PÉRDIDAS DE POTENCIA EN TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES Y SU EFICIENCIA Romeo Pauta López, Autor. Universidad Politécnica Salesiana. Cuenca, Ecuador. I. INTRODUCCIÓN
TRANSFORMADORES Definición Los transformadores son máquinas eléctricas que transforman voltajes en relación con el número de espiras del ingreso y de la salida, es decir es una máquina que funciona de los dos lados es decir es reversible.
Principio de Funcionamiento Funcionamiento
Clasificación Pueden ser: Transformadores Elevadores Transformadores Reductores Transformadores Monofásicos o Trifásicos fijos
Perdidas de Potencia
El transformador como toda máquina experimenta pérdidas de potencia, es decir no entrega al secundario toda la potencia que recibe de la fuente de energía primaria, es decir en todo el proceso de transformación sufren pérdidas de potencia lo cual se debe a muchos factores como: _ El Efecto Joule en los Bobinados _ Por Histéresis en el Hierro _ Por Corrientes Parásitas Los cuales se generan debido a los componentes o partes que integran el transformador. Todos los transformadores se clasifican por su nivel de eficiencia las cuales son relevantes en su uso ya que su objetivo no es perder potencia sino transformarla.
Utilidad Son necesarios para transportar económicamente electricidad a nuestras casas y lugares de trabajo, y son programados para elevar o reducir la tensión de modo de atender las necesidades específicas de las redes eléctricas. II. DESARROLLO
TRANSFORMADOR IDEAL El transformador puede ser considerado como ideal cuando no existe ningún tipo de pérdida de potencia, proceso que indica que no existen resistencias magnéticas ni eléctricas. La Ecuación que describiera este transformador sería:
P1 = P2
.
TRANSFORMADOR REAL Sabemos por la ley de la conservación de la energía que esta no se crea ni se destruye sino que se transforma, entonces la potencia que se pierde en el transformador se transforma en calor. El transformador real es el que se encuentra formado por circuitos eléctricos y magnéticos los cuales generan pérdidas de potenciaya que sabemos que ninguna máquina trabaja sin producir pérdidas de potencia:
Perdidas en el Circuito Magnético (Hierro) Para medir la pérdida de potencia en el circuito magnético y en el cobre de los bobinados, el transformador debe encontrarse en vació ya que si no existe corriente en el secundario las pequeñas pérdidas en el devanado primario puede ser detectado fácilmente. Los tipos de pérdidas son por:
Pérdidas de Potencia en el Hierro
_ Corrientes Parásitas o de Foucault Las Corrientes parásitas se crean en cualquier material conductor que se encuentra sometido a una variación del flujo magnético.Se generan debido a que un voltaje se crea por la variación del flujo magnético en el tiempo: ф
v =
Y también aquí influye la resistencia del material usado:
R=
Generando así las corrientes parásitas:
i=
Entonces todos estos factores provocan una potencia la cual es perdida debido a dichas corrientes, perjudicando el correcto funcionamiento del transformador.
Solución: Para reducir la pérdida de potencia por estas corrientes es necesario que los núcleos que están sometidos bajo un flujo variable no sea macizo sino que esté constituido por chapas magnéticas de espesores pequeños apilados pero aislados entre sí, de esta manera afectamos al valor de la sección de la resistencia creada haciéndola pequeña lo cual da por consecuencia una corriente parásita baja por lo que se genera una pérdida de potencia muy baja. Las pérdidas por corrientes parásitas dependerán del material que esté constituido el núcleo magnético.
Tabla de los valores magnéticos para la determinación de las pérdidas de potencia en el hierro en función del espesor, la aleación y la inducción.
Tabla de valores de Chapas Magnéticas Normalizadas.
_ Ciclo de Histéresis Histéresis es el retraso de la magnetización con respecto a la intensidad magnética.
Esta pérdida es producida, por el flujo magnético el cual no se cierra por completo dejando un flujo remanente el cual para ser desmagnetizado requiere una corriente y voltaje lo cual representa una potencia perdida en forma de calor para desmagnetizar el núcleo. Solución: Esta pérdida se la puede reducir buscando mejor materiales que presenten áreas más pequeñas de pérdidas de potencia.
