Un transformador de corriente permite la conversión de altas corrientes en un rango de corriente medible. Los relés incorporados en varios sistemas de protección se implementan de tal manera que la corriente suministrada por un transformador de corriente se puede utilizar para accionarlos. También se considera difícil medir corrientes alternas de alta magnitud utilizando amperímetros normales de rango bajo y, por lo tanto, los transformadores de corriente se utilizan como una etapa intermedia para fines de medición y aislamiento.
Figura 1. Una variedad de transformadores de corriente. Imagen cortesía de Talema Group.
Magnético componentes, en general, se han utilizado en diferentes dispositivos electrónicos de potencia durante décadas. Se utilizan para el control, transferencia y acondicionamiento de energía eléctrica en diferentes etapas y en múltiples formas.
Los diseñadores siempre están buscando materiales, topologías y procesos más nuevos para mejorar el rendimiento. Hubo un tiempo en la historia en el que el diseño del magnetismo se consideraba más un arte que una ciencia. Esto se debe a que el diseño dependía principalmente de técnicas de prueba y error, fórmulas empíricas y consideraciones prácticas. Además, ha habido varios intentos de estandarizar el proceso de diseño para hacerlo más confiable y repetible.
Siga leyendo para obtener más información sobre el principio de funcionamiento de un transformador de corriente y los conceptos clave involucrados.
Transformadores de corriente y descripción general del circuito
Los transformadores de corriente se emplean para medir la corriente que fluye en circuitos de alta potencia, generalmente para circuitos de medición o retroalimentación. Se prefiere el uso de transformadores de corriente a la medición de corrientes utilizando derivaciones de corriente en serie con la ruta de corriente, debido a las ventajas de un transformador de corriente, como proporcionar aislamiento entre el circuito de alimentación y el circuito de medición, una menor contribución a las pérdidas de energía y un buen rechazo de modo común. [1]. En general, un transformador admite un acoplamiento de CA, voltaje y transformación de nivel de corriente junto con aislamiento de CC [2].
Figura 2. El uso de un transformador de corriente para medir una corriente alta. [3]
Las consideraciones prácticas de diseño para transformadores de corriente se rigen por la capacidad de conducir los valores necesarios de las corrientes de los devanados primarios y secundarios de manera efectiva. Esto se traduce en la elección correcta de conductores junto con la capacidad de lograr un acoplamiento de potencia adecuado. Idealmente, se desea una regulación de voltaje estricta sin fugas y sin pérdidas de corriente (histéresis o remolinos), así como una distorsión de corriente de excitación general baja.
Si todos estos objetivos de diseño deben cumplirse por completo, el producto resultante puede ser voluminoso, lo que nuevamente no está previsto. Por lo tanto, es un equilibrio extremadamente difícil de lograr en términos de lograr el mejor diseño posible basado en estas consideraciones.
Principio de funcionamiento
Los transformadores de corriente pertenecen a la familia de los transductores de corriente que generan una corriente secundaria proporcional a la corriente que fluye a través del lado primario en magnitud.
El devanado primario está diseñado de manera que consta de una o más espiras que tienen un área de sección transversal grande y normalmente está conectado en serie con el circuito que necesita ser detectado para el flujo de corriente [4].
El devanado secundario tiene un mayor número de vueltas y está hecho de un cable con un área de sección transversal más pequeña. El devanado secundario está conectado a la bobina de operación del relé o al instrumento de medición de corriente.
Figura 3. Representación de un transformador de corriente [4]
El área de aplicación de un tipo específico de transformador de corriente se rige por su precisión, la relación entre las corrientes primarias y secundarias, el tipo de aislamiento empleado, la construcción mecánica y las condiciones de funcionamiento externas.
El funcionamiento del transformador de corriente es similar al de los transformadores de potencia convencionales, ya que básicamente funcionan como transformadores elevadores de tensión. Normalmente, el valor de la corriente será menor en el lado de alto voltaje y viceversa. Por lo tanto, cuando se energiza el lado primario, los amperios-vueltas en el lado primario producirán un campo magnético en el núcleo.
Se induce una fuerza electromotriz en el lado secundario debido al flujo magnético generado que a su vez impulsa la corriente secundaria. Los amperios-vueltas están equilibrados en primario y secundario, y también la caída de voltaje en el primario es mucho menor, lo que hace que la corriente primaria sea independiente de la corriente secundaria.
Ideas de diseño para transformadores de corriente
El diseño del transformador de corriente es un compromiso entre el costo, el peso, el número de vueltas del devanado y su rendimiento general [1]. El aumento del área central mejora el rendimiento, pero afecta negativamente el costo y el tamaño general. Se emplean núcleos de ferrita o acero y se prefieren un mayor número de vueltas secundarias. Por lo general, un buen diseño de transformador de corriente se centra en el voltaje más bajo en el lado secundario, el uso de material de alta permeabilidad, un área de núcleo alta y espiras secundarias grandes.
Las consideraciones habituales para elegir los materiales del núcleo incluyen una pérdida de núcleo baja, un valor de reluctancia bajo y una densidad de flujo baja. El papel, el barniz, los materiales de cinta y sus variantes se utilizan con fines de aislamiento.
Un transformador de corriente puede ser de tipo bobinado o de barra. En el caso de aplicaciones de baja tensión de tipo enrollado, las espiras secundarias se enrollan en una baquelita seguidas de espiras primarias con un aislamiento adecuado entre las capas. En el tipo de barra, una sola barra forma el devanado primario y pasa por el centro del núcleo.
Figura 4. Los transformadores de corriente pueden ser de tipo barra o enrollados.
Referencias clave:
- L. Umanand, SR Bhat, “Diseño de magnéticos componentes para convertidores de potencia de modo conmutado ”, Wiley Eastern Limited.
- Marian K. Kazimierczuk, "Componentes magnéticos de alta frecuencia", John Wiley and Sons, Ltd.
- Marcel Dekkar, “Manual de diseño de transformadores e inductores”, 2004.
- Transformador de corriente