Los transformadores se utilizan en diversas aplicaciones, desde pequeños dispositivos electrónicos hasta grandes centrales eléctricas. Sin embargo, todos los transformadores tienen pérdidas inherentes, independientemente de su tamaño o uso previsto. Puede deberse a varias razones, como el calentamiento de los devanados, la histéresis y las corrientes de Foucault. Este artículo responderá a algunas de las preguntas más frecuentes sobre las pérdidas y la eficiencia de los transformadores.
Daelim Belefic es un proveedor profesional de transformadores centrado en el mercado norteamericano. Los transformadores de Daelim Belefic están meticulosamente diseñados para cumplir y superar las normas ANSI/IEEE, CSA y otras normas del sector. Además, han recibido la certificación UL de instituciones reconocidas a nivel mundial, lo que garantiza una calidad y fiabilidad excepcionales. Nuestro compromiso con la excelencia nos permite ofrecer transformadores con baja pérdida de energía, rendimiento excepcional y máxima seguridad, proporcionando a nuestros clientes una satisfacción y tranquilidad sin igual.
¿Cuántos tipos de pérdidas hay en un transformador?
A pesar de su tamaño y potencia, los transformadores son como otros dispositivos: no son del todo perfectos. Aunque la configuración ideal de un transformador es que no tenga pérdidas, la realidad es que estos dispositivos también tienen pérdidas de potencia. La potencia de salida de un transformador siempre será menor que su potencia de entrada.
Estas pérdidas de potencia se convierten en calor que debe eliminarse del transformador para evitar daños. La electricidad generada por las bobinas y el campo magnético cambiante en el interior genera calor. Las pérdidas de carga se refieren a las pérdidas que se producen con las bobinas. Por otro lado, las pérdidas sin carga son las que se producen en el núcleo.
Los cuatro tipos de pérdidas del transformador se conocen como pérdidas resistivas, de Foucault, de histéresis y de flujo.
Pérdida resistiva
La resistencia de los devanados del transformador causa pérdidas resistivas (12R), o pérdidas de cobre, que son un tipo de avería eléctrica. La corriente que fluye a través del material resistivo produce calor, que luego se disipa. Como resultado, la pérdida resistiva es inversamente proporcional a la corriente que fluye a través del transformador.
Corrientes de Foucault
Las pérdidas por corrientes de Foucault se producen cuando el núcleo metálico de un transformador genera campos magnéticos. Estos campos magnéticos inducen corrientes en el núcleo que fluyen en dirección opuesta a la corriente primaria. Estas corrientes de Foucault producen calor que puede dañar el sistema si no se elimina.
Histéresis
La histéresis es causada por el magnetismo que permanece en el material incluso después de eliminar la fuente del campo magnético. En el caso de los transformadores, este magnetismo es inducido por la corriente alterna que fluye en el devanado primario. Por lo tanto, las pérdidas por histéresis son proporcionales al cuadrado de la corriente magnetizante.
Los dominios magnéticos poseen propiedades magnéticas que se mueven en el hierro cuando se someten a un campo magnético. Cuando se elimina el campo magnético, queda una pequeña cantidad de magnetismo en el hierro. Las pérdidas por histéresis son las pérdidas que se producen como resultado de este fenómeno.
Pérdida de flujo
El último tipo de pérdida del transformador es la pérdida de flujo o fuga de flujo. Este tipo de pérdida ocurre cuando una parte de las líneas de flujo que provienen del devanado primario no pasa a través del núcleo del transformador y al devanado secundario, lo que resulta en una pérdida de potencia. Hay dos razones por las que las líneas de flujo pueden potencialmente viajar a través del aire en lugar de a través del núcleo:
La saturación en el núcleo de hierro hace que no pueda aceptar las líneas de flujo sucesivas. Como resultado, las líneas de flujo viajarán a través del aire, no del núcleo y del devanado secundario.
La relación de reluctancia del aire y el núcleo en la región no saturada es de 10 000:1. Esta relación implica que por cada 10 000 líneas de flujo que atraviesan el núcleo, una atraviesa el aire.
La pérdida de flujo es generalmente menor, especialmente en un transformador bien diseñado y construido.
