Maquinas Elctricas 1

PERDIDAS DE POTENCIA Y EFICIENCIA EN LOS TRANSFORMADORES MONOFSICOSErika Poveda epoveda@est.ups.edu.ec Libio Calle lcalle@est.ups.edu.ec

Introduccin Como ya aviamos mencionado anteriormente un transformador no es ms que una maquina elctrica que convierte cierta tensin que ingresa al transformador ya se aumentndola o disminuyndola a la salida pero estas maquinas elctricas no son ideales es decir tienen perdidas de potencia y eficiencia debido algunos factores que se mencionara a continuacin. Historia del transformador

fabricar este tipo de focos de una manera muy eficiente y con este invento se abri un campo extraordinario de aplicacin que cre la necesidad de construir generadores eficientes de electricidad.

Transformador de 1866 En octubre de 1879, despus de muchas experiencias infructuosas y de haber gastado la considerable cantidad para ese entonces de 40 000 dlares, el estadounidense Thomas Alva Edison (1847-1931) logr construir una lmpara incandescente en la que un filamento de carbn emita luz al hacerle pasar una corriente elctrica por ms de 40 horas. El famoso inventor coloc su filamento dentro de un bulbo de vidrio que estaba al vaco en su interior. Edison logr

Una vez que la electricidad pudo ser generada y distribuida para la iluminacin, se aprovech para ser utilizada como fuerza motriz por medio de motores elctricos. Se puso as a disposicin de la industria y de los transportes un nuevo medio universal y barato de distribucin de energa que dio un gran impulso a la utilizacin de los motores elctricos. As se cre la industria elctrica pesada. Como se puede apreciar la industria elctrica, en contraste con otras ms antiguas, tuvo un carcter cientfico desde sus inicios. A pesar de los extraordinarios logros de Edison hubo problemas con la corriente elctrica que utilizaba, que como vimos era corriente directa. Esto ocasion problemas. En efecto, en primer lugar, la utilizacin de circuitos en paralelo requiri que los cables fueran muy

Maquinas Elctricas 1 gruesos, lo cual generaba costos altos. En segundo lugar, y de mas importancia, al aumentar la demanda de iluminacin se necesitaron cargas cada vez ms altas que implicaban corrientes elctricas enormes. Por lo tanto, se estaba ante la alternativa de enviar corrientes muy altas a travs de grandes cables de cobre, lo cual era muy ineficiente, o de construir muchas plantas generadoras de electricidad cercanas a los usuarios, con el respectivo aumento considerable de los costos. Adems, rpidamente qued en evidencia que el sistema de corriente directa que se ramificaba dos kilmetros fuera de la planta estaba cerca de su lmite de crecimiento. Por otro lado, la transmisin de corriente elctrica de alto voltaje a largas distancias, por medio de alambres relativamente delgados, podra ser muy eficiente. La objecin era que un generador de corriente directa produce corriente con un voltaje determinado que no se puede modificar y por tanto, no habra forma de reducir el voltaje al valor que se necesitara, en particular en el uso domstico. Hemos de mencionar que cuando hablamos de alto voltaje nos referimos a decenas de miles de volts, mientras que los valores para los usuarios son de 125 a 250 volts. La solucin a estos dilemas se encontr con la construccin de generadores de corriente alterna por un lado, y la invencin del transformador por el otro. Estos dos dispositivos basan su funcionamiento en la ley de induccin de Faraday. Veamos un poco de su historia. Desde que Faraday descubri la induccin electromagntica se construyeron los primeros generadores que producan corriente elctrica que variaba o alternaba al transcurrir el tiempo; el nmero de veces que el valor de la corriente cambia en un segundo es la frecuencia de la corriente y se mide en hertz (Hz); as, una corriente de 60 Hz es aquella que vara 60 veces en un segundo. En 1888 Nikola Tesla obtuvo una patente por un generador polifsico alterno que produca gran potencia elctrica; muy pronto este tipo de mquina fue la ms usada. Hoy en da se emplean generadores que son versiones muy mejoradas del generador polifsico de Tesla. Los primeros generadores fueron diseados para que produjeran corrientes que tenan diferentes valores de sus frecuencias: los de 25, 33.5, 40, 50, 60, 90, 130, 420 Hz fueron los ms usados. Con el tiempo se ha convenido en utilizar 60 Hz

