¿Te imaginas un transformador que no tenga pérdidas de carga? No sería genial poder contar con un dispositivo que garantice una eficiencia energética al 100%? Pues ahora esto es posible gracias a los avances tecnológicos en el campo de la electrónica. En este artículo te vamos a hablar de la maravillosa innovación que supone el transformador sin pérdidas de carga. ¡No te lo pierdas!
¿Qué son las pérdidas sin carga (pérdidas de excitación)?
Pérdidas sin carga del transformador ocurren cuando el transformador es excitado a la tensión y frecuencia nominales manteniendo su circuito secundario abierto. Las pérdidas sin carga del transformador son pérdidas combinadas causadas por la pérdida por corriente de Foucault, la pérdida por histéresis, la pérdida por corriente de Foucault parásita y la pérdida dieléctrica. Las pérdidas máximas cuando el transformador está sin carga ocurren en el núcleo. Por lo tanto, las pérdidas sin carga del transformador también se denominan pérdida de hierro o pérdida de excitación. Las pérdidas sin carga del transformador son constantes desde vacío hasta plena carga, por lo tanto, las pérdidas sin carga también se denominan pérdidas constantes.
Un transformador es un dispositivo estático y no hay partes móviles en el transformador. Por lo tanto, las pérdidas por fricción y viento en el transformador son nulas. El transformador aumenta o disminuye el voltaje manteniendo la frecuencia inalterada. Las pérdidas del transformador ocurren debido al flujo de corriente en el devanado y al campo magnético en el núcleo.
Para un transformador ideal, la potencia de entrada es igual a la potencia de salida, sin embargo, en realidad, esto no es cierto. La potencia de salida del transformador siempre es menor que la potencia de entrada. La energía no se puede crear, ni se puede destruir; el mismo principio es aplicable también al balance de energía del transformador.
La potencia consumida en el primario es igual a las pérdidas en el transformador más la potencia entregada en el lado secundario del transformador. Las pérdidas en el transformador se puede categorizar ampliamente en dos categorías;
1. Pérdidas de hierro o pérdidas en el núcleo, pérdidas dieléctricas y pérdidas por corrientes parásitas de Foucault
2. Pérdida de cobre y pérdidas por dispersión
Pérdidas de hierro o pérdidas en el núcleo:
El voltaje aplicado en el devanado primario produce un campo magnético en el núcleo. El flujo producido debido a la corriente primaria pasa a través del núcleo y se une al devanado secundario del transformador e induce un voltaje en el secundario del transformador.
En este proceso de inducción, cuando el transformador está sin carga, el transformador sufre pérdidas de hierro o de núcleo que se pueden clasificar en dos categorías, a saber. pérdida por histéresis, pérdida por corrientes de Foucault, pérdida por corrientes de Foucault parásitas y pérdida dieléctrica. Todas estas pérdidas son constantes y, por lo tanto, las pérdidas sin carga también se denominan pérdidas constantes del transformador.
Pérdida de histéresis
¿Qué es la pérdida por histéresis en el transformador?
Cuando el voltaje se aplica al primario del transformador, la corriente alterna que fluye en el primario magnetiza el núcleo. El núcleo pasa por el proceso de magnetización y desmagnetización debido al flujo de corriente en la dirección directa e inversa. Con la inversión de la dirección de la corriente alterna, la energía se pierde en forma de calor en el núcleo. La pérdida de calor debida a la inversión repetida del campo magnético en el núcleo se conoce como pérdida por histéresis.
La pérdida por histéresis se puede calcular encontrando el área de la curva BH. Para minimizar la pérdida por histéresis, el núcleo del transformador está hecho de acero al silicio orientado a grano laminado en frío (CRGO) porque el área de la curva de magnetización de este material es menor en comparación con otros materiales magnéticos.
La pérdida por histéresis en el núcleo del transformador se puede calcular utilizando el siguiente Fórmula de pérdida por histéresis.
Fórmula de pérdida de histéresis
Pérdida de corrientes de Foucault
¿Cuál es la pérdida de corriente de Foucault en el transformador?
El flujo que pasa a través del núcleo induce un voltaje de diferente magnitud en varios lugares de la superficie del núcleo y las otras partes conductoras del transformador. Debido a las diferencias de potencial en varios lugares de la superficie del núcleo, la corriente se establece en el núcleo. Esta configuración actual en el núcleo se llama corrientes de Foucault
Debido a las corrientes de Foucault, la pérdida de calor es igual a I2R la pérdida se produce en el núcleo.
La pérdida por corrientes de Foucault depende del cuadrado de la corriente que fluye en la parte superior del núcleo y la resistencia del material del núcleo. La lámina sólida del bloque de hierro tiene menos resistencia debido al área de sección transversal más grande. La magnitud del voltaje inducido en un bloque sólido es mayor y, como resultado, la pérdida por corrientes de Foucault es mayor en el bloque sólido de hierro.
¿Por qué se lamina el núcleo de hierro de un transformador?
Para minimizar las pérdidas por corrientes de Foucault, el núcleo de hierro se forma utilizando varias láminas delgadas aisladas eléctricamente llamadas laminación.
El área de la trayectoria de la corriente de Foucault se reduce y las pérdidas disminuyen debido a la disminución del voltaje inducido y al aumento de la resistencia. La lámina laminada delgada tiene mayor resistencia. El flujo de corrientes de Foucault en láminas laminadas es el siguiente.
La corriente que fluye en la hoja es igual a;
I= Diferencia de potencial de la FEM inducida en el núcleo laminado/Resistencia de la lámina.
Como la hoja delgada tiene mayor resistencia en comparación con la resistencia de la hoja gruesa, la corriente que fluye a través de la hoja delgada es muy baja en comparación con la corriente que fluye a través de la hoja gruesa. Con la reducción en la magnitud de la corriente de Foucault en el estampado delgado, la pérdida por corriente de Foucault se reduce drásticamente. Es por eso que el núcleo del transformador está hecho de finas láminas laminadas.
