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PERDIDAS DE POTENCIA-EFICIENCIA EN TRANSFORMADORES
Jorge Andrés Aucay Pauta
Luis Fernando Fernández Cruz
Xavier Andrés Cárdenas
Universidad Politécnica Salesiana
Carrera de Ingeniería Eléctrica
e-mail: [email protected]
RESUMEN: En el presente ensayo
expondré temas como las pérdidas de potencia
en el transformador y su eficiencia;
empezando por recalcar usos, funcionamiento,
principios; entre otras propiedades de este
elemento eléctrico. Trataré además de
explicar de manera concreta y con ejemplos
las distintas perdidas dependiendo de su
especie y en donde se originan. Para alcanzar
todo esto también expondré un marco teórico
acerca de los transformadores, empezando por
sus tipos y usos entre otros temas de
conocimiento.
1 INTRODUCCIÓN
Debemos recordar que tiempo atrás la
conducción de la electricidad fue un gran
inconveniente, debido a los voltajes que se
pretendía trasladar y de las distancias que
requería realizar este proceso. La necesidad de
buscar alternativas para ese transporte de
electricidad dio paso a lo que hoy conocemos
como transformadores. Un transformador es
un aparato estático que, por inducción
electromagnética, transforma la tensión y
corriente alternas entre dos y más devanados
con igual frecuencia y, por lo general, distintos
valores de la tensión y de la corriente. Son
muchos y variados los tipos de transformador
existentes, y de uso actual en electrónica y
electricidad industrial donde resulta
insustituible para sus objetivos. El principio de
funcionamiento que vamos a tratar es igual
para todos. El funcionamiento del
transformador fue descubierto por Michael
Faraday .En la década de los 1830 y 1870 los
esfuerzos por construir mejor diseños de
transformadores reveló lentamente los
principios básicos de los transformadores, pero
recién en 1880 apareció un diseño mejorado y
mas optimo. Entre 1884 y 1885, los ingenieros
húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri de la
compañía Ganz crearon en Budapest el modelo
“ZBD” de transformador de corriente alterna,
basado en un diseño de Gaulard y Gibbs
(Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de
núcleo abierto). Descubrieron la fórmula
matemática de los transformadores:
En un transformador eléctrico, al igual que en
todas las máquinas eléctricas, hay pérdidas de
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 o también la
eficiencia del transformador. Estos son los
puntos que se analizara en este ensayo.
2 DESAROLLO DEL TEMA
2.1 EL TRANSFORMADOR
Un transformador es un aparato con el que se
puede convertir una tensión alterna en otra
más alta o más baja, y consta de dos bobinas
acopladas magnéticamente. La tensión
inducida en la bobina acoplada depende de la
autoinducción de estas bobinas y de su número
de espiras. Además, dicha tensión depende
también e la fuerza del acoplamiento o de la
distancia entre las bobinas y de su posición
.
2
mutua. Por lo general, las bobinas de un
transformador están acopladas muy
fuertemente, por lo que la inducción mutua y
el valor de acoplamiento son grandes y el
efecto de inducción conversión de una de las
tensiones en otra) es también grande. Si se
considera el transformador desde una de las
bobinas, a la que se aplica la tensión alterna,
dicha bobina se llama devanado primario, en
tanto a la acoplada se le llama devanado
secundario. El principio fundamental de un
transformador se ha representado en la Figura
1,
Figura 1
Donde S1 es el devanado primario y S2 el
secundario, constituidos respectivamente por
n1 y n2 espiras. Supongamos que el primario
se conecta a una tensión alterna de 100V y que
está formado por 100 espiras (n1=100), y el
secundario 50 espiras (n2=50). Al pasar una
corriente alterna por el primario se induce una
tensión en todas las espiras, tanto primarias
como secundarias. De este modo, en el
primario se induce una tensión igual y opuesta
a la aplicada, que valdrá 100V, lo que
corresponde a 1V por espira. Como el
devanado secundario tiene 50 espiras, se
producirá en él una tensión de 50 V. De ello se
deduce que la tensión es proporcional al
número de espiras de los devanados. En el
caso que estamos tratando, la relación de
