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Perdidas en el cobre y en el hierro en los transformadores
 

Perdidas en el cobre y en el hierro en los transformadores

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Es un trabajo que abarca un resumen de la historia desarrollo y evolución en los transformadores así como sus perdidas en el cobre y en el hierro

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    Perdidas en el cobre y en el hierro en los transformadores Perdidas en el cobre y en el hierro en los transformadores Document Transcript

    • Maquinas Eléctricas 1 PERDIDAS DE POTENCIA Y EFICIENCIA EN LOS TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS Erika Poveda epoveda@est.ups.edu.ec Libio Calle lcalle@est.ups.edu.ecIntroducción fabricar este tipo de focos de una manera muy eficiente y con este invento se abrióComo ya aviamos mencionado un campo extraordinario de aplicaciónanteriormente un transformador no es que creó la necesidad de construirmás que una maquina eléctrica que generadores eficientes de electricidad.convierte cierta tensión que ingresa altransformador ya se aumentándola odisminuyéndola a la salida pero estasmaquinas eléctricas no son ideales esdecir tienen perdidas de potencia yeficiencia debido algunos factores que semencionara a continuación.Historia del transformador Una vez que la electricidad pudo ser generada y distribuida para la iluminación, se aprovechó para ser utilizada como fuerza motriz por medio de motores eléctricos. Se puso así a disposición de la industria y de los transportes un nuevo medio universal y barato de distribución de energía que dio Transformador de 1866 un gran impulso a la utilización de losEn octubre de 1879, después de muchas motores eléctricos. Así se creó laexperiencias infructuosas y de haber industria eléctrica pesada. Como segastado la considerable cantidad para puede apreciar la industria eléctrica, enese entonces de 40 000 dólares, el contraste con otras más antiguas, tuvoestadounidense Thomas Alva Edison un carácter científico desde sus inicios.(1847-1931) logró construir una lámpara A pesar de los extraordinarios logros deincandescente en la que un filamento de Edison hubo problemas con la corrientecarbón emitía luz al hacerle pasar una eléctrica que utilizaba, que como vimoscorriente eléctrica por más de 40 horas. era corriente directa. Esto ocasionóEl famoso inventor colocó su filamento problemas. En efecto, en primer lugar, ladentro de un bulbo de vidrio que estaba utilización de circuitos en paraleloal vacío en su interior. Edison logró requirió que los cables fueran muy
    • Maquinas Eléctricas 1gruesos, lo cual generaba costos altos. de la corriente cambia en un segundo esEn segundo lugar, y de mas importancia, la frecuencia de la corriente y se mide enal aumentar la demanda de iluminación hertz (Hz); así, una corriente de 60 Hz esse necesitaron cargas cada vez más aquella que varía 60 veces en unaltas que implicaban corrientes eléctricas segundo. En 1888 Nikola Tesla obtuvoenormes. Por lo tanto, se estaba ante la una patente por un generador polifásicoalternativa de enviar corrientes muy altas alterno que producía gran potenciaa través de grandes cables de cobre, lo eléctrica; muy pronto este tipo decual era muy ineficiente, o de construir máquina fue la más usada. Hoy en día semuchas plantas generadoras de emplean generadores que son versioneselectricidad cercanas a los usuarios, con muy mejoradas del generador polifásicoel respectivo aumento considerable de de Tesla. Los primeros generadoreslos costos. fueron diseñados para que produjeran corrientes que tenían diferentes valoresAdemás, rápidamente quedó en de sus frecuencias: los de 25, 33.5, 40,evidencia que el sistema de corriente 50, 60, 90, 130, 420 Hz fueron los másdirecta que se ramificaba dos kilómetros usados. Con el tiempo se ha convenidofuera de la planta estaba cerca de su en utilizar 60 Hzlímite de crecimiento.Por otro lado, la transmisión de corrienteeléctrica