Histéresis, corrientes parásitas y pérdidas en cobre en transformadores.
Luciano Bertene
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Los transformadores son dispositivos importantes en ingeniería eléctrica porque permiten la transferencia eficiente de energía entre diferentes niveles de voltaje. Sin embargo, como cualquier componente eléctrico, no están inmunes a pérdidas que pueden afectar su rendimiento. Las tres pérdidas principales en los transformadores son la histéresis, las corrientes parásitas y las pérdidas del cobre. Estas pérdidas contribuyen a la ineficiencia del transformador, lo que lleva a una comprensión más profunda de sus causas y efectos. En esta discusión, analizamos en profundidad los conceptos de histéresis, corrientes parásitas y pérdidas de cobre, examinando cómo afectan el funcionamiento de los transformadores y qué estrategias se utilizan para mitigarlos.
Flujo magnético y permeabilidad en transformadores.
La capacidad del hierro o del acero para retener el flujo magnético es mucho mayor que la del aire, y esta capacidad de permitir que el flujo magnético fluya se llama porosidad. La mayoría de los núcleos de devanado de transformadores están hechos de aceros con bajo contenido de carbono que pueden tener una permeabilidad de 1.500, en comparación con sólo 1,0 para el aire.
Esto significa que un núcleo de acero laminado transmite un flujo magnético 1.500 veces más fuerte que el aire. Sin embargo, una vez que fluye un flujo magnético en el núcleo de acero de un transformador, se producen dos tipos de pérdidas en el acero. Una de ellas se llama “pérdidas por corrientes parásitas” y la otra se llama “pérdidas por histéresis”.
Métodos de enfriamiento de transformadores
Los métodos de enfriamiento de transformadores desempeñan un papel crucial para mantener la temperatura de funcionamiento óptima de los transformadores eléctricos y garantizar su rendimiento eficiente y confiable. Los transformadores son componentes importantes de los sistemas de energía y son responsables de la regulación y distribución de voltaje. Sin embargo, los transformadores generan una cantidad significativa de calor durante el funcionamiento que, si no se gestiona de forma eficaz, puede provocar numerosos problemas operativos e incluso fallos catastróficos. Se han desarrollado varios métodos de enfriamiento para mitigar estos riesgos, disipar el calor de los transformadores y mantener su temperatura dentro de límites aceptables. Estos métodos incluyen técnicas tradicionales como aire y aceite, así como enfoques innovadores como refrigeración líquida y refrigeración por aire forzado. Al utilizar estos métodos de enfriamiento, los ingenieros pueden extender la vida útil de los transformadores, mejorar la eficiencia energética y garantizar el buen funcionamiento de la infraestructura energética crítica.
Pérdidas por histéresis
Las pérdidas por histéresis surgen de la fricción de las moléculas contra el flujo de líneas de fuerza magnéticas necesarias para magnetizar el núcleo, cuyo valor y dirección son constantemente dinámicos. 1 m, en un orden y luego en orden inverso debido a la influencia de la tensión sinusoidal.
Este cepillado molecular genera calor, lo que representa una pérdida de energía para el transformador. La pérdida de calor resultante reduce significativamente la vida útil de los materiales aislantes con los que están hechos los devanados y las estructuras. Por lo tanto, enfriar un transformador es crucial.
Además, los transformadores funcionan intencionadamente a una frecuencia específicamente definida. La reducción de la frecuencia eléctrica puede provocar un aumento de la histéresis y una mayor temperatura en el núcleo de hierro. Por lo tanto, reducir la salida de 60 Hz a 50 Hz puede aumentar la histéresis existente y reducir la capacidad VA del transformador.
Las pérdidas por histéresis en un transformador se denominan:
b H =K H f( BM ) 1,6 vatios
Donde K H = constante de histéresis
Diseño y construcción de un transformador.
El diseño y construcción de transformadores son fundamentales para su operación eficiente y confiable. Los transformadores transfieren energía eléctrica entre diferentes niveles de voltaje y requieren una cuidadosa consideración de factores como potencias nominales, sistemas de aislamiento, métodos de enfriamiento y resistencia mecánica. El núcleo está hecho de materiales magnéticos de bajas pérdidas, mientras que los devanados están hechos de conductores aislados. Los sistemas de aislamiento previenen averías y aportan rigidez dieléctrica. Los sistemas de refrigeración disipan el calor a través de métodos sumergidos en aire, aceite o líquido. La energía mecánica es esencial para el transporte, la instalación y el funcionamiento. Teniendo en cuenta estas consideraciones, los diseñadores pueden desarrollar transformadores que distribuyan energía eléctrica de manera eficiente y segura en una variedad de aplicaciones.
Pérdidas por corrientes de Foucault
Las pérdidas por corrientes parásitas, por otro lado, son causadas por el flujo de corrientes que surgen de la deriva del flujo magnético alrededor del núcleo hacia el acero. Estas corrientes son creadas por el cambio magnético que realiza el cuerpo, un solo bucle de cable. Dado que el núcleo de hierro podría ser un conductor inteligente, las corrientes parásitas creadas por un núcleo de hierro fundido serían enormes.
