensión de un transformador cambia entre su tensión de terminal secundaria desde una condición sin carga cuando IL = 0, (circuito abierto) a una condición con carga completa cuando IL = IMAX (corriente máxima) para una tensión primaria constante se da como:

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Regulación de la tensión del transformador como un cambio fraccionario

Nótese que esta regulación de voltaje cuando se expresa como una fracción o cambio de unidad del voltaje terminal sin carga puede definirse de una de dos maneras, regulación de voltaje-abajo, (Regdown) y regulación de voltaje-arriba, (Regup). Es decir, cuando la carga se conecta al terminal de salida secundario, el voltaje del terminal baja, o cuando se retira la carga, el voltaje del terminal secundario sube. Por lo tanto, la regulación del transformador dependerá del valor de tensión que se utiliza como tensión de referencia, con o sin carga.

También podemos expresar la regulación del voltaje del transformador como un cambio porcentual entre la condición sin carga y la condición de carga completa de la siguiente manera:

Regulación de la tensión del transformador como un cambio porcentual

Así, por ejemplo, si un transformador monofásico tiene un voltaje de terminal en circuito abierto sin carga de 100 voltios y el mismo voltaje de terminal cae a 95 voltios en la aplicación de una carga conectada, la regulación del voltaje del transformador sería por lo tanto de 0,05 o 5%, ((100 - 95)/100)*100%).

Por lo tanto, la regulación de la tensión de los transformadores puede expresarse como un valor de cambio unitario o como un valor de cambio porcentual de la tensión en vacío.

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Ejemplo de regulación de la tensión del transformador No1

El devanado primario de un transformador reductor monofásico de 500VA, 10:1, se alimenta de un suministro constante de 240Vrms. Calcule el porcentaje de regulación del transformador cuando se conecta a una impedancia de 1.1

Datos proporcionados: VA = 500, TR = 10:1, VP = 240V, ZS = 1.1, encontrar %Reg.

Por lo tanto, VS(sin carga) = 24 Voltios

Por lo tanto, VS(carga completa) = 23.45 Voltios

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Entonces la regulación del porcentaje de descenso calculado para el transformador se da como: 2,29%, o 2,3% redondeado

Ejemplo de regulación de la tensión del transformador No2

Un transformador monofásico con una regulación de voltaje del 4% tiene un voltaje en el terminal secundario de 115,4 voltios a plena carga. Calcule su voltaje de terminal sin carga cuando la carga se retira.

Entonces podemos ver que un cambio en la carga conectada crea un cambio en el voltaje de los terminales del transformador entre su voltaje "sin carga" y su voltaje "a plena carga" haciendo que la regulación del voltaje del transformador sea una función externa al transformador.

Por lo tanto, cuanto más bajo sea el porcentaje de regulación de voltaje, más estable será el voltaje del terminal secundario del transformador, sin importar el valor de la corriente de carga. Si la carga conectada es puramente resistiva, entonces la caída de voltaje será menor. Por lo tanto, un transformador ideal tendría una regulación de voltaje cero, es decir, VS(carga completa) es igual a VS(sin carga) ya que habría cero pérdidas.

Así que ahora sabemos que la regulación de voltaje de un transformador es la diferencia entre su voltaje de carga completa y el voltaje sin carga hasta su máxima corriente secundaria nominal que puede ser expresada como un ratio o como un valor porcentual (%). ¿Pero por qué el voltaje secundario cambia o cae con los cambios en la corriente de carga.

Transformadores en carga

Cuando un devanado secundario de un transformador suministra una carga, hay pérdidas de hierro magnético dentro del núcleo laminado y pérdidas de cobre debido a la resistividad de sus devanados, y esto es así tanto para el devanado primario como para el secundario.

Estas pérdidas producen una reactancia y una resistencia en el bobinado de los transformadores que proporcionan una trayectoria de impedancia a través de la cual la corriente de salida secundaria, (IS) debe fluir como se muestra.

Como el devanado secundario consta tanto de resistencia como de reactancia, se deduce que debe producirse una caída de tensión interna en los devanados del transformador en una cantidad que depende de la impedancia efectiva y de la corriente de carga que se suministra, tal como establece la Ley de Ohm: V = I*Z.

Entonces podemos ver que a medida que la corriente de carga secundaria aumenta, el voltaje caído dentro de los devanados del transformador también debe aumentar, y para un voltaje de suministro primario constante, el voltaje de salida secundario debe por lo tanto caer.

La impedancia (Z) del devanado secundario es la suma de las fases de su resistencia (R) y de la reactancia de fuga (X) con una caída de tensión diferente producida en cada componente. Entonces podemos definir la impedancia secundaria así como los voltajes en vacío y a plena carga como.