¿Qué son las pérdidas de hierro en los transformadores?
La pérdida de hierro en un transformador se define como la pérdida causada por el flujo alterno en el núcleo del transformador. Debido a esto, la pérdida de hierro también se conoce como pérdida de núcleo. Las pérdidas de corriente de Foucault e histéresis son ejemplos de pérdidas de núcleo.
Para comprender mejor cómo se producen las pérdidas de hierro, veamos las propiedades magnéticas del hierro. Cuando una corriente alterna fluye en un conductor, produce un campo magnético. Este es el mismo caso con los núcleos de transformador hechos de hierro. La corriente en el devanado primario cambia constantemente, lo que a su vez crea un flujo magnético alterno en el núcleo del transformador.
¿Por qué las pérdidas de hierro en los transformadores se denominan pérdidas constantes?
Las pérdidas de hierro en los transformadores se denominan pérdidas constantes porque, como su nombre indica, permanecen constantes, independientemente de la carga. Son independientes de la condición de carga. Las pérdidas sin carga o pérdidas en el núcleo constituyen un gran porcentaje de las pérdidas constantes. Por eso las pérdidas de hierro también se denominan pérdidas constantes.
Además, las pérdidas constantes también incluyen las pérdidas causadas por la resistencia de los devanados, así como las pérdidas dieléctricas y parásitas. Las pérdidas dieléctricas son causadas por el calentamiento del aislamiento, mientras que el flujo de fuga causa pérdidas parásitas.
¿Qué son las pérdidas de cobre en un transformador?
Todos los materiales poseen cierto nivel de resistencia, incluso si son muy buenos conductores. Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un material, parte de la energía eléctrica se convierte en calor debido a la resistencia del material. La pérdida de cobre es un término utilizado para describir la pérdida de conductividad en el cable como resultado del uso de cobre de baja calidad para el devanado.
La pérdida de cobre es proporcional al cuadrado de la corriente de carga que fluye a través del transformador. Esto significa que si duplicamos la corriente de carga, la pérdida de cobre aumentará por un factor de cuatro. Al mismo tiempo, la tensión caerá a la mitad. Las pérdidas de cobre constituyen el porcentaje restante de pérdidas constantes.
¿Qué son las pérdidas parásitas en un transformador?
Las pérdidas parásitas se refieren a las pérdidas de calor que se producen en todos los componentes del transformador, excepto en los devanados de cobre. Las pérdidas parásitas son causadas por el flujo de fuga, que es la porción del flujo magnético total que escapa del núcleo del transformador. Una parte del flujo de fuga se unirá a cualquier conductor cercano, lo que provocará pérdidas en el transformador.
Las pérdidas parásitas pueden dividirse en dos categorías: efecto de proximidad y efecto pelicular.
El efecto pelicular es el fenómeno que se produce cuando la corriente tiende a fluir por la superficie de un conductor en lugar de hacerlo a través de toda la sección transversal. La profundidad de pelado es la distancia desde la superficie del conductor hasta el punto en el que la corriente ha disminuido a 1/e (aproximadamente el 37 %) de su valor original.
El efecto de proximidad es la tendencia de una corriente eléctrica en un conductor a producir un campo magnético opuesto, que atrae la corriente en los conductores cercanos.
¿Cómo reducir las pérdidas parásitas en los transformadores?
Aunque las pérdidas en los transformadores son inevitables y frustrantes, existen formas de mitigar sus efectos. En el caso de las pérdidas parásitas, puede utilizar dos métodos importantes: el blindaje electromagnético y el blindaje contra corrientes de Foucault.
El blindaje electromagnético es una barrera conductora que cubre todo un dispositivo para protegerlo de las interferencias electromagnéticas (IEM) ambientales. Un ejemplo de esto sería la carcasa metálica que rodea su transformador eléctrico. También puede evitar que las emisiones del propio dispositivo perturben otros dispositivos que se encuentren en el mismo entorno que el transformador.
