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PERDIDA DE POTENCIA Y EFICIENCIA EN TRANSFORMADORES TRANSFO RMADORES MONOFASICOS Mauricio Leonardo Villacís Marín Universidad Politécnica Salesiana e-mail:
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RESUMEN:
Lo esencial que podemos decir de las perdidas en los transformadores es que en la mayoría de los casos son producidos por la calidad del material del núcleo y también del alambre de cobre. Las pérdidas en el hierro pueden ser por lo que se denominan corrientes parásitas y el ciclo de histéresis, por lo general la energía perdida es disipada en forma de calor.
1 INTRODUCCIÓN Al hablar de transformadores todos desearíamos que fueran ideales, pero esto es imposible de lograr ya que por más que el transformador sea construido de la mejor manera siempre obtendremos perdidas de potencia debidos a los diferentes factores que s e mencionan a continuación.
Cuando un transformador está en vacío no existen perdidas en su salida pero si en el primario debido al bobinado y al circuito magnético sin embargo al ser muy pequeñas es muy común considerarlas nulas. Las pérdidas de potencia en el hierro (PFe) en un transformador en vacío se producen por las corrientes de Foucault (PF) y por el fenómeno de histéresis (PH). Para reducir la pérdida de energía, y la consiguiente pérdida de potencia, es necesario que los núcleos que están bajo un flujo variable no sean macizos sino deben ser construidos con chapas magnéticas de espesores muy pequeños, apiladas entre sí. La corriente eléctrica, al no poder circular de unas chapas a otras, tiene que hacerlo independientemente en cada una de ellas, con lo que se induce menos corriente y disminuye la potencia perdida por corrientes de Foucault.
2 DESARROLLO 2.1 Transformador monofásico El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos bobinas de material conductor una en el primario y otra en el secundario, aisladas entre sí eléctricamente, arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético (núcleo). La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Ya que los materiales por los cuales está formado el transformador no son ideales o perfectos, estos generan pérdidas de potencia en forma de calor, ya sea por conducción eléctrica en caso del cobre o por conducción de campos magnéticos en caso del núcleo. La cantidad de perdida se ve influenciada por varios factores como por ejemplo la calidad del material, su construcción, aislantes, etc. Por esta razón es necesario tomar medidas al momento de construir una maquina de este tipo sin embargo se deberá tener un equilibrio entre calidad y precio de construcción, así se podrá obtener el mayor provecho de la maquina requerida. En un transformador se producen las siguientes pérdidas: Pérdidas por corriente de Foucault (PF). Pérdidas por histéresis (PH). Pérdidas en el cobre del bobinado (Pcu).
Como los materiales magnéticos son buenos conductores eléctricos, en los núcleos magnéticos de los transformadores se genera una fuerza electromotriz inducida que origina corriente de circulación en los mismos, lo que da lugar a pérdidas de energía por ef ecto Joule. La siguiente tabla indica las características de construcción, los valores magnéticos y la composición química para la determinación de las pérdidas de potencia en el hierro en función del espesor, la aleación y la inducción.
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Para el cálculo de las pérdidas en el hierro por las corrientes de Foucault recurriremos a la que indica que las pérdidas en el hierro son proporcionales al cuadrado de la inducción y al cuadrado de la frecuencia.
La histérisis magnética es el fenómeno que se origina cuando la imantación de algunos materiales ferromagnéticos no dependen solo del flujo sino además dependen de los estados magnéticos anteriores. Cuando se trata de los transformadores, al someter el material magnético a un flujo que varía con el tiempo se produce una imantación que se mantiene al cortar el flujo variable, esto provoca una pérdida de energía que como habíamos manifestado se expresa en forma de calor.
PF = pérdidas por corrientes de Foucault en W/kg f = frecuencia en Hz βmax = inducción máxima en Gauss ∆ = espesor de la chapa magnética en mm
Como se ve a mayor frecuencia mayor serán las perdidas por las corrientes de Foucault.