_ lujos Dispersos Son los quese escapan en las esquinas del núcleo. Estos flujos de perdida originan tensiones pero las pérdidas son pequeñas debido a estos flujos. Solución: La solución para este tipo de pérdidas es buscando los mejores diseños posibles del núcleo pero que intenten evitar que se dispersen los flujos, de esta manera minoran las pérdidas de potencia del núcleo. La forma del núcleo varía según el uso y potencia. Entre los monofásicos se encuentran: Los de forma anillo Los acorazados. Entre los trifásicos se encuentran: El modelo simétrico El anillo.
En transformadores pequeños se colocan las chapas una a una. Mientras que en los grandes, las dos cabezas quedan separadas, y deben sujetarse con pernos roscados. Materiales para fabricación de los núcleos: Este análisis se lo realiza en base a las pérdidas por histéresis ya que determina que las pérdidas producidas por él representan una cierta potencia que absorbe el núcleo metálico de todo bobinado sometido a corrientes variables. Es decir, que el trabajo eléctrico gastado en la imantación del núcleo no se invierte totalmente en efecto útil, sino que parte de él se consume en describir el ciclo o lazo de histéresis. Esta pérdida se intentó minorarla haciendo láminas de acero preparadas para núcleos de máquinas y transformadores.
Coeficientes de Steinmetz para cada material:
Material - Coeficiente ( ) Hierro dulce 2,5 Fundición 17,0 Acero fundido 15,0 Acero dulce para máquinas 10,0 Acero dulce recocido 5,8 Acero dulce 2,7 Acero dulce, con 2% de silicio 1,5 Acero dulce, con 3% de silicio 1,25 Acero dulce, con 4% de silicio 1,0 Laminación dulce 3,1 Laminación delgada 3,8 Laminación ordinaria 4,2 Entonces se observa en la tabla la influencia que tendrá el tipo de material elegido en la cifra de pérdidas. Núcleos para transformadores Esquema Amorfo
Núcleos laminados: Este tipo de núcleos es el más frecuente, donde se lo emplea extensamente en transformadores de potencia baja y media (hasta unos 1000 VA). La materia prima - usualmente Fe con un porcentaje de Si entre el 3 y el 4% - viene en dos formas:
1. Hojas de 1 por 2 metros con espesores variables, siendo una de los más comunes 0,35 milímetros.
2. Cintas arrolladas, con espesores típicos de 0,05 a 0,2 milímetros.
Núcleos en anillo armados con tiras “I”
Una de las formas de realizar un núcleo laminado consiste en utilizar láminas o chapas de hierro-silicio. Se superponen chapas hasta obtener un apilado necesario para lograr la sección de hierro deseada. La sección de hierro, conjuntamente con la longitud del camino magnético del hierro (también llamada “espira magnética”) constituyen los parámetros significativos del
circuito magnético.
Núcleos E-I (o acorazados): Este tipo de núcleos se usa ampliamente en baja frecuencia, para tamaños pequeños y medianos, debido a las varias ventajas que ofrece:
1. Es compacto y de fácil montaje.
2. La bobina se encuentra protegida por las partes exteriores de la E (por ese motivo se lo llama “acorazado”).
3. La bobina puede realizarse por separado y ser montada posteriormente en el núcleo.
Estos núcleos utilizan láminas (chapas) cortadas con matriz con formas de “E” e “I”.
El formato de núcleo acorazado posibilita un buen aprovechamiento de la chapa entera de la cual se cortan las laminaciones E-I. En efecto, dimensionando adecuadamente la laminación y haciendo el matrizado con la secuencia apropiada, se producen dos chapas “I” y dos “E” por corte.
Núcleos Toroidales laminados: Los núcleos toroidales constituyen una solución óptima desde el punto de vista magnético. Los toroides de sección cuadrada, construidos con materiales laminados, son realizables en dos variables:
Núcleos Toroidales de chapas planas apiladas: Estos núcleos, como todos los toroides tienen estas ventajas:
1. Configuraciónmagnética ideal.
2. Mínimo flujo disperso (ideal nulo).
3. Entrehierro nulo (es una ventaja en ciertas aplicaciones).
Núcleos toroidales de cinta arrollada: Estos núcleos, realizados con cintas finas poseen ventajas adicionales a las señaladas anteriormente para los toroides en general:
1. El pequeño espesor de la cinta, unido a la utilización de materiales magnéticos especiales, posibilita trabajar a frecuencias de hasta 100 Khz.