Por otro lado, el blindaje contra corrientes de Foucault es una técnica de rechazo de flujo que constituye una solución adecuada para tanques de formas no convencionales. Sin embargo, la desventaja evidente de este método es que las corrientes de Foucault son pérdidas del transformador que se producen dentro del blindaje, lo que provoca un calentamiento. Este calentamiento puede provocar un sobrecalentamiento en otras partes estructurales del transformador.
¿Cómo reducir las pérdidas en un transformador?
Como propietarios de un transformador, querrán mantener las pérdidas al mínimo. Desafortunadamente, este obstáculo es inevitable, por lo que tendrán que trabajar con lo que tienen. Afortunadamente, hay muchas maneras de reducir los efectos de las pérdidas del transformador a un grado más manejable.
Tenga en cuenta que los métodos para reducir las pérdidas en un transformador dependen del tipo de pérdidas del transformador. Para este análisis, centrémonos en la pérdida de hierro, la pérdida de cobre, la pérdida parásita y la pérdida dieléctrica
Pérdida de hierro
En resumen, la pérdida de hierro (o pérdida del núcleo) es el resultado de la afluencia alterna en el núcleo. Las pérdidas pueden ser de histéresis o de corrientes parásitas.
El material de núcleo de baja coercitividad es la forma más común de reducir las pérdidas de hierro. Esto significa que el núcleo puede magnetizarse y desmagnetizarse fácilmente, lo que reduce las pérdidas por histéresis. Otra forma de reducir las pérdidas de hierro es utilizar un material de núcleo de alta resistividad.
Con una alta resistividad, las pérdidas por corrientes parásitas se reducirán porque los electrones tardarían más en fluir a través del material. Esto se debe a que los electrones encontrarán más colisiones con los átomos del material.
Pérdidas de cobre
En cuanto a las pérdidas de cobre, la principal forma de reducirlas es utilizando cables de cobre con una sección transversal mayor. Esto se debe a que una sección transversal mayor da como resultado una menor resistividad.
Con una menor resistividad, los electrones tendrán más facilidad para fluir a través del material, reduciendo las pérdidas. Otra forma de reducir las pérdidas de cobre es utilizando un calibre de cobre mayor.
Un calibre de cobre más grande significa que el cable es más grueso, lo que resulta en una menor resistividad. Sin embargo, tenga en cuenta que hay un límite en cuanto al grosor que puede tener el cable antes de que se vuelva demasiado frágil y se rompa.
Pérdidas parásitas
Las pérdidas parásitas pueden reducirse de varias maneras, la más común de las cuales es el blindaje electromagnético. Como se mencionó anteriormente, se trata de una barrera conductora que cubre todo el dispositivo y lo protege de las interferencias electromagnéticas ambientales.
Otra forma de reducir las pérdidas parásitas es mediante el uso de blindaje contra corrientes parásitas. Esta es una técnica de rechazo de flujo que es adecuada para tanques de formas no convencionales. Sin embargo, la desventaja de este método es que las corrientes parásitas son pérdidas del transformador que se producen dentro del blindaje, lo que resulta en calentamiento.
Pérdida dieléctrica
Las pérdidas dieléctricas, también conocidas como pérdidas de aislamiento, son causadas por la corriente eléctrica que fluye a través del aislamiento. La forma más común de reducir las pérdidas dieléctricas es utilizar un material de mayor resistividad.
Esto se debe a que un material con mayor resistividad tendrá una conductividad eléctrica menor. Esto significa que los electrones tendrán más dificultades para fluir a través del material, lo que controlará y reducirá los efectos de las pérdidas. Otra forma de reducir las pérdidas dieléctricas es utilizar un material con una constante dieléctrica más alta.
Esto se debe a que un material con una constante dieléctrica más alta puede almacenar más energía eléctrica, lo que reduce los efectos de las pérdidas.
Con más de 20 años de experiencia en el diseño de transformadores, los ingenieros de Daelim Belefic poseen una amplia experiencia en su campo. Son expertos en minimizar varios tipos de pérdidas durante el proceso de diseño. Si necesita ayuda con el diseño de transformadores, nuestro equipo especializado está disponible para proporcionarle rápidamente la solución óptima. Póngase en contacto con nosotros y le ofreceremos rápidamente el mejor resultado posible para satisfacer sus necesidades específicas.
