El transformador real y su circuito equivalente
¿Dónde va la rama de excitación?
Incluso en vacío, con el secundario abierto, por el primario circula una pequeña corriente de excitación. Para que esa corriente circule tiene que cerrar un lazo con la fuente, y si pones la rama de excitación en cada una de las tres posiciones con las pestañas, solo una deja que la corriente de vacío circule como en la realidad. Cuál es y por qué es la pregunta de esta lección.
El flujo no se comparte al 100%
El transformador ideal supone que las dos bobinas comparten el flujo por completo, pero en realidad parte del flujo se escapa por caminos de aire o aceite y se enlaza con una sola bobina. Este flujo de dispersión es proporcional a la corriente de esa bobina, así que aparece como una reactancia de dispersión X en serie, en la que la corriente de carga hace caer tensión. La resistencia R del hilo del devanado se suma en la misma posición en serie.
Magnetizar el núcleo cuesta corriente de excitación
Establecer el flujo requiere corriente, y el flujo alterno además calienta el núcleo con pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas. Ambas existen en vacío con solo aplicar tensión, así que se colocan en derivación entre los terminales del primario. Al agrupar la pérdida en el hierro como una conductancia Gc y la magnetización como una susceptancia Bm se obtiene la admitancia de excitación Y0 = Gc - jBm. La corriente de excitación es solo un pequeño porcentaje de la corriente nominal, y menor aún en transformadores grandes, pero como el núcleo se satura no es senoidal: es una onda deformada con armónicos impares.
Referir el secundario al primario en un solo circuito
Al referir la impedancia del secundario mediante la relación de espiras a como a²Z2, las ramas en serie se juntan en Req = R1 + a²R2 y Xeq = X1 + a²X2. La admitancia de excitación suele ser pequeña, así que un circuito equivalente aproximado con ella movida a los terminales de entrada simplifica el cálculo. La rama en serie representa la pérdida en el cobre y la caída de tensión, y la rama en derivación, la pérdida en el hierro y la corriente de vacío; los valores reales se obtienen midiéndolas por separado, la rama en derivación con un ensayo de vacío con el secundario abierto y la rama en serie con un ensayo de cortocircuito con el secundario en cortocircuito.
De vuelta a la primera pantalla
La única posición en la que la corriente de vacío circuló como en la realidad fue en derivación. Con la rama de excitación en serie, el lazo se corta en cuanto se abre el secundario y la corriente es 0, pero en derivación cierra un lazo con la fuente y queda una pequeña corriente de excitación. Separar los efectos no ideales por posición es justamente el circuito equivalente: la resistencia del devanado y la reactancia de dispersión por las que pasa la corriente de carga van en serie, y la pérdida en el hierro y la corriente de magnetización, sometidas a la tensión y presentes incluso en vacío, van en derivación.
El circuito equivalente es un mecanismo para convertir en números el rendimiento de un transformador. La pérdida en el cobre de la rama en serie y la pérdida en el hierro de la rama en derivación fijan el rendimiento, y la caída de tensión en la impedancia en serie fija la regulación de tensión. La próxima lección usa estas dos pérdidas para calcular directamente la condición de rendimiento máximo y la regulación de tensión (MC-A5). La misma división en serie y derivación se repite en los circuitos equivalentes de las máquinas rotativas.