2. Si se usan materiales de grano orientado a lo largo de la cinta, se aprovechan totalmente sus propiedades.
3. Es posible construir núcleos de este tipo en tamaños pequeños, y encapsularlos.
Estas ventajas adicionales abren un campo de aplicaciones relativamente amplio en el cual este tipo de núcleo es competitivo con otras alternativas constructivas
(transformadores de potencia en frecuencias medias). Un inconveniente adicional es el costo elevado.
Núcleos acorazados (E-E) de cinta arrollada: Una solución ingeniosa a algunos de los inconvenientes de los núcleos toroidales se tiene con la utilización de los núcleos cuasi-toroidales de cinta arrollada en configuración E-E
Pérdidas de Potencia en el Cobre (cu)
Estas pérdidas son generadas debido a la resistencia u oposición al paso de la corriente que presentan los cables de cobre que sirven de canales de conexión lo cual genera una pérdida de corriente y voltaje de esta forma generando una pérdida de potencia. Solución Para reducir las pérdidas en los circuitos eléctricos por pérdidas en el cobre se muestra la siguiente Tabla de conductores que nos indican la sección con su respectivo equivalente número de cable lo cual nos será muy factible en un cálculo de un transformador.-
Esta tabla de conversión les permitirá saber el diámetro y superficie o área de sección del conductor, conociendo el número AWG (American Wire Gauge).
EFICIENCIA DE LOS TRANSFORMADORES La eficiencia o rendimiento de un transformador será un porcentaje que indica el porcentaje efectivo de transferencia de potencia útil. También se define como la relación entre la potencia cedida al exterior de la máquina y la potencia absorbida por el bobinado primario.
La potencia de salida es la potencia de entrada menos las pérdidas.
El uso de transformadores hace que se pierda potencia en forma decalor. Los transformadores de potencia eficientes cuentan con conductores de cobre de alta conductividad. También, los transformadores eficientes que operan en mejores condiciones de enfriamientotienen una vida útil más larga. Los transformadores de potencia eficientes son un poco más caros que los transformadoresconvencionales, sin embargo, sus costos de operación son normalmente mucho más bajos,especialmente cuando los precios de la energía son altos y los transformadores operan consobrecarga por largos períodos de tiempo. Los transformadores poseen una vida útil entre 20 y 40 años o más. Un menor costo operacionalde un transformador de potencia eficiente puede resultar con un costo total sustancialmentemás bajo.
TRANSFORMADOR EN VACÍO Un transformador se encuentra a vacío cuando el devanado primario del está conectado a una red de corriente alterna con frecuencia f. Y el secundario está abierto o desconectado.
Pérdidas del transformador en Vacío Monofásico Durante el funcionamiento de un transformador en vacío se tienen las siguientes perdidas en el circuito eléctrico y magnético: _ Pérdidas en el cobre del primario 2
Pcu = I *r
_ Pérdidas principales en el acero del núcleo
Pac _ Pérdidas adicionales en vacío
Pad Entonces las pérdidas de potencia en un transformador monofásico son:
Po = Pcu + Pac + Pad III. CONCLUSIONES. Como conclusión de este presente ensayo podemos decir que los transformadores no son creados para que pierdan potencia pero por debidos factores se pierde un determinado valor de potencia el cual se debe procurar disminuirlo en gran cantidad para que la eficiencia del transformador sea la más óptima y en este presente ensayo hemos dado un gran aporte ya que todas las formas por las cuales pierde potencia el transformador se encuentra con su respectiva solución la cual nos ayuda a reducir un gran porcentaje las pérdidas de potencia.
IV. BIBLIOGRAFÍA.
1. Luciano Cuellar, Elmer Oviedo Tesis Manejo Eficiente de la Energía Aplicadaen Transformadores junio de 2007 Universidad Autónoma de occidente Cali. www.histeresis_perdidas.com 2. Ahorro de Energía Eléctrica en Instalaciones Industriales. Modulo IV diplomadoIng.Percy R. Viego Felipe ph. Mayo 1999. www.trans.ideal.com 3. www.eficiencia energénita.com 4. www.transformadoresenergéticos.com