¿Cómo reducir las pérdidas de hierro en un transformador?
Para reducir las pérdidas de hierro, necesitará utilizar un material de núcleo que tenga una baja coercitividad, lo que significa que puede ser fácilmente magnetizado y desmagnetizado y se conoce como “magnéticamente blando”.
Dado que las pérdidas por histéresis son directamente proporcionales a la coercitividad del material, el uso de un material magnéticamente blando reducirá las pérdidas por histéresis.
Algunos materiales magnéticamente blandos son el hierro en polvo, los núcleos nanocristalinos y el metal amorfo. Otra forma de reducir las pérdidas de hierro es utilizar un material de núcleo de alta resistividad.
Una alta resistividad reducirá la cantidad de pérdidas por corrientes de Foucault porque los electrones tardarán más en fluir a través del material. Como resultado, los electrones experimentarán más colisiones dentro de sus átomos, mitigando en última instancia las pérdidas. Algunos ejemplos de materiales de alta resistividad son los núcleos cerámicos y los núcleos de aire.
¿Cómo calcular las pérdidas en un transformador?
Calcular las pérdidas de un transformador puede ser complicado, ya que hay que tener en cuenta muchos factores diferentes. La pérdida en un transformador compara la entrada (potencia primaria) con la salida (potencia secundaria). Las tensiones de entrada y salida, así como la intensidad nominal de ambos extremos, son datos que muestran la mayoría de los transformadores.
Por ejemplo, un transformador elevador aumenta la tensión pero disminuye la corriente. Por otro lado, un transformador reductor disminuirá la tensión pero aumentará la corriente. Por lo tanto, la potencia nominal (en vatios) también diferirá para cada tipo de transformador.
La potencia (P) es la tensión (E) multiplicado por la corriente en amperios (I). Por lo tanto, P = IE.
Al calcular la pérdida de un transformador, primero debe calcular tanto la tensión real como el actual en las bobinas primaria y secundaria. También deberá determinar la resistencia de ambas bobinas, así como la longitud del conductor (l).
Una vez que haya obtenido estas cifras, multiplique la tensión en voltios por la corriente del devanado primario en amperios. A continuación, tome la tensión (V) y multiplíquelo por la corriente (I) del devanado secundario del transformador.
Reste la potencia secundaria de la primaria. El número resultante es la pérdida de potencia de su transformador.
Por ejemplo, supongamos que tiene un transformador con las siguientes especificaciones:
Tensión primario (V1) = 400 V
Tensión secundaria (V2) = 120 V
Corriente primaria (I1) = 10 A
Corriente secundaria (I2) = 2.5 A
Longitud del conductor (l) = 1 m
Resistencia de la bobina primaria (R1) = 2 ohmios
Resistencia de la bobina secundaria (R2) = 0.5 ohmios
Para calcular las pérdidas de potencia, tendría que multiplicar 400 V por 10 A para obtener la potencia primaria (P1), que equivaldría a 4000 W.
A continuación, tendría que multiplicar 120 V por 2.5 A para obtener la potencia secundaria (P2), que equivaldría a 300 W.
A continuación, restaría 300W de 4000W para obtener las pérdidas de potencia de 3700W.
Pérdidas de potencia = P1 – P2
= 4000 W – 300 W
= 3700 W
Conclusión
Los transformadores experimentan inevitablemente varios tipos de pérdidas, incluidas las pérdidas resistivas (cobre), por corrientes de Foucault, por histéresis y por flujo. Comprender estas pérdidas e implementar estrategias para mitigarlas es esencial para mejorar la eficiencia y la fiabilidad del transformador. Con un diseño y una selección de materiales adecuados, es posible minimizar estas pérdidas y mejorar el rendimiento general de los sistemas de transformadores.
Como fabricante profesional de transformadores, Daelim Belefic puede proporcionar productos de transformadores de baja pérdida que cumplen o incluso superan los estándares de eficiencia de DOE, CSA y EU Tier-2. Por lo tanto, si necesita un transformador de baja pérdida, póngase en contacto con Daelim Belefic ahora.