espiras es de 100/50 = 2/1, por lo que la
relación de tensión será también de 2/1. Por lo
tanto, la tensión del primario se ha reducido en
el secundario. Si la cantidad de espiras del
secundario fuese 200 en vez de 50, la tensión
sería de 200 V, puesto que la relación de
espiras sería de 200/100 = 2. Vemos que se
puede obtener en el secundario de un
transformador cualquier tensión que se desee,
eligiendo adecuadamente la relación de espiras
necesaria. Se puede expresar así:
E1/E2 = n1/n2
Si conectamos ahora una resistencia al
secundario del transformador, consumirá cierta
energía que supondremos de 100W. Esta
energía se toma de la fuente de alimentación a
través del transformador, por lo que es
indudable que dicha energía habrá de ser
suministrada por la fuente. Dejando de lado las
pérdidas propias del transformador, la
mencionada energía de 100W tendría que
suministrarse por la fuente de alimentación a
la resistencia mediante los devanados primario
y secundario, y su valor será igual a E x I. Si la
tensión del primario es de 100V, como ya
dijimos, para la potencia de 100W su corriente
deberá ser de 1A y si la tensión del secundario
es de 20V, para esa misma potencia de 100W
su corriente será 0,5A. Por lo tanto, la relación
en que se encuentran las corrientes primaria y
secundaria es inversa a la de las tensiones, lo
que se puede expresar:
I1/I2 = E2/E1
Los transformadores de B.F. pueden destinarse
a la alimentación del equipo o pueden ser de
acoplamiento entre dos pasos de B.F. Sus
componentes más importantes son los
devanados, el carrete y el núcleo. Los
devanados se componen de un cierto número
de espiras que se disponen en capas
superpuestas. El hilo es de cobre esmaltado.
Entre las capas de los devanados se coloca
alguna sustancia aislante. El carrete es un
soporte de papel claro o cartón baquelizado
que algunas veces va provisto de aletas
laterales, como se puede ver en la Figura 2,
aunque los transformadores actuales
prescinden de esta unidad.
.
3
Figura 2
El núcleo se compone de un número de chapas
delgadas, aisladas entre si (figura 3). Este
material se utiliza en casi todos los
transformadores, debido a sus buenas
cualidades. Al templar las chapas se produce
en ellas una capita de óxido que sirve de
aislante entre las mismas y que es necesaria
para limitar las consecuencias de las corrientes
de Foucault. Hay muchas formas de núcleos,
aunque aquí nos referimos a las llamadas
chapas en E, que se disponen una a
continuación de otra, como se indica en la
Figura 3.
Figura 3
La Figura 4 representa un transformador de
alimentación compuesto por cuatro devanados,
el primario se conecta a la red de alimentación,
el resto de devanados suministran diferentes
tensiones precisas para la alimentación de los
circuitos electrónicos del aparato que se trate.
Figura 4
Hemos referido los principios fundamentales
de funcionamiento del transformador tomando
como referencia el utilizado para baja
frecuencia. También son utiliza dos para altas
frecuencias con diferente objetivo y ejecución,
en adaptación de impedancias, etc. El
transporte de energía eléctrica desde la central
generadora a cualquier punto distante no sería
posible sin la utilización de transformadores.
Elevan la tensión a miles de voltios con la
consiguiente disminución de la intensidad;
factor éste último que determina la sección del
hilo que se utiliza, a menor intensidad menor
sección del hilo o cable, hecho éste
imprescindible para el transporte de la energía.
Se trata de transformadores de grandes
dimensiones y que suelen introducirse en
aceite especial para su refrigeración. Son
muchos tipos de transformador los que existen
y para muy variadas funciones, y también hay
diversidad de materiales utilizados para su
fabricación que las nuevas tecnologías están
aportando. Pero el principio de funcionamiento
es el que de forma sencilla y elemental hemos
expuesto. En futuros artículos sobre este
singular aparato ofreceremos el cálculo total
para su fabricación. También presentaremos de
forma más extensa los diferentes tipos de
transformadores utilizados en la actualidad.
2.2 TRANSFORMADOR EN VACÍO
Como hemos visto anteriormente, el
.
