Principios y Pruebas Esenciales de Transformadores Eléctricos: Pérdidas y Rendimiento

Pérdidas Fundamentales en Transformadores Eléctricos

Pérdidas por Corrientes Parásitas (Corrientes de Foucault)

Al alimentar la bobina de un transformador con corriente alterna, se produce un campo magnético variable que atraviesa la masa de hierro del núcleo. La dirección de este campo magnético se determina mediante la regla de la mano derecha. Como consecuencia, aparecerán en el material ferromagnético unas fuerzas electromotrices (f.e.m.) inducidas. Estas f.e.m. inducidas darán lugar a la circulación de corrientes parásitas dentro del material, también conocidas como corrientes de Foucault.

Estas corrientes que circulan por la masa de hierro pueden originar importantes pérdidas de potencia en forma de calor. Para prevenirlas o minimizarlas, el hierro que se emplea en los circuitos magnéticos suele estar laminado. Esto significa que el núcleo se construye con apilamiento de chapas magnéticas de espesor fino, eléctricamente aisladas entre sí, fabricadas con un material de alta resistividad y un ciclo de histéresis estrecho.

Una expresión que permite estimar estas pérdidas (P_f) es:

P_f = k ⋅ F² ⋅ B_max² ⋅ e² ⋅ V

(Donde k es una constante que depende del material, F es la frecuencia, B_max es la densidad máxima de flujo magnético, e es el espesor de las laminaciones y V el volumen del núcleo. El texto original presentaba la fórmula como "Pf=2, 2. F^2 . b^2. e^2", que ha sido interpretada y generalizada aquí).

Ensayos Clave para la Caracterización de Transformadores

Ensayo en Cortocircuito: Determinación de Pérdidas en el Cobre

La función principal del ensayo en cortocircuito es obtener las pérdidas nominales en el cobre (P_cu) del transformador, así como el valor de la tensión de cortocircuito (U_cc). El objetivo es lograr que circule la corriente nominal por los devanados aplicando una baja tensión, lo que permite despreciar las pérdidas en el hierro (ya que el flujo magnético es muy reducido) sin poner en juego la potencia nominal total del transformador.

Cuando el transformador tiene su lado de baja tensión (B.T.) en cortocircuito, generalmente basta con aplicarle entre el 4% y el 6% de la tensión nominal del lado de alta tensión (A.T.) para que circulen las corrientes nominales por ambos devanados. Esta tensión reducida necesaria es precisamente la tensión de cortocircuito (U_cc).

Si, por ejemplo, al aplicar 380V circula una corriente I_medida, el valor de tensión que se deberá aplicar para obtener la corriente nominal (I_nAT en el lado de alta tensión) se puede relacionar mediante:

U_cc [V] = 380V ⋅ (I_nAT / I_medida)

La tensión de cortocircuito porcentual (U_cc%) se calcula como:

U_cc [%] = (U_cc [V] / U_nAT [V]) ⋅ 100

Ensayo en Vacío y Tipos de Pérdidas en el Hierro

El objetivo principal del ensayo en vacío es determinar las pérdidas nominales en el hierro (P_Fe) de la máquina. Este ensayo se realiza aplicando la tensión nominal al primario mientras el secundario permanece abierto (sin carga).

Las pérdidas en el hierro, también conocidas como pérdidas en el núcleo, son causadas fundamentalmente por dos fenómenos:

• Pérdidas por Histéresis Magnética

  Se deben al fenómeno de remanencia magnética del hierro, que se manifiesta cuando se invierte continuamente el sentido de imantación del núcleo debido a la corriente alterna. Estas pérdidas son directamente proporcionales a la frecuencia (f) de la tensión de alimentación y al área del ciclo de histéresis del material magnético. Por esta razón, es crucial que las laminaciones del núcleo estén fabricadas con un material magnéticamente blando (como acero al silicio), lo que resulta en un lazo de histéresis más estrecho y, consecuentemente, menores pérdidas por histéresis.