El primer transformador fue, de hecho, construido por Faraday cuando realiz los experimentos en los que descubri la induccin electromagntica. Lo que us fueron dos bobinas enrolladas una encima de la otra Al variar la corriente que circulaba por una de ellas, cerrando o abriendo el interruptor, el flujo magntico a travs de la otra bobina variaba y se induca una corriente elctrica en la segunda bobina. Pues bien, este dispositivo es precisamente un transformador. Faraday no puso mayor atencin en este aparato ya que estaba interesado en otras cuestiones. En el transcurso de los aos varios experimentadores trabajaron con diferentes versiones de transformadores.

1831 - Transformador de Faraday

Maquinas Elctricas 1 Edison y sus asociados pelearon contra la utilizacin de la comente alterna tanto en la prensa como en los tribunales. Sin embargo, su lucha estaba perdida. Muy pronto la corriente directa cedi su lugar a la alterna debido a su flexibilidad, conveniencia y bajo costo. Tres aos despus del xito con su planta Edison qued desplazado. En la dcada de 1890 el crecimiento de los sistemas de corriente alterna fue muy vertiginoso. En las cataratas del Nigara, EUA, se instalaron generadores inmensos que iniciaron su servicio en 1895 y alimentaron de electricidad a lugares bastante lejanos, algunos situados a centenares de kilmetros. De esta manera muy pronto se establecieron sistemas de transmisin en muchos pases, tendencia que contina hasta la fecha. En la figura 13 se presenta el esquema de un sistema de distribucin de energa elctrica que nace de una planta generadora y que va hasta una ciudad muy alejada. A la salida de la planta un transformador eleva el voltaje para iniciar la distribucin. En la cercana de la meta se inicia el descenso del voltaje por medio de transformadores que se encuentran en subestaciones, descenso que se va realizando de manera gradual para poder alimentar a usuarios con diferentes necesidades. Esquema de un sistema de distribucin de electricidad, desde la planta generadora hasta los diversos consumidores. Este sistema es posible gracias a los transformadores. En el transcurso del presente siglo ha habido una gran actividad de trabajo cientfico y desarrollo tecnolgico para mejorar la eficiencia del funcionamiento de los transformadores. Este trabajo ha estado centrado en desarrollar mejores materiales para los ncleos, a fin de evitar prdidas de energa que ocasionan el calentamiento del transformador. Ahora bien, al aumentar la temperatura las caractersticas del material ferromagntico cambian y a la larga deja de ser ferromagntico, con lo que el ncleo del transformador ya no funciona eficientemente. Es por esto que se hizo un gran esfuerzo cientfico y tcnico para evitar este calentamiento, lo cual se logr al sumergirlo en un lquido, por ejemplo, aceite.

Las prdidas transformador

en

un

Ninguna maquina elctrica es ideal, es decir siempre tienen algn tipo de perdida al realizar un trabajo, siendo estas estticas o dinmicas

Figura 13.

Maquinas Elctricas 1 En el caso del transformador estas prdidas son estticas En un trasformador se producen perdidas esencialmente por las siguientes causas:

por ciclos de histresis por corrientes parasitas (corrientes de Foucault)

(Estas dos llamadas tambin perdidas en el hierro)

pedidas en el cobre del bobinado

Perdidas en el hierroFig.2 Ciclo de Histresis

Como se menciono anteriormente de forma breve las perdidas en el hierro son las perdidas por histresis y por corrientes parasitas

La histresis magntica

De igual forma que en las corrientes parasitas el ciclo de histresis depender esencialmente del tipo de material Para calcular numricamente las perdidas por histresis podemos usar la siguiente igualdad

Es el fenmeno que se produce cuando la imantacin de los materiales ferro magnticos no solo depende del flujo magntico, sino de los estados magnticos anteriores. En el caso de los transformadores al someter un material magntico a un flujo variable se produce una imantacin que se mantiene al cesar el flujo variable, lo que provoca una perdida de energa En la fig.2 podemos ver de una forma ms clara lo que se trata de explicar.

