Resumen
lo mas importante que podemos decir de las perdidas en los transformadores es que en la mayoría de los casos son producidos por la calidad del material del núcleo y también del alambre con el que se construye.
Las pérdidas en el hierro pueden ser por lo que se denominan corrientes parásitas y el ciclo de histéresis, por lo general la energía perdida es disipada en forma de calor y de esa manera podemos ver la posibilidad de enfrentar esas corrientes parasitas y asi tener un mejor funcionamiento del os transformadores.
Introducción
Al pensar en transformadores la gran mayoría quisiera que fueran ideales, pero eso es imposible de lograr ya por más que el transformador sea construido de una manera excelente siempre tendremos perdidas de potencia debido a los diferentes factores que se trataran a continuación
Desarrollo
Al referirnos a los transformadores tenemos en cuenta que un transformador sería perfecto si es que la potencia entregada en el primario fuera la misma que sale del secundario, pero en la vida real estos transformadores no existen ya que siempre se pierde un poco de la potencia debido a varios factores. Algunos transformadores pueden aproximarse bastante a la idea de transformador ideal pero aún asi tienen una perdida pequeña.
Entre los factores que producen estas pérdidas podemos mencionar los siguientes:
Pérdidas en el Cobre: Las pérdidas en el cobre son debidas a la resistencia óhmica presentada por el alambre, estas pérdidas se incrementan cuando la aumentamos la corriente que pasa por el alambre.
Pérdidas en el Núcleo(Hierro): Este se subdivide en
Pérdidas por histéresis magnética
Pérdidas por corrientes parásitas
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.
La histérisis 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 perdida de energía que como habíamos manifestado se expresa en forma de calor.
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
Las corrientes de Foucault o corrientes parásitas
En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo, que no son óptimas para la buena eficienciaeléctrica de éste.
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.
Para calcular las pérdidas debido a las corrientes de Foucault utilizamos la siguiente ecuación:
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.
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.
Aislamiento galvánico
En un transformador existen multitud de espiras enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético. Estas espiras están recubiertas de un esmalte aislante muy fino. En algún momento puede suceder que la proximidad entre primario y secundario con un aislante en medio forme un condensador parásito (metalaislante- metal), y que se induzcan corrientes por el campo eléctrico, no por el magnético.
Este efecto no es deseable, tiene un valor bajo pero no siempre es admisible. Para transformadores de señal, donde se requiere que la señal sea lo más pura posible, puede ser estrictamente necesario.
En la figura se puede ver el esquema de un transformador de micrófono con aislamiento galvánico.
Junto al núcleo existe una pantalla que conduzca la electricidad pero no ferromagnética para que no impida la inducción de tensión en el secundario.
Esto nos lleva a usar cobre o aluminio. Esta pantalla se conecta a tierra y así las corrientes inducidas por el campo eléctrico van a tierra y no de un bobinado a otro.
Pérdidas por flujos diversos
Las pérdidas por dispersión se presentan debido al flujo disperso que origina pérdidas en el núcleo, soportes, depósitos y otras partes de hierro. Estas pérdidas por dispersión elevan la temperatura de las partes estructurales del transformador.
Para los transformadores de tipo seco, los aumentos de temperatura de esas regiones no contribuyen a aumentar la temperatura de la zona caliente de los arrollamientos. Para los transformadores sumergidos en líquido, las pérdidas por dispersión aumentan la temperatura del aceite y por lo tanto la temperatura de la zona caliente de los arrollamientos.
Las pérdidas por dispersión son difíciles de evaluar por lo que se supone que las pérdidas varían con el cuadrado de la corriente multiplicado por la frecuencia (orden del armónico).
Pérdidas en el cobre
Otra causa de perdidas en el transformador son las causadas por los bobinados, primario y secundario siempre y cuando exista carga, generalmente están construidas de cobre ya que si bien no es el mejor conductor posee un buen equilibrio entre costos y rendimiento.
Las perdidas dependerán del material del cual se haya construido los bobinados para esto es importante considerar los parámetros de costos y rendimiento.
Resistencia de los conductores eléctricos:
Todo conductor eléctrico afecta el paso de una corriente eléctrica en mayor o menor grado determinado por su resistencia, el cual está afectado por los factores siguientes:
– El metal del que está formado
– Grosor
– Longitud.
Resistencia de los metales:
La plata es el metal que conduce con más facilidad la electricidad, pero dado su costo tan elevado, no es común usarla como conductor en los circuitos eléctricos.
El cobre es el conductor más usado por su bajo costo, aparte de ser un buen conductor de la electricidad.
Es también usado el aluminio. Pero este presenta el inconveniente que no se puede soldar por los medios comunes, por lo mismo es muy limitado su uso en casas, solamente en líneas de transmisión de alto voltaje.
A continuación les presento la tabla en la cual se especifica la resistencia de los diferentes conductores eléctricos.
Donde ? es la resistencia que presenta un conductor de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección.
a representa el aumento de resistencia del material en cuestión por cada grado que aumentamos la temperatura.
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
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
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.
Diseños para evitar pérdidas
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
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.
Las principales perdidas que existen en un transformador monofásico son causadas por flujos de histéresis, corrientes parasitas, y perdidas en el cobre
Podemos reducir estas perdidas de potencia en el transformador y mejorando su eficiencia tomando en cuanta varios aspectos a la hora de la construcción de un transformador tales aspectos pueden ser, el uso de chapas en el núcleo, la selección adecuada del material magnético a utilizar, entre otros
Bibliografía
[1] Chapman.,Maquina Eléctricas. Mcgraw-hill – Mexico. 4ta Edicion. 2005
[2] http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule
[3] http://www.sapiensman.com/electrotecnia/transformador_electrico5.htm
Autor:
Luis Alberto León Morales
Fabián Eduardo Pesantez Pesantez
Universidad Politécnica Salesiana