Eficiencia energética de transformadores eléctricos de potencia

Escrito por Alonso Vargas

En junio 23, 2023
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Los transformadores eléctricos son dispositivos electromagnéticos utilizados para cambiar los niveles de tensión de la energía eléctrica en los sistemas de transmisión y distribución. Estos equipos son esenciales para garantizar disponibilidad y seguridad del suministro eléctrico. Sin embargo, los transformadores -como todos los dispositivos o máquinas que transforman energía- no son perfectos y tienen diferentes fuentes de pérdidas que impactan sobre su eficiencia energética.

Eficiencia energética

La eficiencia energética de un transformador eléctrico en términos prácticos es cuanta de la potencia que éste toma de la red es capaz de entregar en sus terminales del secundario. Naturalmente, esta será menor que 1 ya que siempre existirán pérdidas durante todo proceso de transformación de energía. Por lo tanto, mientras más cercana sea la potencia que éste entrega respecto de la que consume se dice que un transformador es más eficiente.

\eta = \frac{P_{sal}}{P_{sal} + P_{perd}}*100\%

Dentro del grupo de las máquinas eléctricas, los transformadores por lo general son los más eficientes (95% ~ 99%). Los equipos de alta gama llegan a tener eficiencias incluso superiores al 99% gracias a la calidad de sus materiales y al diseño cuidadoso para reducir al mínimo las pérdidas que se originan tanto en el núcleo como en los devanados.

Factor de carga

El factor de carga de un transformador es un indicador que muestra la relación entre la carga real y la potencia nominal del transformador. Se expresa como un porcentaje y refleja la cantidad de carga que se está suministrando en comparación con la capacidad máxima del transformador. Un factor de carga del 100% implica que el transformador está operando a plena carga, mientras que un factor de carga inferior al 100% indica que el transformador está suministrando una carga menor a su capacidad máxima.

Pérdidas de potencia en un transformador eléctrico

En un transformador eléctrico existen dos tipos de pérdidas que resultan significativas: las pérdidas en el núcleo y las pérdidas en los devanados (o comúnmente llamadas pérdidas en el hierro y pérdidas en el cobre respectivamente). Sin embargo, además de estas dos categorías principales que dependen del diseño del equipo, pueden aparecer otras fuentes de pérdidas debido a la operación de éstos equipos que impactarán sobre la eficiencia final del transformador.

Tipo de Pérdidas Descripción Dependencia de la carga Estrategia para su reducción
Pérdidas en núcleo son causadas por la magnetización y desmagnetización periódica del material magnético utilizado en el transformador. Estas pérdidas se deben principalmente a la histéresis y a las corrientes de Foucault Independiente de la carga del transformador
  1. Aumento de la sección transversal del núcleo
  2. Utilización de un núcleo con una mayor superficie
  3. Uso de materiales con mayor permeabilidad magnética
Pérdidas en cobre Estas pérdidas son causadas por la resistencia eléctrica de los conductores de los devanados del transformador. Cuando la corriente eléctrica fluye a través de los éstos, se produce una caída de voltaje debido a la resistencia del cobre, lo que resulta en pérdidas de energía. Dependiente de la carga del transformador
  1. Aumento de la sección transversal de los conductores de los devanados
  2. Uso de materiales de mayor pureza (menor resistividad)
  3. Mejorar la disipación para mantener la temperatura en el valor más bajo posible
Curvas de pérdidas de potencia y eficiencia en un transformador eléctrico común

La dinámica de las pérdidas tanto en el núcleo como en el cobre depende de la calidad del equipo adquirido. Es importante tener en cuenta que una vez construido, no es posible reemplazar o modificar la estructura interna de un transformador para reducir estas pérdidas. Además, es fundamental entender que el dato de eficiencia indicado en la placa del transformador representa el rendimiento máximo que se puede alcanzar. En otras palabras, este rendimiento se logrará cuando el factor de potencia de la carga sea igual a 1 y el transformador opere a un factor de carga óptimo, es decir, cuando las pérdidas en el hierro y en el cobre sean iguales.

Conclusiones y Observaciones

Considerando que la máxima eficiencia alcanzable por un transformador eléctrico es la especificada por el fabricante en su placa de datos, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos para garantizar que la eficiencia de funcionamiento del transformador se acerque lo más posible al valor indicado en dicha placa:

  1. Se debe operar el transformador a un factor de carga lo más cercano posible a su factor de carga de óptimo. Un valor muy pequeño o muy alto hará que la eficiencia del transformador decaiga. La mayoría de transformadores deben operse con carga variable por lo que el factor de carga óptimo debe ser menor que 1.
  2. Es necesario que el factor de potencia de la carga (o instalación conectada al transformador) sea lo más cercado a 1. Un factor de potencia menor tendrá como resultado que la eficiencia máxima alcanzable del transformador sea menor que la indicada en placa.
  3. Asegurar que el transformador no tenga pérdidas de potencia adicionales como por ejemplo las pérdidas por baja resistencia del aislamiento originado por un mantenimiento deficiente o por la mala disipación de la energía térmica que se produce durante el funcionamiento del equipo. Un incremento de temperatura implica una disminución de la resistencia de aislamiento.

Fuentes

  1. https://electrical-engineering-portal.com/reduce-transformer-losses-design-stage
  2. https://electrical-engineering-portal.com/transformer-heat-copper-and-iron-losses
  3. http://endrino.pntic.mec.es/jhem0027/transformador/eltransformador.htm

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