Los dispositivos eléctricos como los transformadores de potencia son dispositivos muy eficaces y fiables. El transformador es un dispositivo estático sin piezas móviles, lo que lo hace muy resistente y duradero. Sin embargo, durante el funcionamiento del transformador se pierde algo de energía. Si quiere saber más sobre la eficiencia de los transformadores y las pérdidas que se producen durante su funcionamiento, siga leyendo nuestra completa guía de preguntas frecuentes.
¿Qué es la fórmula de eficiencia de los transformadores?
Los efectos de las pérdidas del transformador pueden medirse mediante la eficiencia del transformador, que se expresa en porcentaje. La fórmula de la eficiencia del transformador es:
η = Pout / Pin, donde
η es el rendimiento del transformador expresado en porcentaje (%)
Pout = potencia de salida del transformador (W)
Pin = potencia de entrada del transformador (W)
Para realizar el cálculo de la eficiencia de un transformador, hay que dividir la potencia de salida por la potencia de entrada y multiplicar el resultado por 100. Esto significa que el 96.96% es el rendimiento de un transformador con una potencia de salida de 1.600 vatios y una potencia de entrada de 1.650 vatios.
¿Cuál es la eficiencia de un transformador monofásico?
Es fundamental construir un transformador de distribución monofásico de modo que la máxima eficiencia no se produzca con una carga reducida si se quiere que sea eficiente. El rendimiento medio de un transformador de distribución monofásico dependerá de su tamaño, pero suele oscilar entre el 95% y el 98.5%.
Cuando un transformador monofásico está muy cargado, el rendimiento será alto. Sin embargo, el rendimiento óptimo o ideal del transformador se produce aproximadamente entre el 75% y el 80% de la carga nominal. Por debajo de este rango, las pérdidas del transformador dominan y la eficiencia disminuye.
¿Es el transformador 100% eficiente?
Por muy eficiente que sea un transformador, no lo es al 100%. Ningún transformador es perfectamente eficiente porque siempre se producen algunas pérdidas durante su funcionamiento. Las cuatro formas principales en que los transformadores pierden potencia son las pérdidas en el núcleo, las pérdidas por histéresis, las pérdidas por corrientes parásitas y las pérdidas en el cobre.
Pérdida de núcleo
Las pérdidas en el núcleo son las pérdidas de potencia debidas a las corrientes de Foucault y a la histéresis en el núcleo del transformador. Se miden en vacío mediante la prueba de circuito abierto. Las pérdidas en el cobre se producen cuando se pierde potencia debido a la resistencia en los devanados del transformador.
Pérdida por histéresis
La histéresis se conoce como la inversión de la magnetización del núcleo del dispositivo. La cantidad de pérdida viene determinada por la frecuencia de la inversión magnética, el grado de hierro utilizado, así como el volumen y la densidad de flujo. La siguiente fórmula determina la pérdida por histéresis:
ηBmáx 1.6fV(vatios) = Wh, donde
η = constante de histéresis de Steinmetz
V = volumen del núcleo en m3
Corrientes de Foucault
La corriente de Foucault es la fuente eléctrica que envía CA al transformador por el lado primario. El flujo magnetizante alternativo necesario en el núcleo del transformador viene determinado por este movimiento. La corriente parásita producida se opondrá a este flujo y creará un efecto de calentamiento, que provoca pérdidas de energía.
Pérdida de cobre
La pérdida de cobre es la potencia I2R perdida debido a la resistencia eléctrica en los devanados primario y secundario. Se mide a plena carga mediante la prueba de cortocircuito. Además, pueden producirse otras pérdidas en el transformador, como las pérdidas dieléctricas (aislamiento) y las pérdidas por cargas parásitas.
¿Por qué es alta la eficiencia de los transformadores?
Hay muchas razones por las que la eficiencia de los transformadores es alta. Una de ellas es que los transformadores son dispositivos muy eficientes que convierten la energía eléctrica de una forma a otra. Otra razón es que las pérdidas de los transformadores son relativamente bajas.
Una de las principales razones por las que el rendimiento de los transformadores es alto es que las pérdidas en el núcleo son muy bajas. El núcleo del transformador está hecho de un material que tiene unas pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault muy bajas. Además, los devanados del transformador son de cobre, que tiene una resistencia muy baja.
¿Qué afecta a la eficiencia de los transformadores?
Por muy eficiente que sea un transformador, nunca puede alcanzar el 100% de su capacidad. La razón se debe probablemente a los siguientes factores:
El efecto de calentamiento de la corriente de la bobina
La potencia se pierde en calor I2R, siendo R la resistencia de la bobina e I la corriente que circula por ella. Una vez generado el calor, debe disiparse al entorno para evitar dañar la bobina.
