Transformadores: los héroes invisibles de nuestro suministro eléctrico. Sin embargo, ¿qué pasa cuando los armónicos comienzan a jugar un papel en esta historia? En este artículo, descubriremos los efectos de los armónicos en los transformadores y cómo pueden afectar nuestra vida cotidiana. ¡Prepárate para desenredar los misterios detrás de estos fenómenos eléctricos y su impacto en nuestro querido transformador!
El transformador no genera armónicos. El transformador tiene devanados primario y secundario que son de naturaleza inductiva. La carga inductiva consume corriente linealmente con el voltaje aplicado. Sin embargo, el transformador genera armónicos en dos condiciones.
Cuando se energiza el transformador, la corriente de magnetización consumida por él no es lineal y genera armónicos. Esto se debe a que, cuando se energiza el transformador, la fuerza contraelectromotriz es cero y el transformador consume una gran corriente de magnetización que no es sinusoidal. La corriente de magnetización es rica en el segundo corriente armónica de orden.
La segunda condición es la sobreexcitación del transformador. La sobreexcitación significa que el transformador funciona con una mayor densidad de flujo que su densidad de flujo nominal. Bajo sobreexcitación del transformador se produce la corriente armónica de quinto orden. Las dos condiciones anteriores ocurren durante un corto período de tiempo y, por lo tanto, los armónicos de segundo y quinto orden no son un problema grave.
La función principal del transformador es suministrar energía a la carga. La naturaleza de la carga decide si la forma de onda de la corriente de carga tiene armónicos o no. Si la carga es lineal no se producen armónicos y si la carga no es lineal se producen armónicos en la red eléctrica.
La electrónica de potencia es hoy en día ampliamente utilizada para un mejor control de los accionamientos y, además, se utiliza para el ahorro de energía. Si el convertidor y/o inversor utilizado tiene una configuración de 6 pulsos, los armónicos de orden inferior 5 y 7 son predominantes y dañan el sistema de potencia porque la magnitud de los armónicos de orden inferior es mayor en comparación con la magnitud de los armónicos de orden superior. Cualquier corriente de orden armónico producida por la carga fluye en el primario y secundario del transformador.
Se supone que el transformador alimenta la corriente sinusoidal a su kVA nominal. Sin embargo, si la corriente que fluye a través del devanado del transformador afecta negativamente el rendimiento del transformador. Si la magnitud de la corriente armónica es mayor, también distorsiona el voltaje de entrada del transformador. Los armónicos causan los siguientes efectos adversos en el desempeño del transformador.
Efecto de los armónicos en la pérdida de hierro
La pérdida del núcleo o del hierro del transformador es la pérdida que se produce debido a la pérdida por corrientes de Foucault y la pérdida por histéresis. La pérdida por histéresis es directamente proporcional a la frecuencia y la pérdida por corrientes de Foucault es directamente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Por lo tanto, está claro que la pérdida de hierro aumenta con el aumento de la frecuencia. La corriente armónica es el múltiplo integral de la frecuencia fundamental y la corriente armónica puede tener una frecuencia de 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz, etc. Por lo tanto, la pérdida de hierro del transformador aumenta si la corriente rica en armónicos fluye a través del transformador..
Efecto de los armónicos en la pérdida de cobre
La tendencia a fluir de la corriente en la superficie exterior del conductor se conoce como efecto pelicular. La corriente de mayor frecuencia tiende a fluir en la superficie exterior del conductor. Cuando la corriente fluye en la superficie exterior del conductor, el área de la sección transversal efectiva del conductor se reduce. La reducción en el área de la sección transversal efectiva conduce a un aumento en la resistencia del conductor. La mayor resistencia del conductor provoca una mayor pérdida de cobre (I^2R) en el transformador. Por lo tanto, la pérdida de cobre del transformador aumenta con el aumento de la corriente armónica.
Efecto de los armónicos en la eficiencia del transformador
La eficiencia del transformador se define como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada.
Eficiencia = Potencia de salida / Potencia de entrada
= Potencia de entrada- Pérdidas/ Potencia de entrada
= 1 – Pérdidas/Potencia de entrada
Con aumento de pérdidas en el transformador debido a armónicos, la eficiencia del transformador se reduce.
Los armónicos causan la reducción de potencia del transformador
Si el transformador funciona a X kVA cuando no hay corriente armónica, debe funcionar a menos kVA si el transformador funciona con corriente armónica para controlar el aumento de temperatura del transformador.
En pocas palabras, podemos decir que el transformador debe reducirse si se va a operar con una corriente rica en armónicos.
Si se sabe que las características de la carga no son lineales y se conoce la distorsión armónica total (THD) de la carga, se debe seleccionar el transformador de servicio inversor para una operación confiable del transformador.
La corriente armónica causa la distorsión del voltaje en el lado de entrada del transformador. La distorsión armónica en el voltaje causa los siguientes efectos adversos en el desempeño del transformador.
1. Mayor tensión dieléctrica en el aislamiento.
2. Resonancia entre la reactancia del devanado y la capacitancia del alimentador
3. Interferencia EMI y RFI con el circuito de comunicación
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