2.2 Histéresis magnética Se produce histéresis al someter al núcleo a un campo creciente, los imanes elementales giran para orientarse según el sentido del campo. Al decrecer el campo, la mayoría de los imanes elementales recobran su posición inicial, sin embargo, otros no llegan a alcanzarla debido a los rozamientos moleculares conservando en mayor o menor grado parte de su orientación forzada, haciendo que persista un magnetismo remanente que obligue a cierto retraso de la inducción respecto de la intensidad de campo. Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que se manifiesta en forma de calor en los núcleos magnéticos. Con el fin de reducir al máximo estas pérdidas, los núcleos se construyen de materiales magnéticos de características especiales. La pérdida de potencia es directamente proporcional al área de la curva de histéresis.
La potencia que se pierde debido a la histéresis depende tanto del tipo de material aunque también se le puede considerar a la frecuencia. Para el cálculo de las pérdidas debido a la histéresis utilizamos la ecuación de Steinmetz que se muestra a continuación
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2.3 Aislamiento galvánico En un transformador existen multitud de espiras enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético. Estas espiras están recubiertas de un esmalte aislante muy fino. En algún momento puede suceder que la proximidad entre primario y secundario con un aislante en medio forme un condensador parásito (metalaislante-metal), y que se induzcan corrientes por el campo eléctrico, no por el magnético. Este efecto no es deseable, tiene un valor bajo pero no siempre es admisible. Para transformadores de señal, donde se requiere que la señal sea lo más pura posible, puede ser estrictamente necesario. En la figura se puede ver el esquema de un transformador de micrófono con aislamiento galvánico. Junto al núcleo existe una pantalla que conduzca la electricidad pero no ferromagnética para que no impida la inducción de tensión en el secundario. Esto nos lleva a usar cobre o aluminio. Esta pantalla se conecta a tierra y así las corrientes inducidas por el campo eléctrico van a tierra y no de un bobinado a otro.
Las perdidas dependerán del material del cual se haya construido los bobinados para esto es importante considerar los parámetros de costos y rendimiento.
2.5.1 Resistencia eléctricos:
de
los
conductores
Todo conductor eléctrico afecta el paso de una corriente eléctrica en mayor o menor grado determinado por su resistencia, el cual está afectado por los factores siguientes: -
El metal del que está formado Grosor Longitud.
2.5.2 Resistencia de los metales: La plata es el metal que conduce con más facilidad la electricidad, pero dado su costo tan elevado, no es común usarla como conductor en los circuitos eléctricos. El cobre es el conductor más usado por su bajo costo, aparte de ser un buen conductor de la electricidad. Es también usado el aluminio. Pero este presenta el inconveniente que no se puede soldar por los medios comunes, por lo mismo es muy limitado su uso en casas, solamente en líneas de transmisión de alto voltaje. A continuación les presento la tabla en la cual se especifica la resistencia de los diferentes conductores eléctricos.
2.4 Pérdidas por flujos diversos Las pérdidas por dispersión se presentan debido al flujo disperso que origina pérdidas en el núcleo, soportes, depósitos y otras partes de hierro. Estas pérdidas por dispersión elevan la temperatura de las partes estructurales del transformador. Para los transformadores de tipo seco, los aumentos de temperatura de esas regiones no contribuyen a aumentar la temperatura de la zona caliente de los arrollamientos. Para los transformadores sumergidos en líquido, las pérdidas por dispersión aumentan la temperatura del aceite y por lo tanto la temperatura de la zona caliente de los arrollamientos. Las pérdidas por dispersión son difíciles de evaluar por lo que se supone que las pérdidas varían con el cuadrado de la corriente multiplicado por la frecuencia (orden del armónico).
2.5 Pérdidas en el cobre Otra causa de perdidas en el transformador son las causadas por los bobinados, primario y secundario siempre y cuando exista carga, generalmente están construidas de cobre ya que si bien no es el mejor conductor posee un buen equilibrio entre costos y rendimiento.