4
transformador está basado en que la energía se
puede transportar eficazmente por inducción
electromagnética desde una bobina a otra por
medio de un flujo variable, con un mismo
circuito magnético y a la misma frecuencia. La
potencia nominal o aparente de un
transformador es la
potencia máxima que puede proporcionar sin
que se produzca un calentamiento en régimen
de trabajo. Debido a las pérdidas que se
producen en los bobinados por el efecto Joule
y en el hierro por histéresis y por corrientes de
Foucault, el transformador deberá soportar
todas las pérdidas más la potencia nominal
para la que ha sido proyectado. Un
transformador podrá entonces trabajar
permanentemente y en condiciones nominales
de potencia, tensión, corriente y frecuencia, sin
peligro de deterioro por sobrecalentamiento o
de envejecimiento de conductores y aislantes.
2.2.1 DEFINICIÓN
Se puede considerar un transformador ideal
aquel en el que no existe ningún tipo de
pérdida, ni magnética ni eléctrica.
La ausencia de pérdidas supone la inexistencia
de resistencia e inductancia en los bobinados.
Figura 5
Como podemos observar en la Figura 5, en el
transformador ideal no hay dispersión de flujo
magnético, por lo que el flujo se cierra
íntegramente sin ningún tipo de dificultad. Las
tensiones cambian de valor sin producirse
ninguna caída de tensión, puesto que no se
producen resistencias en los bobinados
primario y secundario.
En la práctica, en un transformador en vacío
conectado a una red eléctrica esto no es así.
Las bobinas ofrecen una determinada
resistencia al paso de la corriente eléctrica,
provocando una caída de tensión que se deberá
tener en cuenta en ambos bobinados (R1 y
R2).
Igualmente, el flujo magnético que se origina
en el bobinado primario no se cierra en su
totalidad con el secundario a través del núcleo
magnético, sino que una parte de este flujo
atraviesa el aislante y se cierra a través del
aire.
Ambas bobinas no se enlazan por el mismo
flujo, la pérdida de flujo magnético se traduce
en la llamada inductancia de dispersión (Xd);
por lo tanto, a la hora de analizar las pérdidas
del transformador se han de tener en cuenta
estas particularidades (véase la Figura 6).
Figura 6
3 PERDIDAS EN
TRANSFORMACIÓN
Ninguna máquina trabaja sin producir pérdidas
de potencia, ya sea estática o dinámica; ahora
bien, las pérdidas en las máquinas estáticas son
muy pequeñas, como le sucede a los
transformadores.
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).
Las pérdidas por corriente de Foucault (PF) y
por histéresis (PH) son las llamadas pérdidas
en el hierro (PFe).
Cuando un transformador está en vacío, la
potencia que medimos en un transformador
con el circuito abierto se compone de la
potencia perdida en el circuito magnético y la
perdida en el cobre de los bobinados.
pequeña la intensidad del primario en vacío
(I0) con respecto a la ntensidad en carga I2n,
Al ser nula la intensidad en el secundario (I2 = 0),
no apa-
rece en él pérdida de potencia; por otra parte, al
ser muy
pequeña la intensidad del primario en vacío (I0)
con res-
Al ser nula la intensidad en el secundario (I2 = 0),
no apa-
rece en él pérdida de potencia; por otra parte, al
ser muy
.
5
las pérdidas que se originan en el cobre del
bobinado primario resultan prácticamente
insignificantes.
Figura 7
3.1 PÉRDIDAS EN EL HIERRO (PFe) 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; deberán estar construidos con chapas magnéticas de espesores mínimos, apiladas y aisladas 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. En la Figura 8 podemos observar cómo circula la corriente por ambos núcleos magnéticos. Las corrientes de Foucault se producen en cualquier material conductor cuando se encuentra sometido a una variación del flujo magnético. 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 efecto Joule. Las pérdidas por corrientes parásitas o de
Foucault dependerán del material del que esté constituido el núcleo magnético. Para el tipo de chapa magnética de una inducción de 1 Tesla o 10 000 Gauss, trabajando a una frecuencia de 50 Hz de laminado en frío de grano orientado, las pérdidas en el núcleo se estiman entre 0,3 W/kg y 0,5 W/kg, mientras que las pérdidas de la chapa de laminado en caliente para
Figura 8
Núcleos Magnéticos la misma inducción y la misma frecuencia
oscilan entre 0,8y 1,4 W/kg. La Tabla 1 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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TABLA 1
CARACTERÍSTICAS PARA LA
DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE POTENCIA (W/KG).
