Calcular las pérdidas de un transformador sumergido es un aspecto crucial tanto para fabricantes como para usuarios. Como proveedor de transformadores sumergidos, comprender estas pérdidas no solo ayuda en el diseño y optimización del producto, sino que también nos permite brindar información más precisa a nuestros clientes. En este blog profundizaremos en los diferentes tipos de pérdidas en un transformador sumergido y los métodos para calcularlas.
Tipos de pérdidas en un transformador sumergido
Hay dos tipos principales de pérdidas en un transformador sumergido: pérdidas sin carga y pérdidas con carga.
No - Pérdidas de carga
Las pérdidas sin carga, también conocidas como pérdidas en el núcleo, ocurren cuando el transformador está energizado pero no hay carga conectada al lado secundario. Estas pérdidas se deben principalmente a dos factores: pérdida por histéresis y pérdida por corrientes parásitas.
Pérdida por histéresis
La pérdida por histéresis es causada por la magnetización y desmagnetización repetida del material del núcleo del transformador. Cuando una corriente alterna pasa a través del devanado primario, el campo magnético en el núcleo cambia de dirección continuamente. El material del núcleo tiene una propiedad llamada histéresis, lo que significa que se requiere energía para cambiar la orientación magnética del material. La pérdida por histéresis ($P_h$) se puede calcular usando la fórmula de Steinmetz:
$P_h = k_h f B_m^{n} V$
donde $k_h$ es el coeficiente de Steinmetz, que depende del material del núcleo; $f$ es la frecuencia de la corriente alterna; $B_m$ es la densidad máxima de flujo magnético en el núcleo; $n$ es el exponente de Steinmetz (normalmente entre 1,5 y 2,5); y $V$ es el volumen del núcleo.
Pérdida por corrientes de Foucault
La pérdida por corrientes de Foucault se debe a las corrientes inducidas en el núcleo. Cuando el campo magnético en el núcleo cambia, induce corrientes circulantes, conocidas como corrientes parásitas, en el material del núcleo. Estas corrientes parásitas provocan la disipación de energía en forma de calor. La pérdida por corrientes parásitas ($P_e$) se puede calcular usando la siguiente fórmula:
$P_e=k_e f^{2} B_m^{2} t^{2} V$
donde $k_e$ es una constante relacionada con el material del núcleo y su conductividad eléctrica, $t$ es el espesor de las laminaciones en el núcleo.
La pérdida total sin carga ($P_{nl}$) es la suma de la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes parásitas:
$P_{nl}=P_h + P_e$
Pérdidas de carga
Las pérdidas de carga, también llamadas pérdidas de cobre, ocurren cuando el transformador suministra energía a una carga. Estas pérdidas se deben principalmente a la resistencia de los devanados del transformador. Cuando la corriente fluye a través de los devanados, la energía se disipa en forma de calor según la ley de Joule.
La pérdida de carga ($P_{l}$) se puede calcular usando la fórmula:
$P_{l}=I^{2}R$
donde $I$ es la corriente que fluye a través del devanado y $R$ es la resistencia del devanado. En un transformador, la pérdida de carga generalmente se mide a plena carga. Sin embargo, en la práctica, la carga de un transformador puede variar. Para tener en cuenta la carga variable, la pérdida de carga con una carga parcial se puede calcular utilizando la siguiente relación:
$P_{l}(x)=x^{2}P_{lfl}$
donde $x$ es la fracción de la corriente de carga completa ($x = \frac{I}{I_{fl}}$), y $P_{lfl}$ es la pérdida de carga a plena carga.
Factores que afectan las pérdidas del transformador
Material del núcleo
La elección del material del núcleo tiene un impacto significativo en las pérdidas sin carga. Por ejemplo,Transformador de metal amorfoUtilice núcleos de metal amorfo, que tienen histéresis y pérdidas por corrientes parásitas mucho menores en comparación con los núcleos tradicionales de acero al silicio. Esto se debe a que los metales amorfos tienen una estructura atómica más aleatoria, lo que reduce la energía necesaria para la magnetización y desmagnetización.
Diseño sinuoso
El diseño de los devanados, incluida la sección transversal y la longitud de los conductores, afecta las pérdidas de carga. Una mayor sección transversal de los conductores de bobinado reduce la resistencia y, por tanto, las pérdidas de carga. Sin embargo, esto también aumenta el coste y el tamaño del transformador.
Condiciones de funcionamiento
La temperatura de funcionamiento y el factor de carga también afectan las pérdidas del transformador. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la resistencia de los conductores del devanado, lo que conduce a mayores pérdidas de carga. El factor de carga, que es la relación entre la carga promedio y la carga máxima, determina la carga real del transformador a lo largo del tiempo. Un factor de carga más alto significa que el transformador está funcionando más cerca de su capacidad de carga total durante un período más largo, lo que resulta en mayores pérdidas de carga.
Cálculo de las pérdidas totales del transformador
La pérdida total del transformador ($P_{total}$) es la suma de la pérdida sin carga y la pérdida con carga:
$P_{total}=P_{nl}+P_{l}$
Para calcular la pérdida total con una carga determinada, primero calculamos la pérdida sin carga, que es constante independientemente de la carga. Luego calculamos la pérdida de carga en función de la corriente de carga real usando la fórmula para pérdidas de carga parcial.
Por ejemplo, si un transformador tiene una pérdida sin carga de 1000 W y una pérdida a plena carga de 5000 W, y está funcionando al 50% de su capacidad de carga total, la pérdida de carga a esta carga parcial es:
$P_{l}(0.5)=0.5^{2}\times5000 = 1250$ W
La pérdida total al 50% de carga es:
$P_{total}=1000 + 1250=2250$ W
Importancia del cálculo de pérdidas
El cálculo preciso de las pérdidas del transformador es esencial por varias razones. En primer lugar, ayuda en el diseño y selección de transformadores. Minimizando las pérdidas podemos mejorar la eficiencia del transformador, lo que reduce el consumo de energía y los costes de operación. En segundo lugar, el cálculo de pérdidas es importante para determinar el aumento de temperatura del transformador. Las pérdidas mayores dan como resultado una mayor generación de calor, lo que puede afectar la vida útil del aislamiento y la confiabilidad del transformador.
Estudio de caso:Transformador trifásico
Consideremos unTransformador trifásico sumergido en aceitecon las siguientes especificaciones:
- Sin pérdida de carga ($P_{nl}$): 2000 W
- Pérdida de carga completa ($P_{lfl}$): 8000 W
- Potencia nominal: 1000 kVA
Si el transformador está funcionando al 70% de su capacidad de carga total, podemos calcular la pérdida de carga a esta carga parcial:
$x = 0,7$
$P_{l}(0.7)=0.7^{2}\times8000=3920$ W
La pérdida total al 70% de carga es:
$P_{total}=2000 + 3920 = 5920$ W
Conclusión
Calcular las pérdidas de un transformador sumergido es una tarea compleja pero importante. Al comprender los diferentes tipos de pérdidas, los factores que las afectan y los métodos para calcularlas, podemos diseñar y seleccionar transformadores más eficientes. Como proveedor de transformadores sumergidos, estamos comprometidos a ofrecer productos de alta calidad con bajas pérdidas. Si está interesado en nuestros productos o necesita más información sobre las pérdidas del transformador, no dude en contactarnos para adquisiciones y más discusiones.
Referencias
- Sistemas de energía eléctrica por J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma, Thomas J. Overbye
- Ingeniería de transformadores: diseño, tecnología y diagnóstico por George Karady y James G. McCalley