Y por lo tanto se puede concluir que las prdidas en el hierro son la suma de las perdidas por ciclos de histresis y las perdidas por corrientes parasitas.

Las corrientes parasitas

Se producen en cualquier material conductor cuando se encuentran

Maquinas Elctricas 1 sometidos a una variacin de flujo magntico, como los ncleos de los transformadores estn hechos de materiales magnticos y estos materiales son buenos conductores se genera una fuerza electromotriz inducida que origina corrientes que circulan en el mismo sentido dando lugar a el denominado efecto Joule Las perdidas por corrientes parasitas dependern del material con el que est construido el ncleo magntico del transformador Para reducir en parte estas prdidas de potencia es necesario que el ncleo del transformador que esta bajo un flujo variable no sea macizo, es decir el ncleo deber estar construido con chapas magnticas de espesores muy delgados, colocadas una enzima de otra y aisladas entre si Al colocar las chapas magnticas lo que conseguimos es que la corriente elctrica no pueda circular de una chapa a otra y se mantenga independientemente en cada una de ellas con lo que se induce menos corriente y disminuye la potencia perdida por corrientes parasitas o corrientes de Foucault En la fig.2 podemos observar primero un flujo en un ncleo macizo y por consiguiente una gran cantidad de prdidas de energa que derivaran en perdidas inevitables de potencia En cambio en la siguiente fig.3 podemos observar la funcin de las chapas en el ncleo reduciendo las corrientes inducidas y por lo tanto menos perdidas de potencia

Fig.3 Chapas del nucleo

En la siguiente tabla (tabla 1) se expresa las caractersticas de construccin los valores magnticos para determinar las prdidas de potencia en el hierro en funcin del espesor, la aleacin y la induccin

Para realizar un clculo numrico de las prdidas en el hierro por las corrientes parasitas recurrimos a la siguiente formula:

Maquinas Elctricas 1 Tambin en este ensayo mencionaremos los mtodos prcticas para medir las perdidas en un transformador.

Mtodo prctico para medir las prdidas en el hierro de un transformador Mtodo de prueba al vaco

Perdidas en el cobreEs la suma de las potencias prdidas en los bobinados de un transformador. Se deben a la disipacin de calor que se producen en los devanados. El valor de esta potencia depende del cuadrado de las intensidades de corriente de carga y a la resistencia de los bobinados, la cual vara mucho desde el funcionamiento en vaco a plena carga. Estas prdidas las podemos calcular numricamente atreves de la siguiente frmula:

Al usar este mtodo a travs de la medicin de la tensin, intensidad de corriente y potencia solamente en el bobinado primario y dejando el bobinado secundario abierto es decir el bobinado secundario no ser recorrido por ninguna intensidad y de esta manera obtenemos directamente la potencia perdida en hierro Las prdidas en el hierro las podemos medir fcilmente, leyendo la entrada en vatios por medio de un vatmetro fig.4.

Fig.4 Ciclo de Histresis

Es conveniente controlar la tensin aplicada al bobinado del transformador por ejemplo usando un autotransformador variando la tensin desde cero hasta el valor de la tensin nominal.

Mtodo para determinar prdidas en el cobre

las

Maquinas Elctricas 1 Mtodo del corto circuito por 1.1 para obtener la resistencia efectiva a la C.A, fig.6. De esta manera tenemos la corriente y la resistencia que tiene cada debando y podemos determinar la potencia perdida

Con este mtodo en corto circuito conseguimos las intensidades nominales en los dos bobinados, aplicando una pequea tensin al bobinado primario y cortocircuitando el bobinado secundario con un ampermetro (como se indica en la siguiente fig.5)

Fig.5 Ciclo de Histresis Fig.6 Medicin de la resistencia de los devanados.

