Eficiencia y Pérdidas en Transformadores Eléctricos: Funcionamiento y Protección

Pérdidas y Rendimiento en Transformadores

El rendimiento de un transformador es el cociente entre la potencia entregada a la carga y la potencia consumida por la red. El rendimiento de un transformador es elevado, situándose generalmente en torno al 90 %. Sin embargo, este elevado rendimiento no exime al equipo de presentar pérdidas; ninguna máquina trabaja sin producir pérdidas de potencia.

Aunque las pérdidas en los transformadores son pequeñas, se producen principalmente por dos factores:

1. Pérdidas por histéresis (Pérdidas en el hierro)

Estas pérdidas ocurren en el núcleo de hierro. Dependen directamente del flujo magnético, el cual solo varía con la tensión. Dado que la tensión suele ser constante, esto implica que las pérdidas en el hierro son siempre constantes, ya sea que el transformador trabaje en vacío o en carga nominal. Este valor es proporcionado por el ensayo en vacío (P_fe = P_v).

2. Pérdidas por el cobre (Efecto Joule)

Se determinan mediante el ensayo en cortocircuito (P_cc = P_cu). Es importante destacar que estas pérdidas disminuyen con el cuadrado de la carga.

Accidente en Cortocircuito en un Transformador

Un accidente por cortocircuito tiene lugar cuando, por una acción exterior al transformador, se produce una conexión accidental entre los bornes del secundario. También puede deberse a causas internas. Cuando esto sucede, se establece por sus arrollamientos una corriente varias veces superior a su corriente nominal, la cual vendrá limitada únicamente por la impedancia interna del transformador.

Relaciones de tensión e impedancia:

• Ensayo de cortocircuito: V_U = I_1N x Z_cc
• Cortocircuito accidental: V_N = I_cc x Z_cc

Aunque el accidente suele durar poco tiempo, esto no es obstáculo para que se produzcan grandes averías. Por ello, son fundamentales los dispositivos de protección. Estos accidentes pueden ser debidos a:

• Un aumento excesivo de la temperatura de los devanados debido al peso de las fuertes corrientes.
• Enormes esfuerzos dinámicos entre espiras, que dan lugar a deformaciones y roturas, impidiendo el funcionamiento definitivo del transformador.

Función del Arrollamiento Terciario o de Compensación

Si en los transformadores con conexión estrella-estrella se dispone un arrollamiento terciario (también llamado de compensación) conectado en triángulo, desaparecen ciertos inconvenientes técnicos:

1. Los problemas motivados por las cargas entre fase y neutro.
2. Los inconvenientes motivados por las terceras armónicas en las tensiones simples secundarias.

Aun cuando no es una condición precisa, se suele suponer que, siendo N₁ el número de espiras de cada fase del terciario, se cumple la relación N₁ = N₂ = N₃.

Efecto Ferranti

Cuando la carga conectada al secundario del transformador es de naturaleza capacitiva, puede suceder que la tensión secundaria sea mayor que la tensión en vacío. En este escenario, nos encontramos ante una caída de tensión negativa, fenómeno conocido técnicamente como Efecto Ferranti.