Pérdidas de potencia y eficiencia en transformadores monofásicos (página 2)

Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. En otras palabras dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética, en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil. A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica como un ejemplo tenemos a la ferrita o utilizando delgadas hojas de material magnético, conocidas como laminados. Los electrones no pueden atravesar la capa aisladora entre los laminados y, por lo tanto, no pueden circular en arcos abiertos. Se acumulan cargas en los extremos del laminado, en un proceso análogo al efecto Hall, produciendo campos eléctricos que se oponen a una mayor acumulación de cargas y a su vez eliminando las corrientes de Foucault. Mientras más corta sea la distancia entre laminados adyacentes, mayor será la eliminación de las corrientes de Foucault y, por lo tanto, menor el calentamiento del núcleo.

Imagen Extraída de: http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_de_Foucault

Para calcular las pérdidas debido a las corrientes de Foucault utilizamos la siguiente ecuación:

Imagen obtenida de: http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448141784.pdf

Como observamos en la grafica anterior dependiendo del núcleo se pueden disminuir las perdidas.

La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y está compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren pérdidas totales menores en el núcleo. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magnética.Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la chapa. También se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio.La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en considerable extensión por lo que los datos magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente.

La siguiente tabla da los valores de las pérdidas especificas en W/kg, para diversas calidades de planchas magnéticas que existen en el mercado.

Tabla Extraída de: http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_de_Foucault

La siguiente tabla muestra 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.

Tabla Extraída de: http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448141784.pdf

Métodos para observar las pérdidas

Ensayo en Vacio

El ensayo en vacio nos proporciona a través de la medida de la 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 que este no será recorrido por ninguna corriente y no se tendrá en cuenta los valores de las perdidas en el cobre.

Entre los datos más importantes a tomarse en vacio debemos tomar en cuenta:

• Perdidas en el Hierro: Esto observamos a través de la lectura del watímetro en el bobinado primario.

• La intensidad al vacio que observamos a través del amperímetro.

• Relación de transformación

• Impedancia

• Potencia aparente

• El ángulo de desfase

Tenemos además que tomar en cuenta algunas consideraciones cuando se producen pérdidas, estas pérdidas tienen bastante importancia cuando se produce su explotación, ya que por ella mismo se produce un consumo de energía incluso cuando el transformador no tiene consumo.

También se ha comprobado que las que las pérdidas en el hierro son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la inducción, debido a esto a los usuarios nos interesarían inducciones muy bajas para disminuir las pérdidas pero por curioso que parezca los fabricantes de los transformadores intentan obtener el valor más elevado como puedan.

Efecto Joule

Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.

En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados. E inclusive las lámparas incandescentes que producen más energía calorífica que lumínica.

Causas del fenómeno

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente".

Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule, del valor de la resistencia eléctrica y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente al valor la resistencia y al tiempo.

Tablas

Tabla de chapas de hierro

Tabla de Conductores

Conclusiones

Con lo realizado hemos comprendido de una mejor manera como se producen las pérdidas de potencia en el transformador, además de algunas pautas para mejorar en algo o mejor dicho disminuir en algo las perdidas en los transformadores.

Bibliografía

Chapman.,Maquina Eléctricas. Mcgraw-hill – Mexico. 4ta Edicion. 2005

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule

http://www.sapiensman.com/electrotecnia/transformador_electrico5.htm

Autor:

Raúl Redrován