Para el cálculo de las pérdidas en el hierro por las corrientes de Foucault recurriremos a la Fórmula 1 que indica que las pérdidas en el hierro son proporcionales al cuadrado de la inducción y al cuadrado de la frecuencia. FÓRMULA 1
Dónde: PF = pérdidas por corrientes de Foucault en W/kg f = frecuencia en Hz
mm 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. 3.2 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.
Figura 9
La histéresis magnética es el fenómeno que se origina cuando la imantación de algunos materiales ferromagnéticos no depende 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.
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Figura10
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
Caso Práctico 1 Tenemos un transformador que trabaja a una frecuencia de 50 Hz, con una chapa magnética que tiene un espesor de 0,35 mm y una inducción magnética de 1 Tesla o 10 000 Gauss. Lo vamos a conectar a una red de 60 Hz de frecuencia. ¿Cuáles serán las pérdidas el hierro conectado a la red de 50 Hz? ¿Cuáles serán las pérdidas en el hierro conectado a la red de 60 HZ? Si aplicamos la Fórmula 4.1, para una frecuencia de 50 Hz serán:
Para la frecuencia de 60Hz será:
Esto indica que cuanto mayor sea la frecuencia, mayores serán las pérdidas por corrientes de Foucault. La histéresis magnética es el fenómeno que se produce cuando la imantación de los materiales ferromagnéticos no sólo 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.
Figura11 Ciclo de histéresis
A Comienzo del ciclo de imanación Que, al aumentar la intensidad, llega a F
.
8
D Extremo del ciclo a máxima intensidad negativa CDEDC Área de Histéresis AC = Hc Fuerza de campo coercitiva AB = Br Magnetismo remanente 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 4.2) 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. Fórmula 4.2 Kh = coeficiente de cada material F = frecuencia en Hz
PH = pérdida por histéresis en W/kg
Figura12.Ciclo de histéresis de dos materiales diferentes.
1 Área de pérdidas para hierro dulce 2 Área de pérdidas para acero templado (AB), el acero templado tiene mayor fuerza coercitiva (C’A) que el hierro dulce (CA)
Caso Práctico 2
Tenemos un transformador que trabaja a una frecuencia de 50 Hz, con una chapa magnética de una inducción de 1,2 Tesla (12 000 Gauss), conectado a una red de 50 Hz de frecuencia. El peso del núcleo del transformador es de 3 kg. ¿Cuáles serán las pérdidas por histéresis del núcleo magnético? Si aplicamos la Fórmula 4.2 de Steinmetz y el coeficiente de histéresis tiene un valor de 0,002, la potencia perdida en el núcleo por histéresis será:
nPH = Kh · f · max = 0,002 · 50 · 1,22 =
0,144 W/kg Por lo tanto, la pérdida por histéresis del núcleo será: PHT = PH · peso del hierro = 0,144 · 3 =
0,432 W Las pérdidas de potencia en el hierro (PFe) o en el núcleo magnético son la suma correspondiente a las pérdidas por Foucault (PF) y por histéresis (PH), como indica la siguiente fórmula: Fórmula 4.3
PF + PH = PFe
Caso Práctico 3 Tenemos un transformador conectado a una red de 50Hz de frecuencia con una chapa magnética de 0,9 Tesla (9 000
.
9
Gauss) de inducción. El peso del núcleo del transformador es de 12 kg. El espesor de la chapa del núcleo es de 0,35 mm y el coeficiente de histéresis es 0,002. Calcula la potencia perdida en el hierro. Comenzaremos calculando la potencia perdida por Foucault.
Las pérdidas totales por Foucault serán:
PFT = PF · peso del núcleo PFT = 0,545 · 12 = 6,54 W
Las pérdidas por histéresis serán:
PH = Kh · f · n
PH = 0,002 · 50 · 0,916
PH = 0, 0844 W/kg Las pérdidas totales por histéresis serán: Para las pérdidas totales en el núcleo magnético, recurriremos a la Fórmula 4.3:
PFe = PF + PH = 6,54 + 1,01 = 7,55 W
No obstante, las pérdidas en el hierro se pueden determinar midiendo la potencia consumida por el transformador en vacío mediante vatímetro, como podremos comprobar en el ensayo correspondiente, que recibe el nombre de ensayo en vacío.