Además de la dependencia de la corriente de Foucault en la resistencia de estampado, otros parámetros eléctricos como tensión primaria y frecuencia también afectan la pérdida por corrientes de Foucault.
El fórmula de pérdida de corriente de Foucault del transformador se da a continuación.
Fórmula de pérdida de corrientes de Foucault
Efecto de la variación de voltaje y frecuencia en el transformador
El transformador está diseñado para voltaje y frecuencia particulares. El cambio en el voltaje de suministro y la frecuencia del valor diseñado conducirá aún más a un aumento en la pérdida por corrientes de Foucault. El fabricante del transformador otorga una garantía por pérdida de hierro para la operación del transformador a la tensión y frecuencia nominales.
Si aumenta el voltaje del sistema, aumenta la densidad de flujo máxima en el núcleo y, en consecuencia, aumentan las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis. Para proteger el transformador de un exceso de flujo, se mide la relación V/F y el transformador se puede apagar si el flujo en el núcleo supera el límite de flujo especificado del transformador.
Las pérdidas por corrientes de Foucault aumentan drásticamente con un aumento en la frecuencia, si el voltaje también aumenta en la misma proporción porque la pérdida por corrientes de Foucault es proporcional al cuadrado de la frecuencia.
Generalmente, la frecuencia del sistema se mantiene dentro del límite de la frecuencia nominal +/- 1,5 Hz; sin embargo, la red eléctrica rica en armónicos puede conducir a un aumento en la pérdida por corrientes de Foucault. Con un aumento en la frecuencia, la pérdida por corrientes de Foucault aumenta mucho más que la pérdida por histéresis porque la pérdida por corrientes de Foucault es proporcional al cuadrado de la frecuencia, mientras que la pérdida por histéresis es proporcional a la frecuencia. Podemos encontrar la pérdida por histéresis calculando el área del bucle de histéresis.
Por lo tanto, las pérdidas sin carga del transformador son iguales a la suma de las pérdidas por corrientes de Foucault y las pérdidas por histéresis.
Las pérdidas sin carga del transformador son constantes para una tensión y frecuencia nominales. Por lo tanto, la pérdida sin carga también se denomina pérdida constante. Las pérdidas sin carga cambian si el transformador funciona por encima de su densidad de flujo nominal. Además, el aumento de la densidad de flujo provoca una tensión de salida secundaria distorsionada y, si el transformador funciona por encima de la densidad de flujo nominal, es probable que falle. Por lo tanto, se emplea protección contra sobreflujo para la protección del transformador.
Variación en pérdidas sin carga con variación en voltaje y/o frecuencia
Comprendamos cómo la histéresis y la pérdida de corriente de Foucault se ven afectadas por los cambios en la frecuencia y el voltaje. Tomaremos los cuatro casos para el estudio de las pérdidas en vacío de los transformadores.
Caso 1
Efecto sobre las pérdidas sin carga – Cuando la frecuencia aumenta/disminuye manteniendo el voltaje constante
La pérdida por histéresis es proporcional a la frecuencia. La pérdida por histéresis debería aumentar con un aumento en la frecuencia, sin embargo, la pérdida por histéresis permanece casi sin cambios. La razón es que la densidad de flujo en el núcleo disminuye en la misma proporción que aumenta la frecuencia.
De manera similar, la pérdida por histéresis debería disminuir con una disminución en la frecuencia, sin embargo, la pérdida por histéresis permanece casi sin cambios debido al aumento de la densidad de flujo en el núcleo.
La pérdida por corrientes de Foucault es proporcional al cuadrado de la densidad de flujo y la frecuencia. Con un aumento en la frecuencia, la corriente de Foucault permanece sin cambios porque el producto de B2metro F2 permanece sin cambios ya que el flujo es proporcional a la relación de V/f. Con la disminución de la frecuencia, la densidad de flujo en el núcleo aumenta en la misma proporción en que disminuye la frecuencia y, por lo tanto, la pérdida por corrientes de Foucault permanece sin cambios.
Caso 2
Efecto sobre las pérdidas sin carga- Cuando se aumenta/disminuye el voltaje manteniendo la frecuencia constante
La pérdida por histéresis es directamente proporcional a la tensión y la densidad de flujo. La pérdida por histéresis aumenta con un aumento en el voltaje. La densidad de flujo magnético también es proporcional al voltaje. Por lo tanto, la pérdida por histéresis es proporcional al cuadrado del voltaje si la frecuencia se mantiene constante.
De este modo,
Pérdida por histéresis, Wh ∝ V2
Pérdida por corrientes de Foucault, We ∝ V3
Caso 3
Efecto sobre las pérdidas sin carga: cuando la frecuencia aumenta/disminuye y el voltaje también aumenta/disminuye en la misma proporción
Si la frecuencia aumenta y el voltaje también aumenta en la misma proporción, la densidad de flujo en el núcleo permanece sin cambios y, en este caso, la pérdida por histéresis aumentará proporcionalmente al aumento de frecuencia. La pérdida por corrientes de Foucault aumentará en el cuadrado. proporción de la frecuencia aumentada.
Caso 4
Efecto sobre las pérdidas sin carga: cuando la frecuencia aumenta/disminuye y el voltaje también aumenta/disminuye en diferentes proporciones
En esta situación, la corriente de Foucault y la pérdida por histéresis aumentarán o disminuirán debido a las siguientes razones.
- Aumento/disminución de frecuencia
- Aumento/disminución de la densidad de flujo
Leer siguiente:
Error 403 The request cannot be completed because you have exceeded your quota. : quotaExceeded