- Introducción
- Pérdidas de potencia
- Pérdidas en el hierro
(PH) - Pérdidas en el cobre
(PC) - Solución a las corrientes
parásitas - Pérdidas en el circuito
eléctrico - Métodos para observar las
pérdidas - Conclusiones
- Bibliografía
El transformador es un dispositivo que convierte la
energía eléctrica alterna de un cierto nivel de
tensión, en energía alterna de otro nivel de
tensión, por medio de la acción de un campo
magnético.
Está constituido por dos o más bobinas de
material conductor, aisladas entre sí
eléctricamente por lo general enrolladas alrededor de un
mismo núcleo de material ferro magnético. La
única conexión entre las bobinas la constituye el
flujo magnético común que se establece en el
núcleo.
En un transformador eléctrico, al igual que
en todas las máquinas eléctricas, hay
pérdidasde potencia.
Por tratarse de una máquina estática, no
existen pérdidas de potencia de origen mecánico en
un transformador y éstas se reducen a las del hierro del
circuito magnético y las del cobre de los
bobinados. Ninguna máquina trabaja sin producir
pérdidas de potencia, ya sea estática o
dinámica. En un transformador real tenemos perdidas, tanto
en el circuito magnético, como en el circuito
eléctrico.
En el circuito magnético se producen las
siguientes pérdidas:
Pérdidas por corrientes de Foucault
Pérdidas por histéresis
Pérdidas por flujo de
dispersión
las pérdidas por corriente de foucault y por
histéresis son las llamadas pérdidas en el hierro.
Estas perdidas también conocidas por corrientes
parásitas se deben a que el flujo alterno, además
de inducir una F.E.M en los devanados del transformador, induce
también en el núcleo de acero una F.E.M, la que
produce una circulación de pequeñas corrientes que
actúan cobre una superficie del núcleo y producen
calentamiento del mismo. Si el núcleo fuese de acero
macizo, las corrientes de foucault producidas originarían
perdidas intolerables.
Por este motivo. Los núcleos de los
transformadores se construyen en láminas delgadas de
acero, al silicio que ofrece gran resistencia a las corrientes
parásitas, inducidas en el núcleo. Las laminaciones
son destempladas en un horno eléctrico y son recubiertas
por una delgada capa de barniz que aumenta la resistencia a las
corrientes parásitas. Las perdidas por
histéresis son producidas debido a que el flujo
magnético se invierte varias veces por segundo,
según la frecuencia produciendo así perdidas de
potencia debido a la fricción de millones de
moléculas que cambian de orientación varias
veces. Las perdidas en el cobre o en los bobinados del
transformador, se deben a la disipación de calor que se
producen en los devanados. Estas perdidas son proporcionales alas
resistencias de cada bobinado, y a través de la corriente
que circula en ellos
La potencia pérdida en el hierro del circuito
magnético de un transformador puede ser medida la
prueba de vacío. Se alimenta el transformador al
vacío, la potencia absorbida en ese momento corresponde
exactamente a las pérdidas en el hierro. En efecto por ser
nula la intensidad de corriente en el bobinado secundario no
aparecen en las pérdidas de potencia.
Por consiguiente se puede afirmar que el total de
la potencia absorbida por un transformador funcionando al
vacío bajo a voltaje nominal, representa el valor de la
potencia pérdida en el hierro del circuito
magnético. Dichas pérdidas son causadas por el
fenómeno de histéresis y por las corrientes de
foucoult, las cuales dependen del voltaje dela red, de la
frecuencia y de la inductancia a que está sometido el
circuito magnético.
La potencia pérdida en el núcleo permanece
constante, ya sea en vacío o con carga.
depende del valor del flujo, sino también de los
estados magnéticos anteriores. En el caso de los
transformadores, al someter el material magnético a un
flujo variable se produce una imantación que se mantiene
al cesar el flujo variable, lo que provoca una pérdida de
energía que se justifica en forma de
calor.
Fig- 2 Ciclo de
histéresis
La potencia perdida por histéresis depende
esencialmente del tipo de material; también puede depender
de la frecuencia, pero como la frecuencia en una misma zona o
país siempre es la misma, la inducción
magnética dependerá del tipo de chapa. A
través de la fórmula de Steinmetz (Fórmula
2.2) se determinarán las pérdidas por
histéresis.
