En fuentes de potencia electrónicas a menudo se
requiere aislar la salida de la entrada y reducir el peso y costo de la unidad.
En otras aplicaciones, como por ejemplo en aviones, existe un fuerte incentivo
de reducir al mínimo el peso. Estos objetivos se logran mejor utilizando una
frecuencia relativamente alta comparada con, por ejemplo, 50-60 Hz. Por lo
tanto, en aviones la frecuencia es en general de 400 Hz, mientras que en
fuentes de potencia electrónicas puede ser de 5 kHz a 50 kHz. Un incremento de
la frecuencia reduce el tamaño de dispositivos como transformadores, inductancias
y condensadores. Para ilustrar la razón por la que sucede este fenómeno, éste
análisis se limita a transformadores Además, para evitar un tedioso análisis
teórico, se considera un transformador práctico y observaremos cómo se comporta
cuando se eleva la frecuencia. Consideremos la figura 1, la cual muestra un
transformador convencional de 120 V/24 V, 60 Hz cuya capacidad es de 36 VA.
Este pequeño transformador pesa 0.5 kg y opera con una densidad de flujo pico
de 1.5 Testas. El flujo en el núcleo alcanza un pico de 750 μWb. El núcleo
laminado es de acero al silicio ordinario de 0.3 mm (12 mils.) de espesor y la
pérdida total en el núcleo es de aproximadamente 1W. La capacidad de corriente
es de 300 mA para el primario y de 1.5 A para el secundario.
Figura 1
Sin hacer cambios al transformador, consideremos
el efecto de operarlo a una frecuencia de 6000 Hz, la cual es 100 veces más
alta que la frecuencia para la que fue diseñado. Suponiendo la misma densidad
de flujo pico, se deduce que el flujo Φmax. permanecerá
a 750 μWb. Sin embargo, de acuerdo con la ecuación (1), esto significa que el
voltaje primario correspondiente se puede incrementar a:
¡el cual es 100 veces mayor que antes! Asimismo,
el voltaje secundario será 100 veces mayor, es decir, de 2400V. Las condiciones
de operación se muestran en la figura 2. Las corrientes primaria y secundaria
permanecen igual, por lo que la potencia del transformador ahora es de 3600 VA,
100 veces más grande que en la figura 1. Claramente, el aumento de la frecuencia
produjo un efecto muy beneficioso.
Figura 2
Sin embargo, la ventaja no es tan grande como
parece porque a 6000 Hz la pérdida en el núcleo es enorme (aproximadamente de
700 W), debido al incremento de la corriente parásita y a las pérdidas por
histéresis. Por lo tanto, el transformador mostrado en la figura 2 no es
factible porque se sobrecalentará muy rápido. Para evitar este problema,
podemos reducir la densidad de flujo para que las pérdidas en el núcleo sean
iguales a las que aparecen en la figura 1. Con base en las propiedades del
acero al silicio de 12 mil, es necesario reducir la densidad de flujo. 1.5 T a
0.04 T. Por consiguiente, de acuerdo con la ecuación (1), habrá que
reducir los voltajes primario y secundario a 320 V y 64 V, respectivamente. La
nueva potencia del transformador será P = 320 X 0.3 = 96 VA (Figura 3). Ésta es
casi 3 veces la potencia original de 36 VA, pero con el mismo aumento de la
temperatura. Utilizando laminaciones más delgadas hechas de acero al níquel
especial, es posible elevar la densidad de flujo por encima de 0.04 T al mismo
tiempo que se mantienen las mismas pérdidas en el núcleo. Por lo tanto, si
reemplazamos el núcleo original con este material especial, podemos aumentar la
densidad de flujo a 0.2 T. Esto corresponde a un flujo pico Φmax. de 750 μWb x (0.2 T/I.5 T) = 100 μWb, lo cual significa que podemos
aumentar el voltaje primario a:
El voltaje secundario correspondiente es de 320
V, por lo que la capacidad mejorada del transformador es de 320 V x 15 A = 480
VA (figura 4).
Nos interesa, desde luego, mantener la relación
de voltaje original de 120 V a 24 V. Esto es fácil de lograr redevanando el
transformador. Así el número de vueltas en el primario se reducirá de 600 a 600
t x (120 V/1600 V) = 45 vueltas, mientras que el secundario tendrá sólo 9. Esta
drástica reducción en el número de vueltas significa que el diámetro del
alambre se puede incrementar de forma significativa. Teniendo en cuenta que la
capacidad del transformador sigue siendo de 480 VA, deducimos que la corriente
primaria nominal se puede aumentar a 4 A mientras que en el secundario llega a
20 A. Este transformador redevanado con su núcleo especial (Figura 5) tiene el
mismo tamaño y peso que el de la figura 1. Además, como las pérdidas en el
hierro y en el cobre son iguales en ambos casos, la eficiencia del
transformador de alta frecuencia es mejor. Ahora es obvio que el aumento de la
frecuencia ha permitido un incremento muy grande de la capacidad de potencia
del transformador. Por lo tanto, para una salida de potencia dada, un
transformador de alta frecuencia es mucho más pequeño, barato, eficiente y liviano
que uno de 60 Hz.
Figura 5
FUENTE:
Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia (Theodore
Wildi)
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muy util la informacion muchas gracias por comparttir
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