Donde ρ es la resistencia que presenta un conductor de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección.
α representa el aumento de resistencia del material en cuestión por cada grado que aumentamos la temperatura.
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2.6 Método práctico para medir pérdidas en el hierro de transformador
las un
2.6.1 Método de prueba al vacio Al usar este método a través de la medición de la tensión, intensidad de corriente y potencia solamente en el bobinado primario y dejando el bobinado secundario abierto es decir el bobinado secundario no será recorrido por ninguna intensidad y de esta manera obtenemos directamente la potencia perdida en hierro Las perdidas en el hierro las podemos medir fácilmente, leyendo la entrada en vatios por medio de un vatímetro.
2.8 Midiendo bobinados
la resistencia de
los
Se aplica a cada devanado un voltaje de corriente continua de valor bajo, por ejemplo 120 Voltios, se mide la corriente y el voltaje del devanado en cuestión, se aplica la ley de Ohm y se obtiene la resistencia efectiva en C.C, se multiplica por 1.1 para obtener la resistencia efectiva a la C.A. De esta manera tenemos la corriente y la resistencia que tiene cada debando y podemos determinar la potencia perdida
2.9 Rendimiento de un transformador Es conveniente controlar la tensión aplicada al bobinado del transformador por ejemplo usando un autotransformador variando la tensión desde cero hasta el valor de la tensión nominal
2.7 Método para determinar las pérdidas en el cobre 2.7.1 Método del corto circuito Con este método en corto circuito conseguimos las intensidades nominales en los dos bobinados, aplicando una pequeña tensión al bobinado primario y cortocircuitando el bobinado secundario con un amperímetro (como se indica en la siguiente figura)
El rendimiento de un transformador se define como la relación entre la potencia de salida y la potencia absorbida de la red por el transformador
Para determinar el rendimiento de un transformador de una madera rápida y directa podemos medir con un vatímetro la potencia del bobinado primario y de igual forma con otro vatímetro la potencia del bobinado secundario, de tal forma que el rendimiento del transformador vendrá determinado por el coeficiente que resulte entre estos dos valores Otra manera de calcular la eficiencia en un transformador es determinado el cociente de la potencia de salida y la potencia de entrada, sumándole las perdidas en el cobre y en el hierro
2.10 Pérdidas adicionales en presencia de armónicos de corriente El método consiste en aplicar progresivamente una tensión voltio a voltio, hasta llegar a las intensidades nominales en los bobinados La tensión aplicada, una vez alcanzada la intensidad nominal en el secundario, recibe el nombre de tensión de corto circuito. Esta tensión supone un valor bajo con respecto a la tensión nominal aplicada al transformador cuando está en carga Estas pérdidas las podemos determinar directamente con el vatímetro conectándolo en el bobinado primario
Si se conoce el espectro de armónicos, o puede medirse, o predecirse, se pueden calcular con facilidad las pérdidas adicionales. En principio el proceso de cálculo es el siguiente:
Se determinan todas las componentes adicionales de pérdidas debidas a la presencia de armónicos. Se determina el espectro de armónicos, bien sea por medio de mediciones o por estimación,
. teniendo en cuenta todos los equipos generadores de armónicos esencialmente los convertidores electrónicos.
Se calcula la contribución de cada armónico y se determina la pérdida adicional total.
2.11 Materiales magnéticos Para comparar entre sí los materiales, se entiende la permeabilidad magnética absoluta ( μ) como el producto entre la permeabilidad magnética relativa ( μr) y la permeabilidad magnética de vacío (μ0): μ = μr μ0
Los materiales se pueden clasificar permeabilidad magnética relativa en:
según
su
Ferromagnéticos, cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es muy superior a 1.
transformador se produce por las pérdidas de energía eléctrica. En los transformadores secos, el escaso efecto refrigerante del aire no es suficiente para su refrigeración natural, por lo que son construidos con gran superficie de evacuación de aire. Está normalizado que los transformadores trabajen de forma permanente en régimen nominal y a una altitud de 1 000 metros; el calentamiento medio no debe superar los 65 ºC a temperatura ambiente, admitiendo 40 ºC como temperatura máxima del ambiente.