• Pérdidas por Corrientes Parásitas (o de Foucault)

  Estas pérdidas, detalladas anteriormente, también contribuyen significativamente a las pérdidas totales en el hierro. Surgen debido a las corrientes inducidas en la masa del núcleo por el campo magnético variable.

El Concepto de Ensayo Indirecto

Que un ensayo sea indirecto quiere decir que durante su realización no se pone en juego la potencia nominal de la máquina. Se realizan dos tipos principales de ensayos indirectos en transformadores:

• El ensayo en vacío, que se realiza a tensión nominal y con una corriente de excitación muy pequeña (despreciable en términos de carga).
• El ensayo en cortocircuito, que se realiza a corriente nominal pero con una tensión aplicada muy reducida (despreciable).

El hecho de que nunca se tengan la tensión nominal y la corriente nominal simultáneamente en estos ensayos hace que no se maneje una potencia considerable durante las pruebas, lo cual es más seguro y económico.

Rendimiento y Consideraciones Operativas del Transformador

Condiciones para el Máximo Rendimiento

Para que un transformador (trafo) entregue su máximo rendimiento (eficiencia máxima), se deben cumplir ciertas condiciones. Idealmente, esto ocurre cuando las pérdidas variables (pérdidas en el cobre, P_cu) se igualan a las pérdidas fijas (pérdidas en el hierro, P_Fe). La corriente de carga en el secundario (I₂) para este punto óptimo, asumiendo un factor de potencia igual a 1 (cos φ = 1), se relaciona con la corriente nominal secundaria (I_2n) y un factor K_nmax.

Análisis de Pérdidas en el Cobre en Condiciones de Vacío

Un transformador operando en vacío (sin carga en el secundario) solo consume la potencia necesaria para cubrir las pérdidas en el hierro (P_Fe) y una pequeña cantidad de pérdidas en el cobre del devanado primario debido a la corriente de excitación (I₀). Esto se debe a que las pérdidas en el cobre (P_cu) son proporcionales al cuadrado de la corriente que circula por los devanados: P_cu,n = I_n² ⋅ R_eq, donde R_eq es la resistencia equivalente de los devanados.

En el ensayo en vacío, la corriente de excitación (I₀) es aproximadamente un 5% de la corriente nominal (I_n) en el lado donde se aplica la tensión, y la corriente en el otro lado es cero. Por lo tanto, las pérdidas en el cobre durante el ensayo en vacío (P_cu0) serán muy pequeñas:

Si I₀ ≈ I_n / 20, entonces:

P_cu0 = (I_n / 20)² ⋅ R_eq

Esto implica que:

P_cu0 = (I_n² / 400) ⋅ R_eq

Y dado que P_cu,n = I_n² ⋅ R_eq, se concluye que:

P_cu0 = P_cu,n / 400

Esto demuestra que las pérdidas en el cobre en vacío son despreciables (1/400 de las pérdidas nominales en el cobre).

Efecto Piel (Skin Effect) en Conductores

El efecto piel (o efecto Kelvin) es un fenómeno que provoca que la resistencia que presenta un conductor al paso de la corriente alterna (CA) sea mayor que la resistencia que ofrece al paso de la corriente continua (CC), especialmente a altas frecuencias.

Cuando un conductor transporta corriente alterna, se genera un campo magnético variable tanto alrededor como en el interior del propio conductor. Este campo magnético variable induce corrientes parásitas (similares a las corrientes de Foucault) dentro del conductor, las cuales se oponen a la causa que las generó, es decir, al flujo principal de corriente.

Estas corrientes inducidas internas generan un efecto de"apantallamient" que hace que la densidad de corriente sea mayor en la periferia (la"pie") del conductor y menor en su centro. Como resultado, la sección transversal efectiva por la que circula la corriente disminuye, lo que se traduce en un aumento de la resistencia eléctrica efectiva del conductor para la corriente alterna. Este efecto es más pronunciado a medida que aumenta la frecuencia de la corriente y el diámetro del conductor.