Cálculo Económico de Selección de Transformadores

Transformadores:

El transformador de potencia es una máquina estática con un alto rendimiento, mayor del 99 por 100 cuando funciona a su carga óptima.

Las pérdidas se deben fundamentalmente a dos tipos de fenómenos, uno por el efecto Joule en el arrollamiento, función del cuadro de la intensidad o de la carga: Pérdidas en el Cobre; y otro por las corrientes magnetizantes (histéresis y corrientes de Foucault) en el núcleo, prácticamente constantes a cualquier carga: Pérdidas en el Hierro.

En la especificación de los transformadores, el fabricante debe aportar los datos de los ensayos en vacío y en cortocircuito. Estos datos sirven para calcular de forma muy aproximada el rendimiento del transformador . Para un factor de potencia constante, e igual a 1, este rendimiento es:

h = P2/P1 = P2/[P2 + Pérdidas] = P2/[P2 + PCu + PFe]

Siendo:

Pcu =

Pfe =

Potencia activa en el arrollamiento primario y secundario, respectivamente.

Pérdida en el Cobre. Del ensayo en cortocircuito (bornes del secundario unidos), se obtiene la potencia en cortocircuito Pcc. Sin error apreciable, se puede decir que PCu = C²Pcc, siendo la C la carga del transformador en tanto por uno.

Pérdidas en el Hierro. Se pueden considerar constante iguales a la potencia en vacío, dada por el fabricante en el ensayo en vacío (arrollamiento secundario abierto).

La formula del rendimiento quedaría:

h = P2/[P2 + C²Pcc + Pvacío]

De ello se deduce que el rendimiento es máximo cuando:

 De Donde:

Ch máx = [Pvacío/Pcc] ½ = [PFe/Pcu]½

O sea, el funcionamiento óptimo de un transformador. O agrupaciones de los mismos, se alcanza cuando las pérdidas en el cobre (variables)se igualan a las pérdidas en el Hierro (constantes). Dependiendo del tamaño del transformador y del material de núcleo, el rendimiento máximo se obtiene cuando funciona entre el 40 y el 70 por 100 de su capacidad nominal. Por lo tanto en, el diseño de estos equipos se debe atender a la carga media de funcionamiento.

En la Figura 1 se presenta gráficamente la variación típica del rendimiento en función de la carga, en este caso para un transformador de 1.00 KVA, cuyos ensayos, dados por el fabricante, son:

El rendimiento máximo se obtiene a la carga:

El factor de potencia también tiene influencia en el rendimiento: Siendo 99,07 por 100 el rendimiento máximo en el ejemplo anterior, para un cos f = 0,8, éste baja a 98,8.

Es conveniente destacar que el acoplamiento de transformadores en paralelo puede aumentar las pérdidas, si en el diseño no se cuida que todos los equipos acoplados de esta forma tengan la misma tensión de cortocircuito y la misma relación de transformación.

En resumen, los diseños inadecuados, el funcionamiento a baja carga, e incluso en vació, o a cargas cercanas a la capacidad máxima, y el cos f de la instalación, son los factores fundamentales que hacen que en la práctica las pérdidas totales en las transformaciones, desde la acometida hasta la utilización final, alcancen hasta un 3 por 100 de la energía eléctrica utilizada.