Calcular las pérdidas de energía de los transformadores de las subestaciones es un aspecto crucial de la gestión del sistema eléctrico. Como proveedor deTransformadores de subestaciones, entendemos la importancia de los cálculos precisos de pérdida de energía tanto para la eficiencia de los transformadores como para la red eléctrica en general. En este blog profundizaremos en los métodos y factores que intervienen en el cálculo de estas pérdidas.
Tipos de pérdidas de energía en transformadores de subestaciones
Hay dos tipos principales de pérdidas de energía en los transformadores de subestaciones: pérdidas sin carga y pérdidas con carga.
No - Pérdidas de carga
Las pérdidas sin carga, también conocidas como pérdidas en el núcleo, ocurren incluso cuando el transformador no suministra ninguna carga. Estas pérdidas se deben principalmente a la magnetización y desmagnetización del núcleo del transformador. El núcleo está hecho de materiales ferromagnéticos y cuando se aplica un campo magnético alterno, se generan histéresis y corrientes parásitas.
La pérdida por histéresis es la energía disipada en forma de calor cuando los dominios magnéticos del material del núcleo se realinean repetidamente. Depende de las propiedades del material del núcleo, de la densidad de flujo máxima y de la frecuencia de la corriente alterna. La pérdida por corrientes parásitas, por otro lado, es causada por las corrientes inducidas en el núcleo debido al cambio del campo magnético. Estas corrientes fluyen en trayectorias circulares dentro del núcleo y dan como resultado la disipación de calor.
La fórmula para calcular las pérdidas sin carga ($P_{0}$) viene dada por:
$P_{0}=P_{h}+P_{e}$
donde $P_{h}$ es la pérdida por histéresis y $P_{e}$ es la pérdida por corrientes parásitas.
La pérdida por histéresis se puede estimar mediante la fórmula de Steinmetz:
$P_{h}=k_{h}fB_{m}^{n}V$
donde $k_{h}$ es la constante de histéresis, $f$ es la frecuencia del suministro, $B_{m}$ es la densidad de flujo máxima en el núcleo, $n$ es el exponente de Steinmetz (normalmente entre 1,5 y 2,5) y $V$ es el volumen del núcleo.
La pérdida por corrientes parásitas se puede calcular mediante la fórmula:
$P_{e}=k_{e}f^{2}B_{m}^{2}t^{2}V$
donde $ k_ {e} $ es la constante de corrientes parásitas, $ t $ es el espesor de las laminaciones del núcleo.
Pérdidas de carga
Las pérdidas de carga, también llamadas pérdidas de cobre, ocurren cuando el transformador suministra una carga. Estas pérdidas se deben a la resistencia de los devanados del transformador. Cuando la corriente fluye a través de los devanados, la energía se disipa en forma de calor según la ley de Joule.
La fórmula para calcular las pérdidas de carga ($P_{L}$) a una corriente de carga dada $I$ es:
$P_{L}=I^{2}R$
donde $R$ es la resistencia de los devanados. Sin embargo, en la práctica, las pérdidas de carga generalmente se miden a la corriente nominal ($I_{r}$) y se dan como un valor de pérdida de carga nominal ($P_{rL}$). Para calcular las pérdidas de carga con un factor de carga diferente ($\lambda$), se puede utilizar la siguiente fórmula:
$P_{L}=\lambda^{2}P_{rL}$
donde $\lambda=\frac{I}{I_{r}}$ es el factor de carga.
Factores que afectan las pérdidas de energía
Temperatura
La resistencia de los devanados del transformador depende de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, también aumenta la resistencia de los devanados, lo que provoca mayores pérdidas de carga. Por lo tanto, es necesaria una medición y compensación precisas de la temperatura para realizar cálculos precisos de la pérdida de energía.
Frecuencia
La frecuencia del suministro afecta tanto a las pérdidas sin carga como a las pérdidas con carga. Las frecuencias más altas generalmente resultan en una mayor histéresis y pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo. Además, la impedancia de los devanados también cambia con la frecuencia, lo que puede afectar a la corriente de carga y, por tanto, a las pérdidas de carga.
Factor de carga
Como se mencionó anteriormente, las pérdidas de carga son proporcionales al cuadrado del factor de carga. Un transformador que funcione con un factor de carga alto tendrá mayores pérdidas de carga en comparación con uno que funcione con un factor de carga bajo. Por lo tanto, optimizar la distribución de carga en los transformadores puede ayudar a reducir las pérdidas generales de energía.
Procedimiento de cálculo
Para calcular las pérdidas totales de energía ($P_{total}$) de un transformador de subestación, simplemente sumamos las pérdidas sin carga y las pérdidas con carga:
$P_{total}=P_{0}+P_{L}$
A continuación se muestra un procedimiento paso a paso para calcular las pérdidas de energía:
- Determinar las pérdidas sin carga.: Obtenga el valor de pérdida sin carga de la hoja de datos del fabricante del transformador o mídalo utilizando el equipo de prueba adecuado.
- Determinar las pérdidas de carga nominales.: De manera similar a las pérdidas sin carga, las pérdidas con carga nominal se pueden obtener de la hoja de datos o medir.
- Calcular el factor de carga.: Mida la corriente de carga real y divídala por la corriente nominal para obtener el factor de carga.
- Calcular las pérdidas de carga.: Utilice la fórmula $P_{L}=\lambda^{2}P_{rL}$ para calcular las pérdidas de carga con el factor de carga actual.
- Calcular las pérdidas totales de energía.: Sume las pérdidas sin carga y las pérdidas con carga para obtener las pérdidas de potencia totales.
Importancia del cálculo preciso de la pérdida de energía
El cálculo preciso de la pérdida de energía es esencial por varias razones. En primer lugar, ayuda a evaluar la eficiencia del transformador. Conociendo las pérdidas de potencia, podemos calcular la eficiencia del transformador mediante la fórmula:
$\eta=\frac{P_{out}}{P_{in}}\times100%=\frac{P_{in}-P_{total}}{P_{in}}\times100%$
donde $P_{out}$ es la potencia de salida y $P_{in}$ es la potencia de entrada.
En segundo lugar, el cálculo de las pérdidas de energía es importante por razones económicas. Las altas pérdidas de energía significan que se desperdicia más energía, lo que se traduce en mayores costos operativos. Al calcular con precisión las pérdidas, podemos identificar oportunidades para reducir el consumo de energía y ahorrar dinero.
Finalmente, el cálculo de las pérdidas de energía es crucial para el diseño y planificación de sistemas de energía. Ayuda a determinar el tamaño y la clasificación adecuados de los transformadores, así como a optimizar la distribución de carga en los transformadores para minimizar las pérdidas generales.
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Referencias
- Sistemas de Energía Eléctrica: Análisis y Control por A. Gómez - Expósito, C. Cañizares y JR Martí.
- Análisis y diseño de sistemas de energía por J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma y Thomas J. Overbye.
- Ingeniería de transformadores: diseño, tecnología y diagnóstico por GK Dubey.