Para aumentar la eficacia de tu transformador, utiliza cables de cobre gruesos y resistentes al calor. También puedes utilizar un refrigerante para bajar la temperatura de tu transformador.
Calentamiento por corrientes de Foucault inducidas
Este tipo de pérdida se produce en el núcleo del transformador. Las corrientes de Foucault se inducen en el núcleo del transformador cuando el campo magnético cambiante del devanado primario interactúa con el devanado secundario.
Para aumentar la eficacia, utilice un núcleo de hierro laminado, ya que cada capa está aislada con pintura de esmalte, lo que impide el flujo de corrientes parásitas. La pintura esmaltada de alta resistencia también reduce el efecto de calentamiento.
Magnetización del núcleo de hierro
El gasto energético en la magnetización y desmagnetización del núcleo de hierro puede ser bastante elevado. Esto se debe a que el transformador debe magnetizar y desmagnetizar constantemente el núcleo de hierro para producir un campo magnético cambiante en el devanado secundario. Este proceso puede suponer un gran derroche de energía.
Para reducir esta pérdida de energía, utilice una aleación de metal amorfo para el núcleo del transformador. Los metales amorfos tienen una pérdida de histéresis muy baja porque no tienen estructura cristalina.
Fuga de flujo
Una parte del flujo magnético inducido de la bobina primaria no se transmite a la bobina secundaria, lo que provoca una disminución del flujo electromagnético (EMF) en la bobina secundaria. El devanado primario se entrelaza con el secundario.
El núcleo de hierro debe formar un bucle cerrado por donde pueda fluir el flujo. Si hay huecos de aire en el transformador, el flujo se escapará y no se aprovechará totalmente, lo que provocará una disminución de la eficiencia del transformador.
Para reducir las fugas de flujo, asegúrese de que el transformador esté bien bobinado y de que no haya espacios de aire en el transformador.
¿Cómo mejorar la eficiencia de los transformadores?
Aunque la eficiencia de su transformador nunca puede alcanzar el 100%, hay distintas formas de mejorarlo a partir de su estado actual. Para que un transformador sea más eficiente, puedes añadir aislamiento del área de bucle, resistencia de las bobinas primaria y secundaria o acoplamiento de flujo.
Aislamiento para minimizar el área del bucle
El aislamiento entre las láminas del núcleo es necesario para reducir el impacto de las corrientes de Foucault. De este modo, la corriente fluirá por la trayectoria prevista a través de los devanados primario y secundario. Como resultado, la eficiencia del transformador aumentará en gran medida porque el transformador no tendrá que trabajar tanto para superar los efectos de las corrientes de Foucault.
Resistencia de la bobina primaria y secundaria
Para evitar pérdidas por calentamiento, la resistencia de las bobinas primaria y secundaria debe ser lo más baja posible. Si la resistencia es demasiado alta, el transformador perderá más energía en forma de calor. Utilice un refrigerante para ayudar a reducir la resistencia y mejorar la eficiencia del transformador.
Acoplamiento magnético
El acoplamiento magnético debe ser lo más hermético posible para reducir las fugas de flujo. Si hay demasiadas fugas de flujo, el transformador no podrá utilizar todo el flujo y tendrá que trabajar más, lo que provocará una disminución de la eficiencia del transformador.
Asegúrese de que el transformador esté bien bobinado y de que no haya espacios de aire en el transformador para reducir las fugas de flujo.
¿A qué carga alcanza su máximo rendimiento el transformador?
Un transformador es más eficiente cuando funciona a su capacidad nominal. El rendimiento ideal de un transformador ronda el 80-90%. Sin embargo, ningún transformador es eficiente al 100%. Siempre se pierde algo de energía en forma de calor y ruido.
Además, un transformador también funciona de forma más eficiente a 3/4 de su carga máxima. Las pérdidas de cobre (Pc) y de hierro (Pi) alcanzan su valor máximo a plena carga. Cuando el transformador está ligeramente cargado, la corriente en los devanados primario y secundario se reduce.
Esto se traduce en una disminución de Pc y Pi, lo que conlleva un aumento de la eficiencia. Sin embargo, el transformador debe estar diseñado para funcionar a 1,2 veces su capacidad nominal (120% FL) para hacer frente a los picos de demanda.
¿Cuál es el transformador más eficiente?
El transformador más eficiente es el que tiene menos pérdidas de energía. Como ya se ha mencionado, hay tres tipos principales de pérdidas de energía en un transformador: pérdidas de cobre y de hierro, y fugas de flujo. Debido a estas pérdidas, no hay una opción clara para el transformador más eficiente.