de alto voltaje a largas El primer transformador fue, de hecho,distancias, por medio de alambres construido por Faraday cuando realizórelativamente delgados, podría ser muy los experimentos en los que descubrió laeficiente. La objeción era que un inducción electromagnética. Lo que usógenerador de corriente directa produce fueron dos bobinas enrolladas unacorriente con un voltaje determinado que encima de la otra Al variar la corrienteno se puede modificar y por tanto, no que circulaba por una de ellas, cerrandohabría forma de reducir el voltaje al valor o abriendo el interruptor, el flujoque se necesitara, en particular en el uso magnético a través de la otra bobinadoméstico. Hemos de mencionar que variaba y se inducía una corrientecuando hablamos de alto voltaje nos eléctrica en la segunda bobina. Puesreferimos a decenas de miles de volts, bien, este dispositivo es precisamente unmientras que los valores para los transformador. Faraday no puso mayorusuarios son de 125 a 250 volts. atención en este aparato ya que estaba interesado en otras cuestiones. En elLa solución a estos dilemas se encontró transcurso de los años varioscon la construcción de generadores de experimentadores trabajaron concorriente alterna por un lado, y la diferentes versiones de transformadores.invención del transformador por el otro.Estos dos dispositivos basan sufuncionamiento en la ley de inducción deFaraday. Veamos un poco de su historia.Desde que Faraday descubrió lainducción electromagnética seconstruyeron los primeros generadoresque producían corriente eléctrica quevariaba o alternaba al transcurrir el 1831 - Transformador de Faradaytiempo; el número de veces que el valor
    • Maquinas Eléctricas 1Edison y sus asociados pelearon contra Esquema de un sistema de distribuciónla utilización de la comente alterna tanto de electricidad, desde la plantaen la prensa como en los tribunales. Sin generadora hasta los diversosembargo, su lucha estaba perdida. Muy consumidores. Este sistema es posiblepronto la corriente directa cedió su lugar gracias a los transformadores.a la alterna debido a su flexibilidad, En el transcurso del presente siglo haconveniencia y bajo costo. Tres años habido una gran actividad de trabajodespués del éxito con su planta Edison científico y desarrollo tecnológico paraquedó desplazado. mejorar la eficiencia del funcionamientoEn la década de 1890 el crecimiento de de los transformadores. Este trabajo halos sistemas de corriente alterna fue muy estado centrado en desarrollar mejoresvertiginoso. En las cataratas del Niágara, materiales para los núcleos, a fin deEUA, se instalaron generadores evitar pérdidas de energía que ocasionaninmensos que iniciaron su servicio en el calentamiento del transformador.1895 y alimentaron de electricidad a Ahora bien, al aumentar la temperaturalugares bastante lejanos, algunos las características del materialsituados a centenares de kilómetros. De ferromagnético cambian y a la larga dejaesta manera muy pronto se establecieron de ser ferromagnético, con lo que elsistemas de transmisión en muchos núcleo del transformador ya no funcionapaíses, tendencia que continúa hasta la eficientemente. Es por esto que se hizofecha. un gran esfuerzo científico y técnico para evitar este calentamiento, lo cual se logróEn la figura 13 se presenta el esquema al sumergirlo en un líquido, por ejemplo,de un sistema de distribución de energía aceite.eléctrica que nace de una plantageneradora y que va hasta una ciudad Las pérdidas en unmuy alejada. A la salida de la planta un transformadortransformador eleva el voltaje para iniciarla distribución. En la cercanía de la meta Ninguna maquina eléctrica es ideal, esse inicia el descenso del voltaje por decir siempre tienen algún tipo demedio de transformadores que se perdida al realizar un trabajo, siendoencuentran en subestaciones, descenso estas estáticas o dinámicasque se va realizando de manera gradualpara poder alimentar a usuarios condiferentes necesidades. Figura 13.
