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Regulación de voltaje del transformador: fórmulas y ejemplos
¿Qué es la regulación de voltaje?
La regulación del voltaje del transformador se expresa como la relación (%) de la diferencia entre el voltaje de salida sin carga y el voltaje de salida con carga completa del transformador y el voltaje de salida con carga completa.
En otras palabras, la regulación del voltaje del transformador es una medida para proporcionar un voltaje de salida constante a varias corrientes de carga.
En pocas palabras, el cambio en la magnitud de los voltajes de entrada y salida de un transformador se conoce como regulación de voltaje. En otras palabras, el cambio en el voltaje del terminal secundario de un transformador de sin carga a plena carga en relación con el voltaje sin carga se conoce como “regulación de voltaje”.
Matemáticamente, la variación de voltaje se expresa como:
Regulación de voltaje del devanado primario de un transformador
dónde:
- imagen1 = tensión del terminal primario sin carga
- Ⅴ1 = tensión del terminal primario a plena carga
- imagen2 = tensión del terminal secundario sin carga
- Ⅴ2 = voltaje terminal secundario a plena carga
Los transformadores generalmente proporcionan un voltaje de salida más alto sin carga que cuando el transformador está completamente cargado, de acuerdo con la capacidad nominal de los datos de la placa de identificación del transformador. Dicho de otra manera, bajo carga, el voltaje de salida del transformador caerá ligeramente.
El transformador de potencia debe proporcionar un voltaje de salida constante (ideal, ya que no es posible en la práctica). Por lo tanto, la mejor opción es tener la menor variación de voltaje de salida posible a diferentes corrientes de carga. En este escenario, la regulación de voltaje describe qué tan bien el transformador puede proporcionar un voltaje secundario constante con diferentes cargas conectadas a la salida del transformador.
El siguiente circuito de transformador básico y el ejemplo resuelto aclaran el concepto de regulación de voltaje del transformador.
En el primer escenario, asumimos que no hay carga conectada al secundario del transformador, para este circuito abierto:
- Debido a que es un circuito abierto, no fluye corriente de carga.
- Cuando no hay corriente de carga, no hay caída de voltaje y se desarrolla un voltaje reactivo significativo a través de la resistencia y el inductor.
- La caída de tensión en los terminales primarios es insignificante.
En el segundo escenario, el transformador está bajo carga. Es decir, se conecta una carga a los terminales secundarios del transformador. Para este circuito de carga:
- Con el circuito completo y la carga conectada a los terminales secundarios, la corriente de carga fluye.
- A medida que la corriente de carga fluye a través de la carga, debe haber una caída de voltaje en la resistencia y el inductor.
- Por tanto, el valor medio de la regulación de tensión es mayor que el del transformador sin carga.
Se requiere regulación de bajo voltaje (cero ideal) para un mejor rendimiento. En otras palabras, cuanto mayor sea la regulación de voltaje, peor será la eficiencia y el rendimiento del transformador.
Del circuito y la explicación anteriores, podemos concluir los siguientes dos puntos.
- En un transformador, el valor de la tensión primaria siempre es mayor que la FEM inducida en el devanado primario.
Ⅴ1 > eh1
- En un transformador, el valor del voltaje del terminal secundario sin carga siempre es mayor que el voltaje del terminal secundario con carga completa.
imagen2 >V2
Con base en la información anterior del esquema anterior, podemos crear las siguientes dos ecuaciones:
- Ⅴ1 = I1r1 cos θ1 + I1X1 seno θ1 +E1
- imagen2 = I2r2 cos θ2 + I2X2 seno θ2 +V2
Para diferentes tipos de cargas, es decir, cargas inductivas y capacitivas, etc., obtenemos la siguiente ecuación para el voltaje secundario sin carga:
A continuación se encuentran las fórmulas de voltaje secundario sin carga para diferentes tipos de cargas, es decir, cargas inductivas y capacitivas.
Regulación de Voltaje de Cargas Inductivas (Factor de Potencia Atrasado)
imagen2 = I2r02 cos θ2 + I2X02 seno θ2 +V2
imagen2 –V2 = I2r02 cos θ2 + I2X02 seno θ2
Regulación de tensión del transformador con factor de potencia en atraso (carga inductiva):
Regulación de voltaje para cargas capacitivas (factor de potencia principal)
imagen2 = I2r02 cos θ2 – I2X02 seno θ2 +V2
imagen2 –V2 = I2r02 cos θ2 – I2X02 seno θ2
Regulación de voltaje del transformador en factor de potencia dominante (carga capacitiva):
dónde:
- (I2r02 / imagen2) x 100 es el porcentaje de caída de la resistencia.
- (I2X02 / imagen2) x 100 es la tasa de decaimiento de la reactancia.