La eficiencia de un transformador depende de muchos factores, como el tipo de metal utilizado para el núcleo, la estanqueidad del acoplamiento de flujo y la resistencia de las bobinas primaria y secundaria. Algunos de los transformadores más eficientes son los que utilizan núcleos de metal amorfo. Esto se debe a que el metal amorfo tiene una pérdida de histéresis mucho menor que los núcleos de transformador tradicionales hechos de acero al silicio.
¿Cuáles son los efectos de la eficiencia de los transformadores?
Los efectos de la eficiencia de los transformadores pueden dividirse en dos categorías principales: económicos y técnicos.
Desde una perspectiva económica, la eficiencia de los transformadores es importante porque afecta directamente al coste de la electricidad. Cuanto mayor sea la eficiencia del transformador, menor será el coste de la electricidad. Esto se debe a que se pierde menos energía en calor, de modo que el transformador puede generar más potencia con la misma energía de entrada.
La eficiencia de los transformadores es crucial desde el punto de vista técnico, ya que afecta al rendimiento global del sistema eléctrico.
Un transformador más eficiente generará menos pérdida de calor, lo que significa que el transformador puede funcionar durante más tiempo sin necesidad de ser sustituido o reparado. Además, un transformador más eficiente generará menos ruido, lo que puede ser importante en aplicaciones sensibles.
¿Cuáles son las normas de eficiencia de los transformadores?
Las normas de eficiencia de los transformadores son el conjunto de reglamentos y especificaciones que determinan el grado de eficiencia de sus transformadores. Aquí hablamos principalmente de tres normas de eficiencia de transformadores: IEEE, CSA e IEC.
La norma IEEE, IEEE Std 693-2015, es la más utilizada para la eficiencia de los transformadores. Define los requisitos mínimos de eficiencia para los transformadores tanto de distribución como de potencia.
La norma CSA C802 ha sido formulada por la Asociación Canadiense de Normalización, en relación con los requisitos de valor de eficiencia del transformador de potencia. Esta norma se aplica a los transformadores de potencia de 501 a 10 000 kVA. Si es usted cliente de Canadá, debe prestar especial atención a esta norma.
La norma IEC 60076-11 es más reciente y se centra en los transformadores de distribución. Incluye tanto requisitos de eficiencia energética como de pérdidas en vacío.
¿Cómo encontrar la eficiencia ideal para su transformador?
La ecuación del transformador permite determinar el rendimiento ideal de un transformador. Esta ecuación tiene en cuenta la potencia de entrada, la potencia de salida y las pérdidas del transformador.
El rendimiento ideal se define como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Por lo tanto, para hallar el rendimiento ideal, primero hay que determinar la potencia de entrada y de salida del transformador.
Puede determinar la potencia de entrada multiplicando la tensión a través del devanado primario por la corriente a través del devanado primario. Determina la potencia de salida multiplicando la tensión en el devanado secundario por la corriente en el devanado secundario.
Una vez que hayas determinado la potencia de entrada y de salida, puedes calcular el rendimiento ideal dividiendo la potencia de salida por la potencia de entrada.
¿Existe un límite de eficacia real para los transformadores?
Sí, existe un límite de eficiencia en el mundo real para los transformadores. Este límite viene determinado por las leyes de la física y las propiedades de los materiales del transformador.
El límite de eficiencia de un transformador en el mundo real es de aproximadamente el 98%. Esto significa que un transformador nunca puede ser eficiente al 100% porque siempre hay pérdidas asociadas al transformador.
Eficiencia durante todo el día del transformador
Los transformadores están disponibles en varios tamaños, clasificados para varias tensiones y frecuencias, y capaces de suministrar una amplia gama de tensiones. La relación entre la salida y la entrada (potencia) determina el tipo de transformador necesario.
Sin embargo, otras formas de transformadores no permiten medir su eficiencia. Por ejemplo, los transformadores de subestaciones de distribución suelen dejarse energizados y no permiten medir fácilmente la potencia de entrada o salida. Por lo tanto, la eficiencia de los transformadores de subestaciones de distribución suele estimarse utilizando datos de pérdida de carga y pérdida en vacío en lugar de utilizar la ecuación de eficiencia del transformador.
¿Cuál es la diferencia entre las clases de eficiencia de los transformadores?
Hay tres clases principales de eficiencia de los transformadores: estándar, premium y super premium.
La eficiencia estándar de los transformadores es la eficiencia mínima requerida por las normas IEEE e IEC.
La eficiencia premium de los transformadores supera los requisitos de eficiencia estándar.
La eficiencia super premium de los transformadores es la más alta y suele utilizarse en aplicaciones críticas.
Daelim Belefic puede proporcionarte transformadores con eficiencia conforme a los estándares DOE, IEEE, CSA, IEC, EN y BN. Si tienes alguna necesidad relacionada o preguntas, no dudes en contactarnos.