    • Maquinas Eléctricas 1En el caso del transformador estaspérdidas son estáticasEn un trasformador se producen perdidasesencialmente por las siguientes causas: por ciclos de histéresis por corrientes parasitas (corrientes de Foucault)(Estas dos llamadas también perdidas enel hierro) pedidas en el cobre del bobinado Perdidas en el hierro Fig.2 Ciclo de HistéresisComo se menciono anteriormente deforma breve las perdidas en el hierro sonlas perdidas por histéresis y por De igual forma que en las corrientescorrientes parasitas parasitas el ciclo de histéresis dependerá esencialmente del tipo de material La histéresis magnética Para calcular numéricamente lasEs el fenómeno que se produce cuando perdidas por histéresis podemos usar lala imantación de los materiales ferro siguiente igualdadmagnéticos no solo depende del flujomagnético, sino de los estadosmagnéticos anteriores.En el caso de los transformadores alsometer un material magnético a un flujovariable se produce una imantación quese mantiene al cesar el flujo variable, loque provoca una perdida de energíaEn la fig.2 podemos ver de una formamás clara lo que se trata de explicar. Y por lo tanto se puede concluir que las pérdidas en el hierro son la suma de las perdidas por ciclos de histéresis y las perdidas por corrientes parasitas. Las corrientes parasitas Se producen en cualquier material conductor cuando se encuentran
    • Maquinas Eléctricas 1sometidos a una variación de flujomagnético, como los núcleos de lostransformadores están hechos demateriales magnéticos y estos materialesson buenos conductores se genera unafuerza electromotriz inducida que originacorrientes que circulan en el mismosentido dando lugar a el denominadoefecto JouleLas perdidas por corrientes parasitasdependerán del material con el que estáconstruido el núcleo magnético deltransformadorPara reducir en parte estas pérdidas depotencia es necesario que el núcleo deltransformador que esta bajo un flujovariable no sea macizo, es decir elnúcleo deberá estar construido conchapas magnéticas de espesores muydelgados, colocadas una enzima de otra Fig.3 Chapas del nucleoy aisladas entre siAl colocar las chapas magnéticas lo que En la siguiente tabla (tabla 1) se expresaconseguimos es que la corriente eléctrica las características de construcción losno pueda circular de una chapa a otra y valores magnéticos para determinar lasse mantenga independientemente en pérdidas de potencia en el hierro encada una de ellas con lo que se induce función del espesor, la aleación y lamenos corriente y disminuye la potencia inducciónperdida por corrientes parasitas ocorrientes de FoucaultEn la fig.2 podemos observar primero unflujo en un núcleo macizo y porconsiguiente una gran cantidad depérdidas de energía que derivaran enperdidas inevitables de potenciaEn cambio en la siguiente fig.3 podemosobservar la función de las chapas en elnúcleo reduciendo las corrientesinducidas y por lo tanto menos perdidas Para realizar un cálculo numérico de lasde potencia pérdidas en el hierro por las corrientes parasitas recurrimos a la siguiente formula:
    • Maquinas Eléctricas 1 También en este ensayo mencionaremos los métodos prácticas para medir las perdidas en un transformador. Método práctico para medir las pérdidas en el hierro de un transformador Método de prueba al vacío Al usar este método a través de la medición de la tensión, intensidad de Perdidas en el cobre corriente y potencia solamente en el bobinado primario y dejando el bobinado secundario abierto es decir el bobinado secundario no será recorrido por ningunaEs la suma de las potencias pérdidas en intensidad y de esta manera obtenemoslos bobinados de un transformador. Se directamente la potencia perdida endeben a la disipación de calor que se hierroproducen en los devanados. El valor deesta potencia depende del cuadrado de Las pérdidas en el hierro las podemoslas intensidades de corriente de carga y medir fácilmente, leyendo la entrada ena la resistencia de los bobinados, la cual vatios por medio de un vatímetro fig.4.varía mucho desde el funcionamiento envacío a plena carga.Estas pérdidas las podemos calcularnuméricamente atreves de la siguientefórmula: Fig.4 Ciclo de Histéresis Es conveniente controlar la tensión aplicada al bobinado del transformador por ejemplo usando un autotransformador variando la tensión desde cero hasta el valor de la tensión nominal. Método para determinar las pérdidas en el cobre