Las corrientes parásitas no contribuyen en nada a la calidad del transformador. En cambio, contrarrestan el flujo de corriente generada actuando como una fuerza negativa, provocando calentamiento resistivo y pérdida de energía en el núcleo.
Las pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo del transformador no se pueden eliminar; sin embargo, se pueden reducir y controlar significativamente reduciendo el espesor del núcleo de acero. En lugar de tener un núcleo sólido de hierro fundido debido al material del núcleo del devanado, la trayectoria magnética se divide en varias formas delgadas de acero ferroso llamadas "laminaciones".
Laminación del núcleo
Las laminaciones utilizadas en la construcción del transformador son finas tiras de metal aislado unidas entre sí para formar un cuerpo sólido pero laminado, como normalmente vemos desde arriba. Estas laminaciones están protegidas entre sí por una capa de esmalte o papel para aumentar la resistencia real del núcleo y así aumentar la resistencia general al movimiento de las corrientes parásitas.
El resultado de este aislamiento es que la molesta pérdida de energía causada por las corrientes parásitas en el núcleo se reduce considerablemente, de modo que los circuitos de hierro magnético de cada transformador y varias máquinas electromagnéticas están todos laminados. El uso de laminaciones en el diseño de un transformador superior minimiza las pérdidas por corrientes parásitas.
Las pérdidas de potencia causadas por histéresis y corrientes parásitas en la trayectoria magnética se denominan comúnmente “pérdidas en el núcleo del transformador”. Ya que estas pérdidas ocurren en todos los materiales magnéticos debido a cambios en los campos magnéticos. Las pérdidas en el núcleo del transformador ocurren siempre que se le suministra energía, incluso si no hay ninguna carga conectada a la bobina. Estas pérdidas por histéresis y corrientes parásitas a menudo se denominan “pérdidas de hierro del transformador” porque el flujo resultante que causa estas pérdidas es constante independientemente de la carga.
Las pérdidas por corrientes parásitas en un transformador se denominan:
b t =K t F 2 K 2F b 2 m vatios
Dónde,
K t = Constante de corrientes de Foucault
K F = constante de forma
Material aislante para máquinas eléctricas.
Los materiales aislantes son componentes esenciales en las máquinas eléctricas ya que proporcionan aislamiento eléctrico y protección contra altos voltajes. Están disponibles en una variedad de formas, incluidas resinas termoestables y polímeros termoplásticos, seleccionados según los requisitos de temperatura, tensión y resistencia mecánica. Estos materiales suelen combinarse con cargas y aditivos para mejorar la resistencia mecánica, la conductividad térmica, la resistencia a las llamas y la resistencia a la humedad. En aplicaciones de alto voltaje se utilizan materiales especiales como cerámicas o compuestos debido a su rigidez dieléctrica superior. Los materiales aislantes se someten a pruebas rigurosas para garantizar el cumplimiento de los estándares de la industria. Al seleccionar el material aislante adecuado, los ingenieros garantizan que las máquinas eléctricas funcionen de forma fiable y segura en diferentes condiciones de funcionamiento.
Pérdidas de cobre
Pero también existe otro tipo de pérdida de energía asociada a los transformadores, denominadas “pérdidas de cobre”. Las pérdidas de cobre en los transformadores surgen principalmente de los devanados frontal y secundario del transformador. La mayoría de los devanados de los transformadores están hechos de alambre de cobre con resistencia en ohmios (Ω). Estas resistencias compiten con las corrientes magnetizantes que fluyen de un extremo al otro.
Cuando se conecta una carga a la bobina del transformador, fluyen corrientes eléctricas masivas en el devanado primero y secundario, y las pérdidas de corriente, t y potencia (o I 2 R) se producen en forma de calor. Normalmente, las pérdidas en el cobre varían con la corriente de carga, siendo cercanas a cero sin carga y máximas a plena carga, cuando el flujo de corriente es mayor.
La clasificación VA de un transformador se mejora mediante un mejor diseño y construcción del transformador para reducir estas pérdidas en el núcleo y el cobre. Los transformadores con clasificaciones de alto voltaje y corriente requieren conductores de sección transversal de gran diámetro para minimizar sus pérdidas en el cobre. La clasificación VA de un transformador se puede aumentar aumentando la tasa de disipación de calor (mejor enfriamiento) usando aire comprimido o aceite, o mejorando el aislamiento del transformador para que pueda soportar temperaturas más altas.
Las pérdidas de cobre en un transformador se denominan:
I2LR'2 + pérdida por dispersión
Dónde,
UE M = carga del transformador
R'2 = Resistencia en el lado secundario del transformador
Luego veremos también que el transformador tiene:
No hay pérdidas por histéresis causadas por el transformador de histéresis.
Resistencia específica ilimitada del material del núcleo, de modo que no se produzcan pérdidas por corrientes parásitas.
La resistencia cero del devanado muestra cero pérdidas en el cobre I 2 R.
