PÉRDIDAS SIN CARGA Y CORRIENTE DE EXCITACIÓN

Las perdidas sin carga y corriente de excitación o más conocida como prueba de vacío se hace con el fin de de determinar la corriente en vacío (I0), la potencia (P0) y el factor de potencia La potencia P0 representa las pérdidas en vacío del transformador, las cuales resultan de la suma de las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo.

Como sabemos ninguna maquina trabaja sin producir pérdidas de potencia, ya sea estática o dinámica, además debemos tener en cuenta que las pérdidas en las maquinas estáticas (transformador) son muy pequeñas, en el transformador se producen las siguientes pérdidas:

Pérdidas por corrientes parasitas o Foucault (Pf). Pérdidas por histéresis (Ph). Pérdidas en el cobre del bobinado (Pcu).

Las pérdidas por corrientes de Foucault (Pf) y por histéresis (Ph) son las llamadas perdidas en el hierro (Pfe).

Cuando el transformador está en vacío, la potencia que medimos en el transformador con el circuito abierto se compone de la potencia perdida en el circuito magnético y las pérdidas en el cobre de los bobinados.

Al ser nula la intensidad en los terminales de baja (I2=0), no aparece en el perdida de potencia; por otra parte, al ser muy pequeña la intensidad del primario en vacío (I0) con respecto a la intensidad en carga I2n, las pérdidas que se originan en el cobre del bobinado de alta resultan prácticamente insignificantes.

Flujo principal y de dispersión en el transformador en vacío.

Las pérdidas de potencia en el hierro (Pfe) en un transformador en vacío se producen por las corrientes de Foucault (Pf) y por el fenómeno de histéresis (Ph) como se menciona anteriormente.

Para reducir la perdida de energía, y la consiguiente pérdida de potencia, es necesario que los núcleos que están bajo un flujo variable no sean macizos, deberán estar construidos con chapas magnéticas de espesores mínimos, apiladas y aisladas entre sí.

La corriente eléctrica, al no poder circular de unas chapas a otras, tiene que hacerlo independientemente en cada una de ellas, con lo que se induce menos corriente y disminuye la potencia de perdida por corrientes de Foucault. En la figura siguiente podemos ver como circula la corriente por ambos nucleos:

Núcleos magnéticos.

Las corrientes de Foucault se producen en cualquier material conductor cuando se encuentra sometido a una variación del flujo magnético.

Como los materiales magnéticos son buenos conductores eléctricos, en los núcleos magnéticos de los transformadores se genera una fuerza electromotriz inducida que origina corriente de circulación en los mismos lo que da lugar a pérdidas de energía por efecto joule.

Las pérdidas por corrientes parasitas o de Foucault dependerán del material del que este constituido el núcleo magnético.

Para el cálculo de las corrientes en el hierro por las corrientes de Foucault las podríamos hacer con la siguiente formula:

Donde:

Pf : perdidas por corrientes de Foucault W/Kg. f: frecuencia en Hz. βmáx: inducción máxima en Gauss ∆: espesor de la chapa magnética en mm.

De la formula anterior podemos deducir que el cambio de frecuencia de 50 a 60 Hz, por ejemplo, hace que aumenten las perdidas en el transformador.

Mientras tanto la histéresis magnética es el fenómeno que se produce cuando la imantación de los materiales ferromagnéticos no solo depende del valor del flujo, sino también de los estados magnéticos anteriores. En el caso de los transformadores, al someter el material magnético a un flujo variable se produce una imantación que se mantiene al cesar el flujo variable, lo que provoca una pérdida de energía que se justifica en forma de calor.

Ciclo de histéresis

La potencia perdida por histéresis depende esencialmente del tipo de material; también puede depender de la frecuencia, pero como la frecuencia en una misma zona o país siempre es la misma, la inducción magnética dependerá del tipo de chapa. Atraves de la fórmula de Steinmetz podemos determinar las perdidas por histéresis.

Donde:

Kh: Coeficiente de cada material. f: Frecuencia en Hz. βmáx: Inducción máxima en Tesla Ph: Perdidas por histéresis en W/kg. n: (1,6 para β<1 Tesla(10^4Gauss))

(2 para β>1 Tesla (10^4Gauss)).

Ciclo de histéresis de dos materiales diferentes.

PRUEBA DE PÉRDIDAS SIN CARGA

La prueba del transformador en vacío se hace con el propósito de medir las perdidas sin carga a un voltaje especificado y a una frecuencia determinada. La determinación de pérdida sin carga será basada en un voltaje sinusoidal que es la usada en el transporte y transmisión de la energía.

El método del voltímetro y voltaje promedio es el más exacto para corregir las perdidas sin carga moderadas a una base de una onda senoidal. En este método se usan dos voltímetros conectados en paralelo, uno de ellos para medir respuesta promedio (calibrado en rms); y el otro para respuesta de valor verdadero rms.

El voltaje de prueba se lo ajusta al valor especificado por la lectura del voltímetro de respuesta promedio. Se emplean las lecturas de ambos voltímetros para corregir las perdidas sin carga con

base en la onda seno para corregir la forma a la onda seno ayudándonos de una ecuación que se muestra más adelante.

