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Pérdidas de Potencia y Eficiencia de un Transformador Eléctrico Monofásico

Enviado por Juan Segarra



  1. Introducción
  2. Pérdidas de potencia
  3. Pérdidas en el hierro (PH)
  4. Pérdidas en el cobre (PC)
  5. Solución a las corrientes parásitas
  6. Pérdidas en el circuito eléctrico
  7. Métodos para observar las pérdidas
  8. Conclusiones
  9. 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

 


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