Principios Fundamentales del Electromagnetismo y Transformadores Eléctricos

Fundamentos de Electromagnetismo y Máquinas Eléctricas

1. Magnetismo

• Imanes:
  • Permanentes: Mantienen su magnetismo sin estímulo externo.
  • Temporales: Requieren una corriente para ser magnéticos (ej. electroimanes).
• Campo Magnético:
  • Región donde actúan fuerzas magnéticas.
  • Representado por líneas de fuerza de Norte → Sur.
• Inducción Magnética (B):
  • Se mide en Teslas (T).
  • Relación con el flujo magnético: Φ = B · S (S = superficie).

2. Electromagnetismo

• Regla de la Mano Derecha:
  • Pulgar = sentido de la corriente.
  • Dedos = dirección del campo magnético.
• Bobina o Solenoide:
  • Mayor número de espiras = mayor campo magnético.
  • Intensidad del campo: H = (N · I) / L (N = espiras, I = corriente, L = longitud).
• Circuito Magnético:
  • Núcleo de hierro mejora el campo magnético.
  • Usado en electroimanes, relés, contactores, etc.

3. Materiales Magnéticos

• Diamagnéticos: No generan campo (ej. oro, cobre).
• Paramagnéticos: Pequeña atracción (ej. aluminio, titanio).
• Ferromagnéticos: Gran atracción (ej. hierro, níquel, cobalto).

4. Pérdidas en Máquinas Eléctricas

• Histéresis: Magnetización residual que genera calor.
• Corrientes Parásitas (Foucault): Reducción con láminas de hierro-silicio.

5. Inducción Electromagnética

• Ley de Faraday: Conductor en un campo magnético genera fuerza electromotriz (E).
  • E = B · l · v (B = campo, l = longitud, v = velocidad).
• Regla de la Mano Izquierda:
  • Índice = Campo.
  • Medio = Corriente.
  • Pulgar = Fuerza.

6. Máquinas Eléctricas

• Estáticas: No tienen movimiento (ej. transformador).
• Rotativas: Transforman energía eléctrica en mecánica o viceversa.
  • Motores: Electricidad → Movimiento.
  • Generadores: Movimiento → Electricidad.

Transformadores Eléctricos: Conceptos y Aplicaciones

Conceptos Fundamentales de Transformadores

• Un transformador es una máquina eléctrica estática que funciona por inducción magnética.
• Tiene dos devanados: primario (entrada) y secundario (salida).
• La relación de transformación se calcula como:

  m = N2/N1 = V2/V1

  • Si m > 1, es elevador (aumenta la tensión).
  • Si m < 1, es reductor (disminuye la tensión).

Pérdidas en Transformadores

• Pérdidas en el hierro (P_Fe): Por corrientes de Foucault e histéresis. Se reducen con chapas delgadas aisladas.
• Pérdidas en el cobre (P_Cu): Por resistencia en los devanados. Se reducen con cables gruesos o cobre de alta calidad.
• Flujo de dispersión: Parte del campo magnético que no llega al secundario. Se minimiza con núcleos adecuados.

Tipos de Transformadores

• Según Tensión:
  • Elevadores: Aumentan el voltaje.
  • Reductores: Disminuyen el voltaje.
• Según Fases:
  • Monofásicos: Un devanado primario y otro secundario.
  • Trifásicos: Tres devanados primarios y tres secundarios. Se conectan en estrella (Y) o triángulo (Δ).
• Según Construcción:
  • De Columnas: Bobinas en columnas separadas.
  • Acorazados: Bobinas en la columna central, más eficientes.
  • Toroidales: Núcleo en forma de anillo, mejor rendimiento.
  • Autotransformadores: Un solo devanado con derivaciones intermedias.

Ensayos de Transformadores

• Ensayo en Vacío: Se alimenta el primario sin carga para medir pérdidas en el hierro.
• Ensayo en Carga: Se conecta la carga nominal para medir caída de tensión y rendimiento.
• Ensayo en Cortocircuito: Se cortocircuita el secundario y se mide la tensión reducida necesaria para que circule la corriente nominal. Se usa para calcular pérdidas en el cobre.
• Prueba de Aislamiento: Se mide la resistencia entre devanados y núcleo para verificar el aislamiento.

Fórmulas Clave

• Potencia Aparente:

  S = V × I

• Eficiencia:

  η = (Psalida / Pentrada) × 100

• Densidad de Corriente:

  J = I / A (donde A = área del conductor en mm²)