Perdidas de energía en el Transformador eléctrico

 

 Perdidas de energía en el transformador

La energía convertida en calor en el circuito magnético por histéresis, corrientes de eddy y en el cobre de los devanados por efecto Joule, se disipa utilizando un medio refrigerante para evitar la degradación de los aislamientos debido a altas temperaturas. Los medios refrigerantes más usuales en los transformadores son: el aire, el aceite dieléctrico, el silicón, los bifenilos policlorados y el gas SF₆ . El más utilizado es el aceite dieléctrico, por ser uno de los mejores medios refrigerantes con buenas propiedades dieléctricas. Aunque algunos de los aceites contienen bifenilos policlorados, que está prohibido usarlos por sus efectos nocivos al medio ambiente.

1.1 Efecto Joule

Cuando en un conductor circula una corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor, debido al choque que sufren con las moléculas del conductor, elevando la temperatura del mismo. Este efecto se conoce como efecto Joule en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudió en 1860. Este efecto se define como la cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica y depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que circula por el conductor y de la resistencia que se opone al paso de la corriente. Matemáticamente se expresa como:

Q=I2Rt

Donde:

•         Q, Energía calorífica producida por la corriente (J)
•         I, Intensidad de la corriente (A)
•         R, Resistencia eléctrica del conductor (Ω)
•         t, Tiempo (s).

Corrientes de eddy o de Foucault

Las corrientes inducidas se generan cuando un conductor se mueve en un campo magnético o se encuentra fijo en un campo variable. Las corrientes inducidas circulan turbulentamente por todo el volumen metálico, por este motivo se les denomina corrientes en torbellino, eddy o de Foucault.

De acuerdo con la ley de Lenz, las corrientes de Foucault se oponen a la variación de flujo que las produce y aunque las fuerzas electromagnéticas inducidas son pequeñas, las corrientes de Foucault pueden ser muy intensas debido a que la resistencia del conductor es pequeña.

La energía de las corrientes de Foucault se utiliza para frenado dinámico o bien se transforma en calor por efecto Joule. Para evitar sus efectos, se aumenta la resistencia de la trayectoria del núcleo magnético. Esto se realiza fabricando núcleo con láminas delgadas y separadas por una capa de barniz aislante.

Las corrientes de Foucault tienen algunas aplicaciones prácticas, por ejemplo, en hornos eléctricos de inducción, en los que el material que debe fundirse se coloca en un recipiente metálico que está sometido a rápidas e intensas oscilaciones del campo magnético, produciéndose intensas corrientes de Foucault que, por efecto Joule logran fundir el material.

 

Histéresis

Cuando en un campo magnético actúa un material ferromagnético y cesa la aplicación de éste, el material no anula completamente su magnetismo, sino que lo conserva de manera residual. Este fenómeno se llama histéresis magnética, que significa inercia o retardo. Los materiales tienen una cierta inercia a cambiar su campo magnético. Para desmagnetizarlo, se requiere la aplicación de un campo magnético de igual magnitud y de sentido contrario a la inicial.

 

Figura 1. Curva de histéresis

La figura 1 representa el ciclo de histéresis, también llamado lazo o bucle de histéresis, de un material magnético, si suponemos que una bobina genera una intensidad de campo H en dicho material magnético, el cual induce una densidad de flujo de valor B. Por lo tanto, a una intensidad de campo H₀ le corresponderá una inducción de valor B₀. Si ahora aumenta H, incrementando la corriente que circula por la bobina, hasta un valor H1, B, también aumentará hasta B₁.

Pero si ahora restituimos H a su valor inicial H₀, B no vuelve a B₀, sino que toma un valor diferente, igual a B₂. Se observa que el camino "hacia arriba" es distinto al "regreso”, lo que implica que, para restituir la inducción en el núcleo a su primitivo valor, es preciso aplicar una corriente suplementaria de signo opuesto. El punto S en la figura 1, representa la saturación del núcleo magnético. Una vez saturado el núcleo, B no puede aumentar por mucho que se incremente H.

En las máquinas eléctricas (transformadores, motores, generadores), se requiere un núcleo con un ciclo de histéresis lo más estrecho posible y lo más alargado posible para evitar la saturación, como el de la figura 1.1.

Aplicando una potencia para magnetizar un núcleo, la cual no tiene otra aplicación práctica, se considera como la potencia perdida para magnetizar el núcleo y representa las pérdidas por histéresis.

Figura 1.1 Ciclo de histéresis de un núcleo no saturable