3.3 ENSAYO VACÍO
El ensayo en vacío proporciona, a través de las medidas de 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 tanto, este bobinado no será recorrido por ninguna intensidad, y no se tendrán en cuenta los ínfimos valores de las pérdidas en el cobre para este ensayo. Los principales datos que hay que determinar en el ensayo en vacío son: Las pérdidas en el hierro a través de la lectura del vatímetro (W1) en el bobinado primario, entendiendo que la P10 es la potencia medida en el vatímetro (W1).
(PFe = P10)
La intensidad en vacío del primario a través del amperímetro (A1). La relación de transformación (m): No obstante, las pérdidas en el hierro se pueden determinar midiendo la potencia consumida por el transformador en vacío mediante vatímetro, como podremos comprobar en el ensayo correspondiente, que recibe el nombre de ensayo en vacío.
La potencia aparente en vacío (Ssap):
Ssap = U1n · I10 El ángulo de desfase (ϕ) o factor de potencia de vacío:
El ensayo en vacío proporciona, a través de las medidas de tensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los
Ensayo en vacío
El ensayo en vacío proporciona, a través de las medidas de tensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los
El ensayo en vacío proporciona, a través de las medidas de tensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los
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El ensayo en vacío proporciona, a través de las medidas de tensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los
En vacío, el coseno de ϕ10 coincide aproximadamente con el cos ϕ20 (cos ϕ10 ≅
Figura13.Esquema eléctrico del ensayo
de un transformador en vacío.
G Fuente de alimentación de corriente alterna regulable (Autotransformador
regulable)
Caso Práctico 4
Calcula la potencia aparente y el factor de potencia en vacío de un transformador partiendo de los siguientes datos:
Con los resultados obtenidos podemos calcular:
La relación de transformación (m). La potencia activa en vacío (P10). La impedancia (Z). La potencia aparente (Ssap). El ángulo de desfase ϕla intensidad de corriente. No obstante, las pérdidas en el hierro se suelen determinar midiendo la potencia consumida por el transformador en vacío
mediante vatímetro, como podremos comprobar en el ensayo correspondiente, que recibe el nombre de ensayo en vacío. En el ensayo en vacío, al estar abierto el bobinado secundario, no circula ninguna intensidad por éste, lo que permite que las tensiones primarias y secundarias sean exactas a las previstas en cada bobinado. Por lo tanto:
La potencia perdida que hemos medido con el vatímetro en el bobinado primario del transformador en vacío corresponde a las pérdidas en el hierro y en el cobre.
P10 = 2,2 W
La potencia perdida en el cobre se puede calcular mediante la resistencia del bobinado y el cuadrado de la intensidad del primario (I10)2.
La resistencia del cobre medido con un óhmetro nos da 2,4 Ω y la potencia del cobre será: Pcu = Rcu · (I10)2 = 2,4 · 0,0812 = 0,0015
W
Este resultado indica que la potencia que se pierde por el cobre del bobinado se puede despreciar con respecto a las pérdidas en el núcleo por las corrientes de Foucault y por el fenómeno de histéresis, en cualquier ensayo en vacío. La impedancia se determinará conocida la tensión y la intensidad del primario:
La potencia aparente se determinará conocida la tensión y la intensidad del primario:
No obstante, las pérdidas en el hierro se pueden determi- nar midiendo la potencia consumida por el transformador en vacío mediante vatímetro, como podremos comprobar en el ensayo correspondiente, que recibe el nombre de en- sayo en vacío.
No obstante, las pérdidas en el hierro se pueden determi- nar midiendo la potencia consumida por el transformador
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Ssap = U1n · I1 = 380 · 0,081 = 30,78 VA El ángulo de desfase ϕ entre la tensión y la intensidadde corriente.
Hay que tener en cuenta algunas consideraciones cuando se producen pérdidas en el hierro o en vacío de un transformador; estas pérdidas tienen bastante importancia durante su explotación, ya que por ella misma provoca un consumo de energía incluso cuando el transformador no tiene consumo. En los momentos que no tiene consumo exterior, esta energía deberá ser abonada por el usuario, debido a que los contadores de energía se conectan siempre en los primarios de los transformadores de los centros de transformación. También se ha comprobado que las pérdidas en el hierro son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la inducción, por lo que al usuario le interesan inducciones bajas; pero el interés de los constructores de transformadores es dar un valor tan elevado como puedan. Para realizar el ensayo de un transformador, deberemos seguir un determinado orden, que puede ser éste:
1. Determinar las características del transformador.
2. Exponer los objetivos del ensayo.
3. Diseñar el esquema de montaje del
ensayo (puede ser como el de la Figura 4.7) y realizar los cálculos previos.