Por lo tanto, el voltaje sin carga de los devanados secundarios se define como:

V_S(no-load)  =  E_S

y su voltaje de carga completa se define como:

V_S(full-load)  =  E_S – I_SR – I_SX

or V_S(full-load)  =  E_S – I_S(R+jX)

∴ V_S(full-load)  =  E_S – I_S*Z

Entonces podemos ver claramente que el devanado de los transformadores consiste en una reactancia en serie con una resistencia, siendo la corriente de carga común a ambos. Como el voltaje y la corriente están en fase para una resistencia, la caída de voltaje a través de la resistencia dada como ISR debe por lo tanto estar "en fase" con la corriente secundaria, IS.

Sin embargo, en un inductor puro que tiene reactancia inductiva, XL la corriente se retrasa 90o, de modo que la caída de voltaje a través de la reactancia dada como ISX conduce la corriente por un ángulo L como su carga inductiva.

Dado que la impedancia, Z del devanado secundario es la suma de las fases de la resistencia y la reactancia, sus ángulos de fase individuales se dan como:

Como V = I*Z, la caída de voltaje a través de la impedancia secundaria se da por lo tanto como:

Vdrop = IS(Rcos + Xcos)

y como VS(carga completa) = VS(sin carga) - Vdrop, la regulación porcentual puede darse como:

Expresión del factor de potencia de retardo

Para una expresión de regulación positiva entre cos() y sin() el voltaje del terminal secundario de los transformadores disminuirá (caerá) indicando un factor de potencia de retardo (carga inductiva).

Para una expresión de regulación negativa entre cos() y sin(), el voltaje del terminal secundario de los transformadores aumentará (subirá) indicando un factor de potencia principal (carga capacitiva).

Por lo tanto, la expresión de la regulación de los transformadores es la misma tanto para las cargas principales como para las secundarias, es sólo el signo que cambia para indicar un aumento o una disminución de la tensión.

Expresión del factor de potencia principal

Por lo tanto, una condición de regulación positiva produce una disminución (caída) de voltaje dentro del devanado secundario mientras que una condición de regulación negativa produce un aumento (subida) de voltaje en el devanado.

Aunque las cargas de factor de potencia principal no son tan comunes como las cargas inductivas (bobinas, solenoides o estranguladores), un transformador que alimente una carga ligera con corrientes bajas puede experimentar una condición capacitiva que provoque un aumento de la tensión en los terminales.

Ejemplo de regulación de la tensión del transformador No3

Un transformador monofásico de 10KVA proporciona un voltaje secundario sin carga de 110 voltios. Si la resistencia equivalente del devanado secundario es 0.015 y su reactancia total es 0.04, determina su regulación de voltaje cuando suministres una carga a 0.85 de retraso del factor de potencia.

Datos proporcionados: VA = 10000, VS(sin carga) = 110V, R = 0.015, X = 0.04, encontrar %Reg.

si cos = 0.85, = cos-1(0.85) = 31.8o ∴ sin = 0.527

La corriente secundaria se define como:

IS = VA/V = 10000/110 = 90.9 Amperios

El porcentaje de regulación de voltaje se da como:

Resumen de la regulación de la tensión del transformador

Hemos visto aquí en este tutorial sobre la Regulación del Voltaje de los Transformadores que cuando un devanado secundario de un transformador está cargado, su voltaje de salida puede cambiar y que este cambio de voltaje puede ser expresado ya sea como una relación, o más comúnmente como un valor porcentual. Con la conexión sin carga no hay corriente secundaria, lo que significa que el voltaje secundario está en su máximo valor.

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Sin embargo, cuando está totalmente cargado, las corrientes secundarias fluyen produciendo pérdidas en el núcleo y pérdidas de cobre en el interior del bobinado. La pérdida del núcleo es una pérdida fija debido al circuito magnético del transformador producido por el voltaje del devanado primario, mientras que la pérdida de cobre del secundario es una pérdida variable que está relacionada con la demanda de corriente de carga conectada al devanado secundario.

Entonces las variaciones de la corriente de carga causarán variaciones en las pérdidas que afectan a la regulación. Cuanto menor sea la regulación del voltaje de los transformadores, menor será la variación del voltaje del terminal secundario con los cambios en la carga, y esto es muy útil tenerlo en los circuitos de suministro de energía regulada.

También dijimos que para un factor de potencia retardado (carga inductiva), el voltaje del terminal secundario disminuirá. Si el transformador suministra un factor de potencia de retardo muy bajo, fluirán grandes corrientes secundarias que darán como resultado una pobre regulación del voltaje debido a mayores caídas de voltaje en el bobinado. Con un factor de potencia de arrastre (carga capacitiva), el voltaje de los terminales de salida aumentará.

Por lo tanto, una regulación positiva produce una caída de voltaje en el bobinado mientras que una regulación negativa produce un aumento de voltaje en el bobinado. Aunque no es posible tener una condición de regulación de voltaje cero (sólo los transformadores ideales), la regulación mínima y, por lo tanto, la máxima eficiencia, generalmente se produce cuando las pérdidas del núcleo del devanado y las pérdidas de cobre son aproximadamente iguales.