El coeficiente de chapa oscila entre 0,0015 y 0,003,
aunque baja hasta 0,007 en hierro de muy buena
calidad. Donde:
Kh = coeficiente de cada material
F= frecuencia en Hz
Fmax = inducción máxima en
Tesla
PH = pérdida por histéresis en
W/kg
n=1.6 para F< 1 Tesla (104 Gauss)
n = 2 para F > 1 Tesla (104 Gauss)
La variación del valor de la potencia
pérdida en el cobre es proporcional al cuadrado de la
intensidad es de corriente de carga y a la resistencia de los
bobinados.
De la fórmula anterior se deduce que el cambio de
frecuencia de 50 a 60 Hz, por ejemplo, hace que aumenten las
pérdidas en el transformador.
La histéresis magnética es el
fenómeno que se produce cuando la imantación de los
materiales ferromagnéticos no sólo
I2 = Intensidad en el bobinado secundario.
r1 = Resistencia del bobinado primario.
r2 = Resistencia del bobinado secundario.
Otra forma de determinar las pérdidas en los
bobinados de un transformador es mediante la prueba de
cortocircuito.
Para lograr ésto se alimenta el bobinado primario
bajo un voltaje de valor tal, que estando cerrado en
cortocircuito el bobinado secundario, sean recorridos ambos
bobinados por intensidades de corriente iguales a sus
valores nominales respectivos.
La potencia absorbida por el transformador en estas
condiciones corresponde exactamente alas pérdidas totales
en el cobre del conjunto de los dos bobinados.
En efecto las pérdidas de potencia totales es el
resultado de la pérdidas en el núcleo (Ph)
más las pérdidas en el cobre de los bobinados
(Pcu).
Es la suma de las potencias pérdidas en los
bobinados de un transformador, funcionando bajo carga nominal. El
valor de esta potencia depende de la intensidad de corriente
tanto en el bobinado primario como en el secundario, la cual
varía mucho desde el funcionamiento en vacío a
plena carga.
Las corrientes de Foucault crean pérdidas de
energía a través del efecto Joule. Más
concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles
de energía en calor no deseado, por lo que generalmente es
un efecto inútil, cuando no perjudicial. A su vez
disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos
magnéticos variables, como los transformadores de
núcleo de hierro. Estas pérdidas son minimizadas
utilizando núcleos con materiales magnéticos que
tengan baja conductividad eléctrica (como por ejemplo
ferrita) o utilizando delgadas hojas de material
magnético, conocidas como laminados.
FLUJOS DISPERSOS
Al tener un entrehierro en un circuito magnético,
el flujo se desvía por las cercanías del
entrehierro como se muestra en la figura y la inducción
magnética en el entrehierro se distribuyen forma no
uniforme, el flujo que termina cerca de los bordes del
entrehierro recibe el nombre de flujo disperso.
REDUCIR PÉRDIDAS POR
HISTÉRESIS
El problema de la dispersión, se da ya que el
flujo magnético debe tomar un camino, pero este a su ves
produce un contra flujo que hace que este se pierda, es por eso
que para la reducción de este problema debemos de mejorar
el diseño, el mas común de todos los
diseños, que por experiencia a través de varios
años se a mantenido es el de un transformador con
núcleo acorazado, siendo la parte del centro el doble de
ancha que las partes de los extremos, de esta manera podemos
asegurar que el flujo se divida, pero a su ves cuando este
llega hacia el centro se una, y pueda
circular fácilmente.
Hasta ahora solo hemos mencionado, los
problemas que presenta un transformador real en su circuito
magnético. Este en su circuito eléctrico solo
presenta un tipo de problema, este problema es la resistencia
interna de la bobina, ya que por el efecto joule esto se nos
convierte en potencia perdida, la cual es una potencia que no nos
genera ningún tipo de trabajo, y lo único que hace
es consumir recursos. La resistencia interna de la bobina se la
pude calcular por medio de la siguiente formula:
Es decir que la resistencia interna, va a
depender de la densidad del material, de su longitud y
además del calibre del conductor. Para dar solución
a este tipo de problema, la única manera es de reducir la
resistencia interna de la bobina, para lograr este objetivo se
tiene varias alternativas, como:
Utilizar el material de mejor densidad, ya que si la
densidad es mejor vamos a bajar significativamente la
resistencia interna.