Artículo relacionado: Ecuaciones EMF para transformadores
Ejemplo de regulación de voltaje
Ejemplo 1:
Suponga que el transformador tiene un voltaje sin carga de 240 voltios y un voltaje de carga completa de 230 voltios. La regulación del transformador se calcula como:
% regulación de voltaje = [{(No Load Voltage – Full Load Voltage) / Full Load voltage} x 100]
% regulación de voltaje = [{(240V – 230V) / 230} x 100]
% regulación de voltaje = 4.347%
Dado que el ejemplo básico anterior no es suficiente, hagámoslo un poco más complicado:
Ejemplo 2:
Un transformador de 50 kVA tiene 200 y 40 vueltas en los devanados primario y secundario respectivamente. Las resistencias primaria y secundaria son 0,15 Ω y 0,005 Ω respectivamente. Los valores de reactancia de fuga de los devanados primario y secundario son 0,55 Ω y 0,0175 Ω respectivamente. Para una tensión de alimentación primaria de 1100 V, calcule:
- Impedancia equivalente transferida al devanado primario
- Tensión del terminal secundario a plena carga con un factor de potencia en atraso de 0,8.
- regulacion de voltaje
Resolución:
Datos dados:
- Voltaje primario: 1100V
- Turno principal: 200
- Turno secundario: 40
- r1 = 0,15 Ω
- r2 = 0.005Ω
- X1 = 0,55 Ω
- X2 = 0.0175Ω
- Factor de potencia = Cos θ = 0,8 de retraso
(1)
relación de vueltas = K = N2 /NORTE1 = 40 / 200 = 1/5
r01 =R1 +R2 /K2 = 0,15 Ω + 0,005 Ω / (1/5)2 = 0.275Ω
X01 = X1 +X2 /K2 = 0,55 Ω + 0,0175 Ω / (1/5)2 = 0.987Ω
z01 = 0,275 + j0,987 = 1,025∠74,43o
z02 = k2z01 = (1/5)2 (0,275 + j0,987) = (0,011 + j0,039)
(2)
Voltaje secundario sin carga = KV1 = (1/5) × 1100 V = 220V
Corriente secundaria: I2 = 50×103 /220V = 227,27A… (I = P/V = 50kVA / 220V)
I2 = 227.27A
Caída de tensión a plena carga referida al secundario
= I2 (R02 cos θ + X02 seno θ)
= 227,27A (0,011 × 0,8 – 0,039 × 0,6) = – 3.32V
Voltaje terminal secundario bajo carga = 220V – 3,32V = 216,68V
Tensión secundaria a plena carga: 216,68 V
(3)
% regulación = 3,32V × 100/220 = 1.51
de nuevo
Ajuste de voltaje:
% regulación de tensión = (VSin carga –Vcarga completa /Vcarga completa)×100
= (220V – 216,68V / 216,68V) x 100 = 1,53
% regulación de voltaje = 1.53
Regulación de voltaje cero del transformador
La regulación de voltaje cero significa que el “voltaje sin carga” y el “voltaje de carga completa” del transformador son iguales. Es decir, no hay diferencia entre ellos. La regulación de voltaje cero representa el mejor rendimiento del transformador posible solo en un transformador ideal teórico.
Aparte de la teoría, cuanto menor sea el porcentaje de regulación de voltaje, más estable y constante será el voltaje del terminal secundario a la carga y mejor será la regulación.
Aplicación de mala regulación
Hay algunas aplicaciones, como “lámparas de descarga”, que requieren una mala regulación del voltaje del transformador. En este caso, se requiere un transformador elevador porque suministra un alto voltaje en las etapas iniciales de encendido de la lámpara y, después del encendido, el nivel de voltaje se reduce y la corriente comienza a fluir a través del circuito de iluminación de descarga. Este proceso se puede realizar con éxito a través de un transformador elevador mal regulado (alto porcentaje de regulación de voltaje).
De manera similar, los soldadores de arco, que en realidad son transformadores reductores que suministran bajo voltaje y alta corriente al proceso de soldadura por arco, también requieren una regulación de voltaje deficiente.
Información útil: Un alto % de regulación de voltaje significa mala regulación o desempeño.
¿Cómo mejorar la regulación de transformadores?
un dispositivo conocido como transformador ferroresonante (combinación de transformador y circuito resonante LC) se utiliza para mejorar la regulación del transformador (es decir, reducir el porcentaje de regulación de voltaje del transformador). El núcleo de hierro de un transformador ferroresonante está lleno de flujo magnético (líneas de campo magnético) durante la mayor parte del ciclo de CA. De esta forma, las variaciones en la corriente primaria del transformador y la tensión de alimentación tienen poco efecto sobre la densidad de flujo del núcleo del transformador. Esto significa que la salida del terminal secundario del transformador es un voltaje casi constante, sin verse afectado por grandes variaciones en el voltaje de suministro al devanado primario del transformador.
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