Introducción de la eficiencia del transformador
Transformadores forman el vínculo más importante entre los sistemas de suministro y la carga. La eficiencia de los transformadores afecta directamente a su rendimiento y envejecimiento. La eficiencia de los transformadores, en general, está en el rango del 95 al 99%. Para grandes transformadores de potencia con pérdidas muy bajas, la eficiencia puede ser tan alta como el 99,7%. Las mediciones de entrada y salida de un transformador no se hacen en condiciones de carga, ya que las lecturas del vatímetro inevitablemente sufren errores del 1 2%. Por lo tanto, a efectos de los cálculos de eficiencia, se utilizan las pruebas OC y SC para calcular las pérdidas nominales del núcleo y el devanado del transformador. Las pérdidas del núcleo dependen del voltaje nominal del transformador, y las pérdidas de cobre dependen del corrientes a través de los bobinados primario y secundario del transformador. Por lo tanto, la eficiencia del transformador es de primordial importancia para operarlo bajo constante voltaje y las condiciones de frecuencia. El aumento de la temperatura del transformador debido al calor generado afecta a la vida de las propiedades del aceite del transformador y decide el tipo de método de enfriamiento adoptado. El aumento de la temperatura limita la capacidad del equipo. El eficiencia del transformador se da simplemente como:
- La potencia de salida es el producto de la fracción de la carga nominal (voltios-amperios), y el factor de potencia de la carga
- Las pérdidas son la suma de las pérdidas de cobre en los devanados + la pérdida de hierro + la pérdida dieléctrica + la pérdida de carga perdida.
- Las pérdidas de hierro incluyen la histéresis y las pérdidas de corrientes de remolino en el transformador. Estas pérdidas dependen de la densidad de flujo dentro del núcleo. Matemáticamente,
Pérdida de histéresis :
Pérdida de corrientes de Foucault :
Donde kh y ke son constantes, Bmax es el pico de densidad del campo magnético, f es la frecuencia de la fuente, y t es el grosor del núcleo. La potencia n en la pérdida de histéresis se conoce como constante de Steinmetz cuyo valor puede ser casi 2.
- Las pérdidas dieléctricas tienen lugar dentro del aceite del transformador. En los transformadores de bajo voltaje, puede ser descuidado.
- El flujo de fuga se une al marco de metal, al tanque, etc. para producir corrientes de remolinos y están presentes por todo el transformador por lo que se llama pérdida de la vida, y depende de la carga actual y llamado así por la pérdida de carga extraviada. Puede ser representado por resistencia en serie a la reactancia de fuga.
Cálculo de la eficiencia del transformador
A continuación se muestra el circuito equivalente de transformador referido al lado primario. Aquí Rc es la causa de las pérdidas del núcleo. Usando la prueba de cortocircuito (SC), podemos encontrar el equivalente resistencia contabilizando las pérdidas de cobre como
Definamos x% como el porcentaje de carga completa o nominal S (VA) y dejemos que Pcufl(vatios) sea la pérdida de cobre a plena carga y porque sea la factor de potencia de la carga. Además, definimos Pi (vatios) como pérdida de núcleo. Como las pérdidas de cobre y hierro son pérdidas importantes en el transformador, por lo tanto, sólo se tienen en cuenta estos dos tipos de pérdidas al calcular la eficiencia. Entonces el eficiencia del transformador puede ser escrito como :
Donde, x2Pcufl = pérdida de cobre(Pcu) en cualquier carga x% de la carga completa.
La máxima eficiencia (max) ocurre cuando las pérdidas variables son iguales a las constantes. Dado que la pérdida de cobre depende de la carga, por lo tanto es una cantidad de pérdida variable. Y la pérdida del núcleo se toma como la cantidad constante. Así que la condición para la máxima eficiencia es :
Ahora podemos escribir la máxima eficiencia como..:
Esto demuestra que podemos obtener la máxima eficiencia a plena carga mediante la adecuada selección de pérdidas constantes y variables. Sin embargo, es difícil obtener la máxima eficiencia ya que las pérdidas de cobre son mucho mayores que las pérdidas del núcleo fijo.
La variación de la eficiencia con la carga puede representarse en la figura siguiente :
Podemos ver en la figura que la máxima eficiencia se produce en la unidad factor de potencia. Y la máxima eficiencia se produce en la misma carga, independientemente del factor de potencia de la carga.
Eficiencia del transformador durante todo el día
Es una eficiencia energética calculada para transformadores de distribución. A diferencia de transformador de potencia que se conecta o desconecta dependiendo de la carga que maneje, la carga de un transformador de distribución fluctúa continuamente durante 24 horas al día. Como las pérdidas del núcleo son independientes de la carga, la eficiencia durante todo el día depende de las pérdidas de cobre. Lo definimos como la relación entre la energía de salida entregada y la energía de entrada durante un ciclo de 24 horas. Las altas eficiencias energéticas se consiguen restringiendo las densidades de flujo del núcleo a valores más bajos (ya que las pérdidas del núcleo dependen de la densidad de flujo) mediante el uso de una sección transversal relativamente mayor o una mayor relación de peso de hierro/cobre.