El mtodo consiste en aplicar progresivamente una tensin voltio a voltio, hasta llegar a las intensidades nominales en los bobinados La tensin aplicada, una vez alcanzada la intensidad nominal en el secundario, recibe el nombre de tensin de corto circuito. Esta tensin supone un valor bajo con respecto a la tensin nominal aplicada al transformador cuando est en carga Estas prdidas las podemos determinar directamente con el vatmetro conectndolo en el bobinado primario

Rendimiento de un transformadorEl rendimiento de un transformador se define como la relacin entre la potencia de salida y la potencia absorbida de la red por el transformador

Midiendo la resistencia de los bobinados

Se aplica a cada devanado un voltaje de corriente continua de valor bajo, por ejemplo 120 Voltios, se mide la corriente y el voltaje del devanado en cuestin, se aplica la ley de Ohm y se obtiene la resistencia efectiva en C.C, se multiplica

Para determinar el rendimiento de un transformador de una madera rpida y directa podemos medir con un vatmetro la potencia del bobinado primario y de igual forma con otro vatmetro la potencia del bobinado secundario, de tal forma que el rendimiento del transformador vendr determinado por el coeficiente que resulte entre estos dos valores Otra manera de calcular la eficiencia en un transformador es determinado el cociente de la potencia de salida y la

Maquinas Elctricas 1 potencia de entrada, sumndole las perdidas en el cobre y en el hierro chapas, en forma invertida, una con respecto a la siguiente, segn 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 magntica del circuito, lo cual se traduce en una prdida en la intensidad o densidad del campo magntico, que. Lo cual desemboca en prdidas de potencia A continuacin se muestra una tabla con las medidas de chapas disponibles fig.9 en el mercado con su respectiva explicacin grafica

DISEOS PARA EVITAR PRDIDAS Anteriormente se menciona que para evitar las corrientes parasitas y reducir en cierta forma las prdidas de potencia se utiliza chapas muy delgadas en el ncleo, pero como debe ser estas chapas? El tipo de chapas ms utilizado es el que adopta la forma de E, tal como se puede apreciar en la fig.7

Fig.8 Chapas

Fig.7 Tipo de chapas

De igual forma en la fig.8 podemos observar la manera de armar o construir el ncleo. Al construir de esta manera en ncleo aprovechamos casi es su totalidad el flujo magntico, evitndose las prdidas por dispersin, este ncleo recibe el nombre de "ncleo acorazado". La forma correcta de armar un transformador consiste en montar las

Maquinas Elctricas 1 Fig.9 Tabla de lminas monofsicas

Efectos de la temperatura Como he mencionado varios veces en este ensayo gran parte de las prdidas que tienen los transformadores se convierten en energa calorfica, por eso se menciona en este punto cmo reaccionan los materiales ferro magnticos a cambios en la temperatura La energa trmica hace que los dipolos magnticos de un material ferromagntico sufran una desalineacin en su configuracin normal como vemos en la fig.10 Solucin al efecto Joule

El efecto Joule se puede contrarrestar mediante un mejor uso del conductor, es decir, usando conductores de mejor eficiencia y colocndolos de tal forma que la seccin que produce dicho efecto sea mnima. A continuacin se presenta las consideraciones de dichos conductores para alta y baja tensin:

Conductores en Baja Tensin

El conductor se usa generalmente para potencias pequeas y tiene dimetros no superiores a 3 3.5 mm. El aislamiento de los conductores, cuando Joson cilndricos, pueden ser de algodn y de papel, y ms raramente conductor esmaltado en caso de que los transformadores no sean enfriados con aceite.Fig.10 magnetizacin por saturacin Vs temperatura