    • Maquinas Eléctricas 1 Método del corto circuito por 1.1 para obtener la resistencia efectiva a la C.A, fig.6.Con este método en corto circuitoconseguimos las intensidades nominales De esta manera tenemos la corriente y laen los dos bobinados, aplicando una resistencia que tiene cada debando ypequeña tensión al bobinado primario y podemos determinar la potencia perdidacortocircuitando el bobinado secundariocon un amperímetro (como se indica enla siguiente fig.5) Fig.5 Ciclo de Histéresis Fig.6Medición de la resistencia de los devanados.El método consiste en aplicarprogresivamente una tensión voltio avoltio, hasta llegar a las intensidades Rendimiento de un transformadornominales en los bobinadosLa tensión aplicada, una vez alcanzada El rendimiento de un transformador sela intensidad nominal en el secundario, define como la relación entre la potenciarecibe el nombre de tensión de corto de salida y la potencia absorbida de lacircuito. Esta tensión supone un valor red por el transformadorbajo con respecto a la tensión nominalaplicada al transformador cuando está encargaEstas pérdidas las podemos determinardirectamente con el vatímetroconectándolo en el bobinado primario Para determinar el rendimiento de un transformador de una madera rápida y directa podemos medir con un vatímetro Midiendo la resistencia de los la potencia del bobinado primario y de bobinados igual forma con otro vatímetro la potencia del bobinado secundario, de tal formaSe aplica a cada devanado un voltaje de que el rendimiento del transformadorcorriente continua de valor bajo, por vendrá determinado por el coeficienteejemplo 120 Voltios, se mide la corriente que resulte entre estos dos valoresy el voltaje del devanado en cuestión, seaplica la ley de Ohm y se obtiene la Otra manera de calcular la eficiencia enresistencia efectiva en C.C, se multiplica un transformador es determinado el cociente de la potencia de salida y la
    • Maquinas Eléctricas 1potencia de entrada, sumándole las chapas, en forma invertida, una conperdidas en el cobre y en el hierro respecto a la siguiente, según se observe en la figura. De esta forma se evita el entrehierro o espacio de aire que como hemos podido comprobar en nuestro estudio son un grave problema ya que disminuyen la permeabilidad magnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en la intensidad o densidad del campo magnético, que. Lo cualDISEÑOS PARA EVITAR PÉRDIDAS desemboca en pérdidas de potenciaAnteriormente se menciona que para A continuación se muestra una tabla conevitar las corrientes parasitas y reducir las medidas de chapas disponiblesen cierta forma las pérdidas de potencia fig.9en el mercado con su respectivase utiliza chapas muy delgadas en el explicación graficanúcleo, pero como debe ser estaschapas?El tipo de chapas más utilizado es el queadopta la forma de E, tal como se puedeapreciar en la fig.7 Fig.8 Chapas Fig.7 Tipo de chapasDe igual forma en la fig.8 podemosobservar la manera de armar o construirel núcleo. Al construir de esta manera ennúcleo aprovechamos casi es sutotalidad el flujo magnético, evitándoselas pérdidas por dispersión, este núcleorecibe el nombre de "núcleo acorazado".La forma correcta de armar untransformador consiste en montar las
    • Maquinas Eléctricas 1 Fig.9 Tabla de láminas monofásicasEfectos de la temperaturaComo he mencionado varios veces eneste ensayo gran parte de las pérdidas Solución al efecto Jouleque tienen los transformadores seconvierten en energía calorífica, por esose menciona en este punto cómo El efecto Joule se puede contrarrestarreaccionan los materiales ferro mediante un mejor uso del conductor, esmagnéticos a cambios en la temperatura decir, usando conductores de mejor eficiencia y colocándolos de tal formaLa energía térmica hace que los dipolos que la sección que produce dicho efectomagnéticos de un material sea mínima. A continuación se presentaferromagnético