Pérdidas en Transformadores

Pérdidas por histéresis

Al variar la corriente magnetizante, también lo hará el flujo magnético en el núcleo del transformador. La variación se observa en la gráfica, el flujo no se reduce a cero con la corriente, almacenando en el núcleo este flujo remanente. Para hacer cero este flujo hay que aplicarle una corriente de sentido contrario (ia). Al invertirse la corriente, no comienza inmediatamente a generarse un flujo contrario. Parte de la energía tomada de la red se debe emplear para desmagnetizar el núcleo, siendo esta energía proporcional a (ia).

ia es una corriente de pérdidas ya que mientras desmagnetiza el núcleo no genera flujo magnético. Cuanto más grande sea la superficie del ciclo de histéresis, mayor será el valor de ia y también lo serán las pérdidas. Dependen de:

  • VBol núcleo
  • Cuadro del valor máximo de la inducción magnética
  • Frecuencia

Pérdidas Eléctricas

Las corrientes que circulan por los arrollamientos elevan su temperatura. Ese calentamiento (pérdidas) depende del cuadrado de la intensidad de corriente y de la resistencia de los conductores. Aparecen cuando el transformador está en carga. La resistencia de los conductores varía con la temperatura y las pérdidas también con esa variación. Para determinar las pérdidas eléctricas se toma como referencia una temperatura = 75 °C. Conocidas las pérdidas a temperatura ambiente se pueden referir las mismas a la temperatura de funcionamiento.

Rendimiento del Transformador

Es la relación entre la potencia entregada y la potencia recibida por el transformador.

η = (P2/P1) * 100%

Rendimiento Cíclico

Es la relación entre la energía de salida y la de entrada en un transformador para un ciclo de trabajo. El ciclo se puede tomar de diferentes duraciones dependiendo de la máquina, siendo los más comunes: los diarios, semanales, mensuales y anuales. Las pérdidas en un transformador se reducen lo más posible, siempre realizando un balance entre el aumento del rendimiento y el costo adicional. Una vez determinado el porcentaje de pérdidas aceptables, puedo distribuir estas entre magnéticas y eléctricas. Estas cosas son de gran importancia para determinar el rendimiento cíclico. En un transformador conectado permanentemente a la red y donde la carga va a ser variable (distribución) conviene reducir las pérdidas magnéticas ya que estas son constantes y no dependen de las corrientes de cargas. Es muy importante conocer no solo el rendimiento de un transformador sino también el régimen de trabajo para definir el rendimiento cíclico.

Casos para Distintos Dimensionamientos

(foto 1)

En el primer caso, el transformador trabaja a potencia elevada poco tiempo, por lo que conviene reducir las pérdidas magnéticas al mínimo ya que son constantes. En el segundo caso, con una carga elevada y permanente, conviene reducir las pérdidas eléctricas.

Condiciones para la Conexión en Paralelo de Transformadores

La conexión en paralelo de transformadores comprende la vinculación de los arrollamientos del primario a una misma línea (alimentación) y los del secundario a otra línea común donde se encuentra la carga.

Para que dos o más transformadores puedan ser conectados en paralelo se debe cumplir:

  1. Igualdad de relación de transformación.
  2. Igualdad de tensiones primarias.
  3. Igualdad de tensiones porcentuales de cortocircuito.
  4. Igualdad de polaridad.

Las dos primeras se aplican porque de haber diferencias de potencia en los secundarios circularía entre los transformadores una corriente de compensación, que en el mejor de los casos sobrecalentaría los transformadores. De ser muy intensa esa intensidad de corriente podría destruirse uno o más transformadores. (foto 2)

La tercera condición está vinculada con el rendimiento del banco de transformadores. Si un transformador se carga con menos de la mitad de su potencia nominal o si se sobrecarga, su rendimiento baja considerablemente. Por esto es necesario que ambos transformadores carguen de forma pareja. Cada uno entrega en un momento una potencia que guarda la misma proporción con respecto a la potencia nominal. Para que esto ocurra deben ser iguales las tensiones porcentuales de cortocircuito.

C1 = I1 / In1 C2 = I2 / In2

Si queremos que ambos transformadores trabajen entregando siempre igual proporción de su corriente nominal, los índices de cargas deben ser iguales, y para que esto ocurra también lo deben ser las tensiones porcentuales del cortocircuito.

Sistema Trifásico

Es un sistema en el cual las fuerzas electromotrices (FEM), tensiones y caídas originan corrientes desplazadas entre sí. Cada FEM se encuentra generada por un grupo de arrollamientos, los tres grupos se encuentran en la misma fuente. Cada parte individual de estos circuitos se denomina fase. Este sistema es simétrico (fases iguales y ángulos iguales entre fases). En el interior del generador (alternador) existen tres arrollamientos distintos (fases) con ejes U, V y W, formando entre ellos 120°. Cada arrollamiento genera una FEM diferente, que debido a que están distribuidos los arrollamientos en el espacio, estas no concuerdan en el tiempo. Cada fase consta de dos grupos de conductores diametralmente opuestos, con FEM en cualquier momento opuestas. Los grupos U, V y W desplazados 120° entre sí se denominan positivos o principio de fases y los restantes X, Y y Z negativos o extremos de fase. Todos los conductores positivos se encuentran unidos a los negativos en serie, formando así la FEM de las fases.

Conexión Estrella

Se reemplazan los tres conductores de retorno por uno común. Este conductor lo denominamos neutro. De acuerdo a la primera ley de Kirchhoff: I0 = IR + IR + IT. Si las cargas son iguales, el conductor de neutro no se utiliza. Sin este conductor funciona normalmente con las cargas. En el caso de conectar cargas diferentes, las tensiones aplicadas a las cargas dejarían de ser iguales a las del generador. Tensiones de fase (UR, US, UT). Tensiones de línea (URS, UST, UTR).

Conexión en Triángulo con Caja Simétrica

Se conectan los tres receptores entre los conductores de una línea trifásica sin conducir el neutro. Las tensiones de fase y las tensiones de línea son las mismas. Existe una diferencia entre las corrientes de fase IRS, IST, ITR y las corrientes de línea IR, IS, IT según la ley de Kirchhoff: Ir = IRS – ITR, Is = Ist – Irs, It = Itr – Ist.

Para transformar las tensiones en un sistema trifásico se pueden utilizar tres transformadores monofásicos o un único transformador trifásico. En la figura se ven tres transformadores monofásicos en un sistema trifásico. En los primarios y secundarios se encuentran conectados en triángulo ya que transforman tensiones de línea, también podrían estar conectados en estrella. Las conexiones podrían ser diferentes, por ejemplo: el primario en estrella y el secundario en triángulo o viceversa. Todas las conexiones son factibles y utilizadas en bancos de transformadores.