Seamos realistas-los transformadores no convierten mágicamente toda la potencia de entrada en salida útil. Son bastante eficientes, claro, pero siempre hay algo de energía que se "absorbe" y se convierte en calor. Ese calor proviene principalmente de dos grandes pérdidas:
Pérdidas del núcleo (pérdidas de hierro)
Pérdidas de cobre (pérdidas por bobinado)
Si comprende estas pérdidas, puede hacerlo mucho mejor coneficiencia, diseño térmico, ycostos de funcionamiento. Y, sinceramente, las pérdidas del transformador no son sólo una cuestión teórica.-Esas pérdidas afectan directamente cuánto paga y cuánto tiempo el equipo se mantiene en buen estado.
Tipos de pérdidas de transformadores
Pérdidas principales (sin-pérdidas de carga)
Las pérdidas en el núcleo se producen principalmente incluso cuando el transformador no está muy cargado. Por eso a menudo se les llamasin-pérdidas de carga-se quedanbastante constantecon carga.
Las pérdidas principales suelen incluir:
Pérdida de histéresis: energía utilizada para seguir invirtiendo los dominios magnéticos en el material del núcleo
Pérdida por corrientes de Foucault: corrientes inducidas en las laminaciones, que también se convierten en calor
¿Cómo se miden las pérdidas centrales?
Se miden usando elPrueba de circuito abierto (OC):
La tensión nominal se aplica al primario.
Queda la secundariacircuito abierto-
La lectura del vatímetro le proporciona la pérdida del núcleo, generalmente escrita como
Relaciones aproximadas de pérdidas-principales
Los ingenieros suelen utilizar fórmulas simplificadas como estas (buenas para comprender las tendencias, aunque los transformadores reales nunca son "perfectos"):
Dónde:
Pérdidas de cobre (pérdidas de carga)
Las pérdidas en el cobre ocurren porque la corriente fluye a través de los devanados. Y cada vez que la corriente fluye a través de la resistencia, obtienes calefacción-clásica
.
Punto clave:Las pérdidas en el cobre crecen con el cuadrado de la corriente de carga., lo que significa que pueden aumentar rápidamente cuando el transformador está más cargado.
¿Cómo se miden las pérdidas de cobre?
Se encuentran usando elPrueba de cortocircuito (SC):
Un devanado está en cortocircuito
Se aplica voltaje gradualmente al otro devanado hasta que circula la corriente nominal.
La lectura del vatímetro es lapérdida de cobre a carga completa-, a menudo llamado
Pérdida de cobre en cualquier nivel de carga.
Si la corriente de carga es
y la corriente nominal es
, entonces:
Entonces, sí-si cargas el transformador al 50 %, las pérdidas de cobre no se reducen a la mitad; caen a aproximadamente una cuarta parte. Ese es el efecto "cuadrado" haciendo de las suyas.
Cálculo de la eficiencia del transformador
La eficiencia del transformador le indica cuánta energía útil obtiene realmente, en comparación con lo que gasta, incluidas las pérdidas:
Una forma más práctica (usando kVA, PF y fracción de carga)
En los cálculos del mundo real-, es común utilizar la clasificación de kVA y el factor de potencia (PF). Una forma práctica es:
¿Cuándo alcanza su punto máximo la eficiencia?
La máxima eficiencia suele ocurrir cuando:
Y en muchos transformadores de distribución, ese "punto óptimo" a menudo se encuentra alrededor50-70% de la carga completa. (No es una ley de la naturaleza, pero es un patrón común).
Ejemplo Práctico (Escenario Resuelto)
Digamos que tenemos un500kVA, 11 kilovoltios/415 voltiostransformador de distribución con datos de prueba del fabricante:
Pérdida de cobre a una carga determinada.
Si la carga es
, entonces:
Por ejemplo, al 50% de carga:
Esto está bastante cerca de la pérdida del núcleo (1,8 kW), lo que explica por qué la eficiencia suele ser mayor alrededor de ese nivel de carga.
Pérdidas y Eficiencia a diferentes cargas (Unity PF)
(Usando unity PF como en su ejemplo original).
| Carga (%) | Carga kVA | Pérdida de cobre (kW) | Pérdida Total (kW) | Potencia (kW) | Eficiencia (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 25 | 125 | 0.39 | 2.19 | 125 | 98.27 |
| 50 | 250 | 1.55 | 3.35 | 250 | 98.68 |
| 75 | 375 | 3.49 | 5.29 | 375 | 98.61 |
| 100 | 500 | 6.20 | 8.00 | 500 | 98.43 |
Factores que afectan las pérdidas del transformador
Las pérdidas no "ocurren" simplemente-están influenciadas por una serie de detalles operativos y de diseño, como:
Material del núcleo
Los mejores materiales (como el acero al silicio de alta-calidad o las aleaciones amorfas) suelen reducir la histéresis.
Densidad de flujo de diseño
Más bajo
ayuda a las pérdidas de núcleos-pero puede requerir un mayor tamaño de núcleo.
Resistencia al devanado
Los conductores más gruesos y de menor resistencia generalmente reducen las pérdidas en el cobre.
Temperatura
La resistencia aumenta con la temperatura, por lo que las pérdidas en el cobre también aumentan. (A menudo corregido a un estándar, como 75 grados, según las convenciones IEC/IEEE).
Armónicos en la carga.
Las cargas no-lineales pueden agregar corrientes parásitas adicionales y pérdidas parásitas-por lo que la "pérdida real" puede ser peor de lo que se esperaría con una carga sinusoidal limpia y agradable.
Distribución típica de pérdidas (regla general)
Los diferentes tipos/tamaños de transformadores tienden a dividir las pérdidas de manera diferente. Una guía aproximada común es:
Transformadores de distribución más pequeños: la pérdida del núcleo puede ser de ~25–40%, cobre ~60–75%
Transformadores de potencia (más grandes): pérdida del núcleo ~30–50%, cobre ~50–70%
Nuevamente, varía según el diseño-pero es una imagen mental útil.
Resumen-Resumen/Conclusión
Si calcula las pérdidas del transformador con precisión, podrá tomar decisiones más inteligentes sobre:
cómo dimensionar el transformador,
cómo cargarlo eficientemente,
y cómo planificar el mantenimiento antes de que las cosas se vuelvan costosas.
Las pruebas de OC y SC brindan datos sólidos-del mundo real, pero la ingeniería moderna de transformadores a menudo va más allá-utilizando análisis de elementos finitos para estimar cosas como pérdidas parásitas y-temperaturas de puntos calientes (donde los riesgos de falla tienden a ocultarse).
Con el aumento de los precios de la electricidad y requisitos de eficiencia más estrictos en todo el mundo (piense en iniciativas al estilo del DOE y la UE-), minimizar las pérdidas ya no es simplemente "bueno"-sino que es una verdadera prioridad económica y ambiental.
En pocas palabras:Siempre verifique los datos de la placa de identificación y siga estándares comoCEI 60076cuando necesite valores de pérdida certificados.