sufran una desalineación las consideraciones de dichosen su configuración normal como vemos conductores para alta y baja tensión:en la fig.10 Conductores en Baja Tensión El conductor se usa generalmente para potencias pequeñas y tiene diámetros no superiores a 3 ó 3.5 mm. El aislamiento de los conductores, cuando Joson cilíndricos, pueden ser de algodón y de papel, y más raramente conductor esmaltado en caso de que los transformadores no sean enfriados con aceite. Fig.10 magnetización por saturación Vs temperatura Conductores en Alta TensiónAl llegar a un límite de temperatura elferromagnetismo de los materiales La corriente que circula por ellos esferromagnéticos desaparece relativamente baja, por lo que son decompletamente, y el material se toma conductor de cobre de sección circularparamagnético. con diámetro de 2.5 a 3.0 mm A continuación se muestran tablas en lasEsta temperatura se denomina que se encuentran las principalestemperatura de Curie características de los conductores asíEn la siguiente tabla se indica el valor de como sus equivalentes en awg.la temperatura de Curie para algunos Elección de materiales magnéticomateriales Al construir un transformador y elegir el material del núcleo debemos tener en
    • Maquinas Eléctricas 1cuanta algunos aspectos, de estamanera optimizamos los recursos 75 Ni-5evitando posibles perdidas Cu-2 Cr- 0,8 0,012 30.000 18 FeMateriales blandos (Mumetal)El uso de estos materiales está centradoen núcleos para transformadores, +79 Ni-5motores, generadores, equipos de Mo-15 Fe-comunicación de alta sensibilidad debido 0,5 Mn 0,78 0,004 100.000a que son fácilmente imantar y (Supermalldesimantar, presentando curvas de oy)histéresis de apariencia estrecha conbajos campos coercitivos y alta 48% MnO-saturación, y teniendo por tanto altas Fe2O3,permeabilidades magnéticas (figura 9 a). 52% ZnO- 0,36 1000 Fe2O3Propiedades magtiéticas de materiales (ferritablandos suave) Inducció Camp n Permeabili o Materiales durosMaterial y dad decomposici coerci saturaci relativa Los materiales magnéticos duros seón vo, H¡, ón, caracterizan por una alta fuerza inicial µi A/cm coercitiva Hc y una alta inducción BS,T magnética remanente Br; de este modo, los ciclos de histéresis de estosHierro materiales son anchos y altos (figura 9 b)magnético 2,15 0,8 250 Propiedades magnéticas seleccionadas, chapa de0,2 cm de materiales magnéticos durosM36 Si-Felaminado 2,04 0,36 500en frío(aleatorio)M6 (110)[001],3,2% Si- 2,03 0,06 1.500Fe Tabla 5(orientado45 Ni-55Fe (45 1.6 0,024 2700Permalloy)
    • Maquinas Eléctricas 1 una maquina eléctrica con menos perdidas y con una alta eficiencia optimizando nuestro trabajo y evitando perdidas económicas Bibliografía Archivo PDF "estudios del transformador monofásico", AUTOR NN PaginaWeb "Wiquipedia enciclopedia libre", transformado monofásicoImagen 9 Pagina web "monografías.com" materiales magnéticosConclusiones Pagina web"monografía.com" diseñoAl finalizar este ensayo puedo mencionar transformadoreslas siguientes conclusiones Imágenes 1, 2, 4 tomadas de ArchivoLas principales perdidas que existen en PDF "estudios del transformadorun transformador monofásico son monofásico", AUTOR NNcausadas por flujos de histéresis, Imágenes 3,5 tomadas de Archivo PDFcorrientes parasitas, y perdidas en el "perdidas en el transformador en vacio",cobre AUTOR Luis Alberto arcos SalazarPodemos reducir estas pérdidas de Imágenes 8,9 tomadas de Pagina webpotencia en el transformador y "monografías.com" materialesmejorando su eficiencia tomando en magnéticoscuanta varios aspectos a la hora de laconstrucción de un transformador tales Tabla 5, 4,3 tomadas de Pagina webaspectos pueden ser, el uso de chapas "monografías.com" materialesen el núcleo, la selección adecuada del magnéticosmaterial magnético a utilizar, entre otros http://www.profesorenlinea.cl/fisica/ElectriEl transformador es una gran cidadCronol.htmherramienta en la vida humana, y sitomamos en cuenta los aspectos http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/cimencionados en este ensayo a la hora encia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec_11de construir un transformador, tendremos .htm