Pérdida de Energía de los Transformadores

Pérdidas en el Transformador

Como el transformador es un dispositivo estático, normalmente no se consideran las pérdidas mecánicas. Generalmente, solo consideramos las pérdidas eléctricas en el transformador.

La pérdida en cualquier máquina se define ampliamente como la diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida. Cuando se suministra la potencia de entrada al primario del transformador, una parte de esa potencia se utiliza para compensar las pérdidas en el núcleo del transformador, es decir, la pérdida por histeresis y la pérdida por corrientes de Foucault en el núcleo, y otra parte de la potencia de entrada se pierde como pérdida I²R y se disipa como calor en los devanados primario y secundario, ya que estos tienen cierta resistencia interna.

La primera se llama pérdida en el núcleo o pérdida de hierro en el transformador, y la segunda se conoce como pérdida ohmica o pérdida de cobre en el transformador. Otra pérdida que ocurre en el transformador, conocida como pérdida dispersa, se debe a los flujos dispersos que se enlazan con la estructura mecánica y los conductores de los devanados.

Pérdida de Cobre en el Transformador

La pérdida de cobre es una pérdida I²R, con I1²R1 en el lado primario e I2²R2 en el lado secundario. Aquí, I1 e I2 son las corrientes primaria y secundaria, y R1 y R2 son las resistencias de los devanados. Dado que estas corrientes dependen de la carga, la pérdida de cobre en un transformador varía con la carga.

Pérdidas en el Núcleo del Transformador

La pérdida por histeresis y la pérdida por corrientes de Foucault, ambas dependen de las propiedades magnéticas de los materiales utilizados para construir el núcleo del transformador y su diseño. Por lo tanto, estas pérdidas en el transformador son fijas y no dependen de la corriente de carga. Así, las pérdidas en el núcleo del transformador, también conocidas como pérdida de hierro, pueden considerarse constantes para todo el rango de carga.

La pérdida por histeresis en el transformador se denota como,

La pérdida por corrientes de Foucault en el transformador se denota como,

Kh = constante de histeresis.

Ke = constante de corrientes de Foucault.

Kf = constante de forma.

La pérdida de cobre puede denotarse simplemente como,

IL²R2′ + pérdida dispersa

Donde, IL = I2 = carga del transformador, y R2′ es la resistencia del transformador referida al secundario.

Ahora discutiremos la pérdida por histeresis y la pérdida por corrientes de Foucault en un poco más de detalle para una mejor comprensión del tema de las pérdidas en los transformadores.

Pérdida por Histeresis en el Transformador

La pérdida por histeresis en los transformadores puede explicarse de dos maneras: físicamente y matemáticamente.

Explicación Física de la Pérdida por Histeresis

El núcleo magnético del transformador está hecho de 'Acero Siliconado Orientado a Grano Frío'. El acero es un material ferromagnético muy bueno. Este tipo de materiales es muy sensible a ser magnetizado. Eso significa que, cada vez que un flujo magnético pasa a través de él, se comportará como un imán. Los materiales ferromagnéticos tienen varios dominios en su estructura.

Los dominios son regiones muy pequeñas en la estructura del material, donde todos los dípolos están paralelos en la misma dirección. En otras palabras, los dominios son como pequeños imanes permanentes situados de manera aleatoria en la estructura del material.

Estos dominios están dispuestos dentro de la estructura del material de tal manera aleatoria, que el campo magnético resultante neto del material mencionado es cero. Cuando se aplica un campo magnético externo (mmf), los dominios dirigidos de manera aleatoria se alinean paralelos al campo.

Después de que se retira el campo, la mayoría de los dominios vuelven a posiciones aleatorias, pero algunos permanecen alineados. Debido a estos dominios inalterados, el material se vuelve ligeramente magnetizado de manera permanente. Este magnetismo se llama "Magnetismo Espontáneo".

Para neutralizar este magnetismo, se requiere aplicar algún mmf opuesto. La fuerza electromotriz o mmf aplicada en el núcleo del transformador es alternante. Por cada ciclo debido a esta inversión de dominios, habrá trabajo extra realizado. Por esta razón, habrá un consumo de energía eléctrica, que se conoce como pérdida por histeresis del transformador.

Explicación Matemática de la Pérdida por Histeresis en el Transformador

Determinación de la Pérdida por Histeresis

Consideremos un anillo de una muestra ferromagnética de circunferencia L metros, área de sección transversal a m² y N vueltas de hilo aislado, como se muestra en la imagen adjunta,

Supongamos que la corriente que fluye a través del bobinado es I amperios,

Fuerza magnetizadora,

Supongamos que la densidad de flujo en este instante es B,

Por lo tanto, el flujo total a través del anillo, Φ = BXa Wb

Dado que la corriente que fluye a través del solenoide es alterna, el flujo producido en el anillo de hierro también es alterno, por lo que la f.e.m. (e′) inducida se expresará como,

Según la ley de Lenz, esta f.e.m. inducida opondrá el flujo de corriente, por lo tanto, para mantener la corriente I en el bobinado, la fuente debe suministrar una f.e.m. igual y opuesta. Por lo tanto, la f.e.m. aplicada,

Energía consumida en un corto tiempo dt, durante el cual la densidad de flujo ha cambiado,

Así, el trabajo total realizado o la energía consumida durante un ciclo completo de magnetización es,

Ahora, aL es el volumen del anillo y H.dB es el área de la tira elemental de la curva B – H mostrada en la figura anterior,

Por lo tanto, la energía consumida por ciclo = volumen del anillo × área del bucle de histeresis.En el caso del transformador, este anillo puede considerarse como el núcleo magnético del transformador. Por lo tanto, el trabajo realizado no es más que la pérdida de energía eléctrica en el núcleo del transformador y esto se conoce como pérdida por histeresis en el transformador.

¿Qué es la Pérdida por Corrientes de Foucault?

En el transformador, suministramos corriente alterna en el primario, esta corriente alterna produce un flujo magnetizador alterno en el núcleo y, como este flujo se enlaza con el devanado secundario, habrá un voltaje inducido en el secundario, resultando en una corriente que fluye a través de la carga conectada a él.

Algunos de los flujos alternantes del transformador; también pueden enlazarse con otras partes conductoras como el núcleo de acero o el cuerpo de hierro del transformador, etc. Al enlazarse estos flujos alternantes con estas partes del transformador, habrá una f.e.m. inducida localmente.

Debido a estas f.e.m., habrá corrientes que circularán localmente en esas partes del transformador. Estas corrientes circulantes no contribuyen a la salida del transformador y se disipan como calor. Este tipo de pérdida de energía se llama pérdida por corrientes de Foucault en el transformador.

Esta fue una explicación amplia y simple de la pérdida por corrientes de Foucault. La explicación detallada de esta pérdida no está en el alcance de la discusión en este capítulo.