Conductores en Alta Tensin Al llegar a un lmite de temperatura el ferromagnetismo de los materiales ferromagnticos desaparece completamente, y el material se toma paramagntico. Esta temperatura temperatura de Curie se denomina

En la siguiente tabla se indica el valor de la temperatura de Curie para algunos materiales

La corriente que circula por ellos es relativamente baja, por lo que son de conductor de cobre de seccin circular con dimetro de 2.5 a 3.0 mm A continuacin se muestran tablas en las que se encuentran las principales caractersticas de los conductores as como sus equivalentes en awg. Eleccin de materiales magntico Al construir un transformador y elegir el material del ncleo debemos tener en

Maquinas Elctricas 1 cuanta algunos aspectos, manera optimizamos los evitando posibles perdidas Materiales blandos El uso de estos materiales est centrado en ncleos para transformadores, motores, generadores, equipos de comunicacin de alta sensibilidad debido a que son fcilmente imantar y desimantar, presentando curvas de histresis de apariencia estrecha con bajos campos coercitivos y alta saturacin, y teniendo por tanto altas permeabilidades magnticas (figura 9 a). Propiedades magtiticas de materiales blandos Inducci Camp n o Material y de composici coerci saturaci n vo, H, n, A/cm BS,T Hierro magntico 2,15 , chapa de 0,2 cm M36 Si-Fe laminado 2,04 en fro (aleatorio) M6 (110) [001], 3,2% Si- 2,03 Fe (orientado 45 Ni-55 Fe (45 1.6 Permalloy) de esta recursos

75 Ni-5 Cu-2 Cr0,8 18 Fe (Mumetal) +79 Ni-5 Mo-15 Fe0,5 Mn 0,78 (Supermall oy) 48% MnOFe2O3, 52% ZnO0,36 Fe2O3 (ferrita suave)

0,012

30.000

0,004

100.000

1000

Permeabili dad relativa inicial i

Materiales durosLos materiales magnticos duros se caracterizan por una alta fuerza coercitiva Hc y una alta induccin magntica remanente Br; de este modo, los ciclos de histresis de estos materiales son anchos y altos (figura 9 b) Propiedades magnticas seleccionadas de materiales magnticos duros

0,8

250

0,36

500

0,06

1.500 Tabla 5

0,024

2700

Maquinas Elctricas 1 una maquina elctrica con menos perdidas y con una alta eficiencia optimizando nuestro trabajo y evitando perdidas econmicas Bibliografa Archivo PDF "estudios del transformador monofsico", AUTOR NN Pagina Web "Wiquipedia enciclopedia libre", transformado monofsico Imagen 9 Conclusiones Al finalizar este ensayo puedo mencionar las siguientes conclusiones Las principales perdidas que existen en un transformador monofsico son causadas por flujos de histresis, corrientes parasitas, y perdidas en el cobre Podemos reducir estas prdidas de potencia en el transformador y mejorando su eficiencia tomando en cuanta varios aspectos a la hora de la construccin de un transformador tales aspectos pueden ser, el uso de chapas en el ncleo, la seleccin adecuada del material magntico a utilizar, entre otros El transformador es una gran herramienta en la vida humana, y si tomamos en cuenta los aspectos mencionados en este ensayo a la hora de construir un transformador, tendremos Pagina web "monografas.com" materiales magnticos Pagina web"monografa.com" transformadores diseo

Imgenes 1, 2, 4 tomadas de Archivo PDF "estudios del transformador monofsico", AUTOR NN Imgenes 3,5 tomadas de Archivo PDF "perdidas en el transformador en vacio", AUTOR Luis Alberto arcos Salazar Imgenes 8,9 tomadas de Pagina web "monografas.com" materiales magnticos Tabla 5, 4,3 tomadas de Pagina web "monografas.com" materiales magnticos http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Electri cidadCronol.htm http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ci encia/volumen3/ciencia3/112/htm/sec_11 .htm