Eficacia del transformador

Introducción de la Eficiencia del Transformador

Los transformadores forman el enlace más importante entre los sistemas de suministro y la carga. La eficiencia del transformador afecta directamente su rendimiento y envejecimiento. En general, la eficiencia del transformador se encuentra en el rango del 95% al 99%. Para transformadores de gran potencia con pérdidas muy bajas, la eficiencia puede ser tan alta como el 99,7%. Las mediciones de entrada y salida del transformador no se realizan bajo condiciones de carga, ya que las lecturas del vatímetro inevitablemente sufren errores del 1-2%. Por lo tanto, para los cálculos de eficiencia, se utilizan pruebas OC y SC para calcular las pérdidas nominales del núcleo y los devanados del transformador. Las pérdidas del núcleo dependen del voltaje nominal del transformador, y las pérdidas de cobre dependen de las corrientes a través de los devanados primario y secundario del transformador. Por lo tanto, la eficiencia del transformador es de suma importancia para operarlo bajo condiciones constantes de voltaje y frecuencia. El aumento de la temperatura del transformador debido al calor generado afecta la vida útil de las propiedades del aceite del transformador y determina el tipo de método de enfriamiento adoptado. El aumento de la temperatura limita la clasificación del equipo. La eficiencia del transformador se da simplemente como:

• La potencia de salida es el producto de la fracción de la carga nominal (voltio-amperio) y el factor de potencia de la carga.

• Las pérdidas son la suma de las pérdidas de cobre en los devanados + las pérdidas de hierro + las pérdidas dieléctricas + las pérdidas de carga dispersa.

• Las pérdidas de hierro incluyen las pérdidas por histeresis y las pérdidas por corriente inducida en el transformador. Estas pérdidas dependen de la densidad de flujo dentro del núcleo. Matemáticamente,
  Pérdida por histeresis :
  
  Pérdida por corriente inducida :
  
  Donde kh y ke son constantes, Bmax es la densidad máxima del campo magnético, f es la frecuencia de la fuente, y t es el grosor del núcleo. El exponente 'n' en la pérdida por histeresis es conocido como constante de Steinmetz, cuyo valor puede ser aproximadamente 2.
  

• Las pérdidas dieléctricas ocurren dentro del aceite del transformador. Para transformadores de baja tensión, pueden ser despreciadas.

• El flujo disperso se vincula con el marco metálico, el tanque, etc., para producir corrientes inducidas y están presentes alrededor del transformador, por lo que se denominan pérdidas dispersas, y dependen de la corriente de carga, por lo que se llaman "pérdidas de carga dispersa". Puede representarse mediante una resistencia en serie con la reactancia de fuga.

Cálculo de la Eficiencia del Transformador

El circuito equivalente del transformador referido al lado primario se muestra a continuación. Aquí Rc cuenta para las pérdidas del núcleo. Usando la prueba de cortocircuito (SC), podemos encontrar la resistencia equivalente que cuenta para las pérdidas de cobre como

Definamos x% como el porcentaje de la carga completa o nominal 'S' (VA) y dejemos que Pcufl(vatios) sea la pérdida de cobre a plena carga y cosθ sea el factor de potencia de la carga. También, definimos Pi (vatios) como la pérdida del núcleo. Dado que las pérdidas de cobre y hierro son las pérdidas principales en el transformador, solo se tienen en cuenta estos dos tipos de pérdidas al calcular la eficiencia. Entonces, la eficiencia del transformador se puede escribir como :

Donde, x2Pcufl = pérdida de cobre (Pcu) en cualquier carga x% de la carga total.
La eficiencia máxima (ηmax) ocurre cuando las pérdidas variables son iguales a las pérdidas constantes. Dado que la pérdida de cobre depende de la carga, es una cantidad de pérdida variable. Y la pérdida del núcleo se considera una cantidad constante. Por lo tanto, la condición para la eficiencia máxima es :

Ahora podemos escribir la eficiencia máxima como :

Esto muestra que podemos obtener la eficiencia máxima a plena carga mediante la selección adecuada de las pérdidas constantes y variables. Sin embargo, es difícil obtener la eficiencia máxima, ya que las pérdidas de cobre son mucho mayores que las pérdidas fijas del núcleo.
La variación de la eficiencia con la carga se puede representar en la figura a continuación :

Podemos ver en la figura que la eficiencia máxima ocurre con un factor de potencia unitario. Y la eficiencia máxima ocurre con la misma carga independientemente del factor de potencia de la carga.

Eficiencia Diaria del Transformador