4. Procederemos a localizar los aparatos de medidas necesarios para realizar todas las medidas que el ensayo requiere, y un autotransformador regulable para disponer de diferentes valores de las tensiones. Para eso recurrimos al esquema de montaje que tenemos en la Figura 4.7.
5. Realizaremos el montaje de los
elementos que requieren el ensayo según el esquema de montaje.
6. Procederemos a realizar las
medidas pertinentes, anotando en un cuadro de valores todos los datos que los aparatos de medidas nos vayan aportando, como indica el protocolo de ensayos.
7. Cotejaremos los datos obtenidos con los cálculos previos, procederemos a determinar la potencia perdida y redactaremos las conclusiones.
Denominaremos protocolo de ensayo al documento que recoge el proceso que hemos expuesto anteriormente. Este protocolo se realiza también con los ensayos del transformador en carga y en cortocircuito, como veremos más adelante.
3.4 TRANSFORMADOR EN CORTOCIRCUITO En los transformadores, al igual que en cualquier dispositivo eléctrico, se producen pérdidas de potencia; una parte de éstas se producen ya en vacío y se mantienen constantes e invariables en carga.
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Figura14.Circuito equivalente de resistencias e inductancias de un
transformador en cortocircuito.
Ensayo en cortocircuito Con el ensayo en cortocircuito, conseguimos las intensidades nominales en los dos bobinados, aplicando una pequeña tensión al primario y cortocircuitando el secundario con un amperímetro (el amperímetro tiene una resistencia prácticamente nula), como se muestra en las figuras 15 y 16.
Figura15.Esquema de montaje de un transformador en cortocircuito.
El procedimiento es el siguiente: Con un autotransformador regulable y comenzando desde cero, aplicamos progresivamente la tensión, que se incrementa voltio a voltio, hasta conseguir las intensidades nominales en los dos bobinados. La tensión aplicada, una vez alcanzada la intensidad nominal en el secundario, recibe el nombre de tensión de cortocircuito (Ucc). Esta tensión supone un valor bajo con respecto a la tensión nominal aplicada al transformador cuando
está en carga. En la práctica, la Ucc se da en valores porcentuales oscila entre un 4 % y un 10 % de la tensión nominal U1n. En transformadores de distribución, la tensión nominal se representa con la letra u minúscula seguida de cc, que indica el valor en cortocircuito (Ucc), así como en las demás magnitudes, como son las impedancias, las inductancias, etc.
3.5 RENDIMIENTO DE UN TRANSFORMADOR 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.
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3.6 PÉRDIDAS ADICIONALES EN PRESENCIA DE ARMÓNICOS DE CORRIENTE 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. 3.7 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 = μrμ0 Los materiales se pueden clasificar según su permeabilidad magnética relativa en:
Ferromagnéticos, cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es muy superior a 1.
Paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad relativa es aproximadamente 1 (se comportan como el vacío).
Diamagnéticos, de permeabilidad magnética relativa inferior a 1. 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. 3.8 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 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. 3.9 Diseños para evitar pérdidas
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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
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
CONCLUSIONES
Creo que es muy importante para el estudio del electromagnetismo tener en cuenta cada una de las pautas a tomar en cuenta para tener un buen diseño al momento de trabajar sin pérdidas o tratando de evitarlas lo mayor posiblr; debido a su gran importancia en cuanto se refiere a los cálculos de los valores que encierra la materia.
Es necesario proyectar los conceptos aquí establecidos en los trabajos propuestos y en la práctica cotidiana; para tener un buen resultado al momento de establecer los valores en nuestros elementos eléctricos como son los transformadores, según sea el caso y dependiendo de las leyes del electromagnetismo.
Este ensayo me sirvió mucho en cuanto a aclarar conceptos, y para establecer nuevas teorías e la forma de resolución de ejercicios que tengan que ver con nuestro tema del electromagnetismo ya más precisamente en los transformadores y sus pérdidas.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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[3]www.arcossalazar.net/modulos/recurso/arch
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