Pregunta sobre la relación entre la corriente de bobina primaria y secundaria del transformador

Un transformador es básicamente dos bobinas de alambre (inductores) que comparten un núcleo común. Si no conecta una carga al secundario, también podría considerar un transformador como un inductor. Ese inductor tiene (obviamente) inductancia y la corriente que toma depende del voltaje, la frecuencia y la inductancia aplicados. Entonces, por lo general, la cantidad de vueltas en un transformador de alimentación de CA es bastante alta y en la región de mil vueltas.

Esto significa que se toman algunos henrios de inductancia y posiblemente alrededor de 100 mA RMS de corriente. Este es solo el primario sin que se tome corriente secundaria. Esto es típico de un transformador con una clasificación VA de alrededor de 30 VA y variará para diferentes transformadores en diferentes aplicaciones, es decir, es solo una guía aproximada para dar una idea de los números involucrados.

Esta corriente se denomina corriente de magnetización y es la principal fuente de problemas de saturación del núcleo del transformador. Permanece siempre presente independientemente de la corriente que tome del secundario pero, por supuesto, se suma a la corriente primaria causada al conectar una carga al secundario.

Entonces, para un transformador 1:1 simple (y por lo demás perfecto) que toma una corriente de magnetización de 0,1 A y con una corriente de carga resistiva de 1 A en el secundario, la corriente primaria total comprende la corriente de magnetización de 0,1 A y la corriente de carga de 1 A.

Dado que la corriente de carga es resistiva (como se indicó) y la corriente de magnetización se debe a la inductancia primaria, las dos corrientes están desfasadas 90 grados, por lo que la corriente primaria total es$\sqrt{1^2+0.1^2}$= 1.005 A.

Para un transformador reductor de 10:1 con 10 A en el secundario, es exactamente la misma corriente primaria.

Complicando un poco las cosas; la corriente de magnetización no será particularmente sinusoidal porque el hierro/acero, etc. no tiene una relación lineal entre el campo aplicado (amperios vueltas) y la densidad de flujo (teslas). Esa relación es la permeabilidad del material del núcleo.$\mu$. Además, la relación tiene histéresis y esto da lugar a una pérdida resistiva (llamada, como era de esperar, pérdida por histéresis), por lo que ahora hay una corriente adicional presente en el primario (independientemente de la corriente de carga secundaria vista por el primario).

Debido a que el núcleo de acero/hierro es un conductor, puede actuar como una espira en cortocircuito, por lo tanto, se utilizan laminados que están aislados entre sí, por lo que solo se obtienen pequeñas corrientes de Foucault en cada laminado. Estas pequeñas corrientes que fluyen a través del hierro/acero generan calor y esta es otra pérdida que no tiene nada que ver con la corriente de carga. Entonces, en resumen, las corrientes en el primario son: -

• Magnetización (reactiva y no de pérdida)
• Pérdida de corriente por histéresis (resistiva)
• Pérdidas por corrientes de Foucault (resistivas)
• corriente de carga

NB: la histéresis y la pérdida por corrientes de Foucault a veces se agrupan bajo el término "pérdida de hierro".

Pero también hay que tener en cuenta la inductancia de fuga y la resistencia del devanado. Cualquier corriente que fluya en el secundario o primario fluye a través del cobre, pero aún tiene resistencia y habrá una pequeña caída de voltaje y$I^2R$pérdida de potencia (cobre). Además, todas las vueltas en el primario no se acoplan magnéticamente al 100 % con todas las vueltas en el secundario, por lo que, en efecto, hay inductancias de fuga que (como la pérdida de cobre) reducen el voltaje de salida en el secundario bajo condiciones de carga.

Todo se reduce al circuito equivalente de un transformador: -

$X_P$y$X_S$son las inductancias de fuga, es decir, aquellas espiras que no se acoplan.$R_P$y$R_S$son las pérdidas de cobre del primario y secundario.$R_C$representa las pérdidas en el núcleo (pérdidas por corrientes de Foucault y por histéresis) y$X_M$es la inductancia de magnetización.

Lo que queda es un transformador perfecto sin pérdidas representado por el símbolo del transformador en la imagen; tiene características perfectas y transfiere la energía con un 100% de eficiencia: todos los componentes colgados a su alrededor convierten ese transformador perfecto en el transformador imperfecto que usamos todos los días.

Cuando no hay carga conectada al secundario, la inductancia de magnetización está directamente a través de la línea (junto con alguna inductancia de fuga).

Sin conexión con el secundario, solo tiene los devanados primarios alrededor de un núcleo que forman un inductor. Si todo fuera ideal la corriente en el primario seria 100% reactiva y dada por Vin/Xl.

Habrá algo de ESR asociado con los devanados primarios, así como pérdidas de proximidad y CA. Entonces la corriente será proporcional a la impedancia total a través de la línea, con componentes reactivos y reales. Si es un transformador "bueno", la corriente seguirá siendo principalmente reactiva.

Cuando comience a extraer corriente del secundario, la corriente primaria aumentará según la relación de vueltas. Np/Ns = Is/Ip, despreciando algunas de las pérdidas dependientes de la carga.

Wikipedia tiene una explicación decente, así como el circuito equivalente estándar que puede usar para ser más preciso que el anterior:

Artículo de Wikipedia sobre transformadores

El principio físico que permite que la energía atraviese el transformador es la transferencia magnética (inductancia mutua). La corriente CA en el primario está creando un campo magnético, que está mayormente (pero no del todo) contenido dentro del núcleo del transformador. El campo magnético en el núcleo del transformador induce una corriente proporcional en el secundario.

Un transformador "perfecto" imaginario sacaría corriente cero del primario si el secundario estuviera desconectado, pero los transformadores en este universo tienen pérdidas. Puede experimentar esto conectando su transformador sin carga a una fuente de alimentación, alejándose durante una hora, volviendo y notando que está tibio.

La corriente en el primario provoca un campo magnético, el campo magnético provoca un voltaje que inhibe la corriente en el primario. Esto se llama "corriente de magnetización"

El campo maenético también provoca tensión en el secundario.

Cuando se permite que la corriente fluya en el secundario, cancela parte del campo magnético, esto reduce el voltaje que inhibe la corriente en el primario, esto también permite que fluya más corriente en el primario.