Los transformadores, como todos los dispositivos eléctricos, experimentan algunas pérdidas de energía durante su funcionamiento. Si bien los transformadores ideales no tendrían pérdidas, los transformadores del mundo real incurren en pérdidas de energía que se manifiestan en forma de calor, lo que requiere soluciones de refrigeración. Los principales tipos de pérdidas de potencia en los transformadores son las pérdidas resistivas, las pérdidas por corrientes parásitas, las pérdidas por histéresis y las pérdidas por flujo.
Pérdida resistiva
La pérdida resistiva, también conocida como pérdida \(I^2R\) o pérdida de cobre, se produce debido a la resistencia en los devanados de cobre del transformador. Las altas frecuencias hacen que los electrones migren hacia la superficie del conductor (efecto piel), aumentando la pérdida resistiva. Este tipo de pérdida es igual que en cualquier conductor y se calcula mediante la fórmula:
P = I²R
Dónde:
P es la pérdida de potencia (en vatios, W)
I es la corriente (en amperios, A)
R es la resistencia (en ohmios, Ω)
Ejemplo:
Si el devanado primario de un transformador consta de 100 pies de 12 cables de cobre que transportan 15 A, se puede calcular la pérdida resistiva. Dado que 12 cables de cobre tienen una resistencia de 1,588 Ω por 1000 pies a temperatura ambiente, la resistencia de 100 pies del cable es 0,1588 Ω.
P = I²R = 15² × 0,1588 = 35,7W
Por lo tanto, el devanado primario del transformador desperdicia 35,7 W en forma de calor.
Pérdida por corrientes de Foucault
La pérdida por corrientes parásitas surge de las corrientes inducidas en las partes metálicas del transformador por los cambios en los campos magnéticos. Estas corrientes generan calor dentro del núcleo. La pérdida aumenta con el cuadrado de la frecuencia, lo que significa que los armónicos más altos mejoran significativamente los efectos del calentamiento. Esta pérdida se minimiza construyendo el núcleo a partir de laminaciones delgadas y aisladas de aleaciones de silicio-hierro o níquel-hierro, que restringen el flujo de corriente dentro de las laminaciones individuales, reduciendo las corrientes parásitas generales.
Pérdida por histéresis
La pérdida por histéresis se debe al magnetismo retrasado en el material del núcleo del transformador después de que se elimina la fuerza magnetizante. Los dominios magnéticos dentro del material se alinean con el campo magnético, consumiendo energía cuando cambia la polaridad del campo. Esta realineación, exacerbada por los armónicos, provoca fricción y calor. El uso de materiales de núcleo magnético altamente permeables puede reducir la pérdida por histéresis.
Pérdida de flujo
La pérdida de flujo ocurre cuando algunas líneas de flujo magnético del devanado primario no pasan a través del núcleo hasta el devanado secundario, lo que resulta en una pérdida de energía. Esto puede ocurrir debido a la saturación del núcleo o la desgana inherente del núcleo frente al aire. En transformadores bien diseñados, la pérdida de flujo es mínima.
Eficiencia del transformador
La eficiencia del transformador es la relación entre la potencia de salida del transformador y su potencia de entrada, generalmente expresada como porcentaje. Refleja el impacto de todas las pérdidas de energía.
η= Puchero/Pin ×100%
Dónde:
η es la eficiencia del transformador (en %)
Pout es la potencia de salida (en W)
El pin es la potencia de entrada (en W)
Ejemplo:
Para un transformador con una potencia de salida de 1500 W y una potencia de entrada de 1525 W:
η= 1500w/1525w ×100% =98,36%
Los transformadores de potencia suelen tener eficiencias que oscilan entre el 97% y el 99%. La potencia de entrada total es igual a la suma de la potencia de salida y las diversas pérdidas (pérdidas resistivas, por corrientes parásitas, histéresis y de flujo).
Esta explicación revisada cubre los aspectos esenciales de la eficiencia del transformador y las pérdidas de energía, proporcionando una comprensión clara y concisa del tema.
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