Diagramas De Conexión

Las graficas muestran las conexiones de la prueba para la determinación de pérdidas sin carga de un transformador monofásico, también presentan el equipo necesario para el caso dónde no se requiere transformadores de instrumentación:

Conexiones para la prueba de la pérdida de vacío de un transformador monofásico sin transformadores de medida

Conexiones para la prueba de la pérdida sin carga de un transformador monofásico con transformadores de medida.

Si es necesario, corregir las pérdidas introducidas por los instrumentos de medida conectados puede hacerse desconectando el transformador bajo la prueba y notando el vatímetro que lee el voltaje de circuito de prueba especificado. Estas pérdidas representan las pérdidas de los instrumentos conectados (y transformador de voltaje, si se usó). Estas pueden substraerse del vatímetro (calibrando) al inicio de las lecturas para obtener la pérdida sin carga del transformador bajo la prueba real.

Conexiones Del Voltímetro.

Al corregir una onda seno común usando el método del voltímetro de voltaje promedio, se debe tener en cuenta las conexiones del voltímetro, porque la forma de la onda del voltaje fase a fase puede ser diferente de la forma de onda del voltaje fase a neutro. Por consiguiente, dependiendo en si de los devanados del transformador energizados están configurados en delta o en Y, las conexiones Del voltímetro serán tales que la forma de onda aplicada a estos sea igual a la forma de onda que pasa a través de los devanados energizados.

Energizado De Los Devanados.

Cada devanado de alto o bajo voltaje del transformador bajo la prueba puede ser energizado, pero es generalmente es más conveniente hacer esta prueba usando el bobinado de bajo voltaje. En cualquier caso, el bobinado completo (no una porción del bobinado) debe usarse siempre que sea posible. Si, por alguna razón inusual, sólo una porción de un bobinado es excitada, esta porción no debe ser menor que el 25% del bobinado.

Voltaje Y Frecuencia.

Las características de operación y desempeño de un transformador se basan en el voltaje nominal y la frecuencia nominal, a menos que se especifique otra cosa. Por consiguiente, la prueba de pérdidas en vació se ejecuta con el voltaje nominal presente a través de los terminales del transformador, utilizando una fuente de voltaje a una frecuencia igual a la nominal del transformador bajo prueba a menos que se especifique otra cosa. Para la determinación de las pérdidas en vació de un transformador monofásico o trifásico, la frecuencia de la fuente debe estar dentro del ±0.5% de la frecuencia nominal del transformador bajo prueba. Se ajustará el voltaje al valor especificado por el voltímetro de voltaje promedio. Las lecturas de los valores de voltaje rms, corriente rms, potencia eléctrica y voltaje promedio deben hacerse y anotarse simultáneamente.

Corrección De Forma De Onda De Pérdidas De Sin Carga.

Las corrientes parásitas componente de las pérdidas sin carga varía con el cuadrado del valor de voltaje rms de excitación y es substancialmente independiente de la forma de onda de voltaje. Cuando el voltaje de prueba se sostiene al valor especificado al de la lectura del voltímetro de valor promedio, el valor rms actual del voltaje de prueba puede no ser igual al valor especificado. Se determinarán las pérdidas sin carga del transformador corregido para una base de onda seno del valor medido obtenido por la siguiente ecuación:

Donde

Tm: Es la temperatura del núcleo en el momento de prueba en °C.

Pc(Tm): Son las pérdidas sin carga, corregidas para la forma de onda, a la temperatura Tm. Pm: Son las pérdidas sin carga moderadas a la temperatura Tm. P1: Son las pérdidas por histéresis en partes por unidad. P2: Son las pérdidas por corrientes parásitas en partes por unidad.

La ecuación anterior sólo es válida para voltajes de prueba con la distorsión en la forma de onda moderada. Si la distorsión de la forma de onda en el voltaje de prueba causa que la magnitud de la corrección sea mayor al 5%, entonces la forma de onda del voltaje de prueba, deberá ser mejorada para una determinación adecuada de las corrientes y pérdidas sin carga.

Donde:

Er: Es el voltaje de la prueba medido por el voltímetro rms Ea. Es el voltaje de la prueba medido por el voltímetro de voltaje promedio.

Las pérdidas por unidad de histéresis y de corrientes parásitas deberán usarse, si están disponibles. Si los valores reales no son disponibles, se sugiere que los dos componentes de pérdida se asuman igual en valor, asignando a cada valor de 0.5 por unidad.

Determinación De La Corriente De Excitación (Sin Carga).

Una temperatura de referencia se requiere al indicar pérdidas sin carga porque las pérdidas sin carga varían con temperatura del núcleo. La temperatura estándar de referencia (Tr) para las pérdidas sin carga del transformador se especifica en 5.9 de IEEE Std C57.12.00-2010. La temperatura estándar de referencia para las pérdidas sin carga de transformadores de potencia y de distribución será de 20 ºC. La corriente excitación (sin carga) de un transformador es la corriente que mantiene el flujo magnético valorado en el núcleo del transformador. La corriente de excitación normalmente se expresa en partes por unidad o porcentaje de la corriente de línea tasada para el bobinado medido. (Donde la clase de refrigeración del transformador involucra más de un kVA, el kVA valorado más bajo se usa para determinar la corriente base). La medida de corriente de excitación normalmente se lleva a cabo junto con las pruebas para las pérdidas sin carga. La corriente rms se graba simultáneamente durante la prueba para pérdidas sin carga que usando el método del voltímetro de voltaje promedio. Este valor se usa calculando las partes por unidad o el porcentaje de la corriente de excitación.