También podemos hacer la geometría mas
conveniente, para que la longitud de la bobina sea la menor
posible. Por experiencia se sabe que un cuadrado siempre nos va a
dar el menor perímetro.
Otra alternativa es que la sección del conductor
sea lo mas grueso posible, ya que como podemos apreciar en la
formula es inversamente proporcional. Con estas pequeñas
pautas podemos mejorar las perdidas ocasionadas en el circuito
eléctrico de nuestro transformador.
ENSAYO EN VACIO
El ensayo en vacio nos proporciona a través de la
medida de la tensión, intensidad y potencia en el bobinado
primario, los valores directos de la potencia perdida en el
hierro y deja abierto el bobinado secundario por lo que este no
será recorrido por ninguna corriente y no se tendrá
en cuenta los valores de las perdidas en el cobre.
Entre los datos más importantes a tomarse en
vacio debemos tomar en cuenta:
•Perdidas en el Hierro: Esto observamos a
través de la lectura del watímetro en el bobinado
primario.
•La intensidad al vacio que observamos a
través del amperímetro.
•Relación de
transformación
•Impedancia
•Potencia aparente
•El ángulo de desfase
Tenemos además que tomar en cuenta algunas
consideraciones cuando se producen pérdidas, estas
pérdidas tienen bastante importancia cuando se produce su
explotación, ya que por ella mismo se produce un consumo
de energía incluso cuando el transformador no tiene
consumo.
También se ha comprobado que las que las
pérdidas en el hierro son aproximadamente proporcionales
al cuadrado de la inducción, debido a esto a los usuarios
nos interesarían inducciones muy bajas para disminuir las
pérdidas pero por curioso que parezca los fabricantes de
los transformadores intentan obtener el valor más elevado
como puedan.
EFECTO JOULE
Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el
cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte
de la energía cinética de los electrones se
transforma en calor debido a los choques que sufren con los
átomos del material conductor por el que circulan,
elevando la temperatura del mismo.
En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes
electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las
calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados
industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto
útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el
conductor por el paso de la corriente.
Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es
un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos
eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador
que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo
de los diferentes dispositivos como podían ser los
circuitos integrados. E inclusive las lámparas
incandescentes que producen más energía
calorífica que lumínica.
CAUSAS DEL FENÓMENO
Los sólidos tienen generalmente una estructura
cristalina, ocupando los átomos o moléculas los
vértices de las celdas unitarias, y a veces también
el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es
sometido a una diferencia de potencial, los electrones son
impulsados por el campo eléctrico a través del
sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada
red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones
chocan con estos átomos perdiendo parte de su
energía cinética, que es cedida en forma de
calor.
Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La
cantidad de energía calorífica producida por una
corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de
la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula
por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso
de la corriente".
Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad
de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad
de calor dependerá de la intensidad de corriente que por
ella circule, del valor de la resistencia eléctrica y de
la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos
enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor
desprendido por una resistencia es directamente proporcional al
cuadrado de la intensidad de corriente al valor la resistencia y
al tiempo.
Toda máquina eléctrica tiene
pérdidas de potencia, ya sea estática o
dinámica. A diferencia de un transformador ideal, el
transformador real tiene perdidas tanto en el circuito
magnético como en el circuito eléctrico.
La corriente en vacío de un transformador
con acero no es sinusoidal, esta curva de corriente magnetizante
puede ser descompuesta en una serie de armónicos, esta
serie solo contiene armónicos de orden impar, primero,
tercero, quinto, etc. Para el diseño, es necesario
tener en cuenta varios parámetros, y necesidades en la
cual vaya a ser aplicado el mismo. Se debe trabajar con tablas
para de esta manera saber los valores normalizados de los
diferentes componentes.
http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/
capitulo/8448141784.pdf
http://www.construyasuvideorockola.com/transformador_casero_01.php
http://www.unicrom.com/Tut_EmbobinadoTransformadores.asp
http://www2.uca.es/grup
invest/ntgc/crealabcp/temas/transformador.PDF
http://www.arcossalazar.net/modulos/recurso/archivos/15.pdf
Autor:
Juan Segarra