2.13 Diseños para evitar pérdidas Anteriormente se menciona que para evitar las corrientes parasitas y reducir en cierta forma las pérdidas de potencia se utiliza chapas muy delgadas en el núcleo, pero como debe ser estas chapas? El tipo de chapas más utilizado es el que adopta la forma de E, tal como se puede apreciar en la figura
Paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad relativa es aproximadamente 1 (se comportan como el vacío). Diamagnéticos, de relativa inferior a 1.
permeabilidad
magnética
Los materiales ferromagnéticos atraen el campo magnético hacia su interior. Son los materiales que "se pegan a los imanes". Esa propiedad recibe el nombre de ferromagnetismo. Ejemplos de ellos son el hierro y el níquel. Los materiales paramagnéticos son la mayoría de los que encontramos en la naturaleza. No presentan ferromagnetismo, y su reacción frente a los campos magnéticos es muy poco apreciable. Los materiales diamagnéticos repelen el campo magnético, haciendo que éste pase por el exterior del material. En general, esta acción diamagnética es muy débil, y no es comparable al efecto que produce el campo magnético sobre los materiales ferromagnéticos. Un ejemplo de material diamagnético es el cobre. Otro efecto de los campos magnéticos sobre los materiales es el antiferromagnetismo, que resulta en una polarización nula del material, pero produce una ordenación interna de éste.
2.12 Refrigeración La refrigeración es una herramienta que ayuda a mantener a una temperatura favorable para el funcionamiento del transformador existen diferentes tipos según los transformadores y dado al uso del mismo. La refrigeración en los transformadores se produce de diferentes maneras debido al tipo de construcción, a la potencia, al medio ambiente donde se encuentre, etc. Los transformadores de pequeña potencia se suelen refrigerar mediante la expulsión del aire caliente directamente a la atmósfera. El calentamiento en el
De igual forma en la figura podemos observar la manera de armar o construir el núcleo. Al construir de esta manera en núcleo aprovechamos casi es su totalidad el flujo magnético, evitándose las pérdidas por dispersión, este núcleo recibe el nombre de "núcleo acorazado". La forma correcta de armar un transformador consiste en montar las chapas, en forma invertida, una con respecto a la siguiente, según se observe en la figura. De esta forma se evita el entrehierro o espacio de aire que como hemos podido comprobar en nuestro estudio son un grave problema ya que disminuyen la permeabilidad magnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en la intensidad o densidad del campo magnético, que. Lo cual desemboca en pérdidas de potencia A continuación se muestra una tabla con las medidas de chapas disponibles en el mercado con su respectiva explicación grafica
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4 REFERENCIAS [1] Chapman.,Maquina Eléctricas. Mcgraw-hill - Mexico. 4ta Edicion. 2005 [2] http://www.mcgrawhill.es/bcv/guide/capitulo/8448141784.pdf [3] http://www.minas.upm.es/dep/SistemasEnergeticos/Tema2.PDF
3 CONCLUSIONES Al finalizar este ensayo puedo mencionar las siguientes conclusiones Las principales perdidas que existen en un transformador monofásico son causadas por flujos de histéresis, corrientes parasitas, y perdidas en el cobre Podemos reducir estas perdidas de potencia en el transformador y mejorando su eficiencia tomando en cuanta varios aspectos a la hora de la construcción de un transformador tales aspectos pueden ser, el uso de chapas en el núcleo, la selección adecuada del material magnético a utilizar, entre otros El transformador es una gran herramienta en la vida humana, y si tomamos en cuenta los aspectos mencionados en este ensayo a la hora de construir un transformador, tendremos una maquina eléctrica con menos perdidas y con una alta eficiencia optimizando nuestro trabajo y evitando pérdidas económicas
