Transformador de potencia: diseño, calificación, pérdidas, eficiencia, usos

• Definición de transformador de potencia
• Diseño de transformador de potencia
• Diagrama de transformador de potencia
• Clasificación del transformador de potencia
• Pérdidas del transformador de potencia
• Eficiencia del transformador de potencia
• Aplicación de transformador de potencia (en una subestación)
• Mantenimiento de transformadores de potencia
• Fallo del transformador de potencia

Definición de transformador de potencia

Un transformador típico se puede definir como "un dispositivo que transfiere energía eléctrica entre circuitos eléctricos". Es un dispositivo pasivo y estático. Un transformador de potencia es único en su tipo. Los transformadores de potencia se utilizan para interconectar los voltajes de reducción y aumento en el sistema de distribución de energía. 

Un transformador de potencia típico tiene una vida útil de unos 30 años.

Diseño de transformador de potencia

Un transformador típico consta de partes:

• A. Núcleo metálico
• B. Dos devanados formados por bobinas

Un transformador de potencia tiene los mismos componentes que uno normal. Además, cuenta con un sistema de enfriamiento y un esqueleto metálico, el cual está laminado con láminas. Dependiendo de la estructura del núcleo, un transformador de potencia puede ser de tipo carcasa o de núcleo. Este también puede ser de tipo trifásico o monofásico. Un trifásico se puede hacer a partir de tres transformadores monofásicos.

Los devanados primarios y secundarios se envuelven utilizando conductores desde el interior o desde el exterior del núcleo. Tanto los transformadores monofásicos como trifásicos necesitan 'banco' para colocar los devanados. Si usamos tres transformadores monofásicos, entonces es necesario identificar cada banco aislado de los demás. Si uno de los bancos falla, el transformador también garantizará un servicio continuo. Pero en el caso de un solo transformador trifásico, no funcionará si falla un banco.

Todos estos ajustes con el núcleo se guardan dentro de un esqueleto. El esqueleto se absorbe dentro de un aceite protegido contra incendios. El aceite hace el trabajo de aislamiento y enfriamiento. Hay buses (aisladores), que permiten que el conductor haga su trabajo sin interferir con la estructura exterior. Los transformadores también necesitan un dispositivo de enfriamiento. Un ventilador o algún otro proceso puede servir para el proceso.

Diagrama de transformador de potencia

Clasificación de transferencia de energía

Los transformadores se clasifican según la potencia que pueden entregar a la carga. Si un transformador da 5 voltios y 4 amperios de corriente como salida, entonces la clasificación del transformador será 5 * 4 = 20 voltios amperios. Es por eso que los transformadores están clasificados en voltios - amperios (VA) o kilovoltios - amperios (kVA). Por lo general, funcionan para voltajes más altos y están clasificados en kilovoltios y amperios.

Un transformador de potencia es una parte costosa de un sistema de distribución. Si la potencia nominal no se realiza correctamente, es posible que el transformador esté quemado. Por lo tanto, es necesario calificar un transformador de potencia con precisión. El valor actual se puede calcular utilizando el diámetro de la bobina de los devanados. El voltaje se puede calcular usando el número de vueltas o usando la relación de vueltas.

Pérdidas del transformador de potencia

Un transformador de potencia sufre pérdidas ya que no es un transformador ideal. Una pérdida de transformador significa pérdida de potencia. Las pérdidas del transformador se pueden dividir en cuatro categorías. Son -

• A. Pérdida de núcleo / pérdida de hierro (pérdida de histéresis y pérdida de corrientes de Foucault)
• B. Pérdida dieléctrica
• C. Pérdida de cobre o pérdida óhmica
• D. Pérdida perdida

A. Pérdida de núcleo / pérdida de hierro:

Estas pérdidas también se denominan "pérdidas sin carga". Estos transformadores sufren tales pérdidas cada vez que se conectan con energía, incluso si no tienen carga conectada en el lado secundario. Este tipo de pérdidas son constantes y no fluctúan. La pérdida de hierro también es de dos tipos:

• a. Pérdidas por histéresis
• segundo. Pérdidas por corrientes de Foucault

a. Pérdidas por histéresis:

• Se produce una fuerza de magnetización alterna dentro del núcleo del transformador. Debido a la palanca de magnetización, se trazó un bucle de histéresis y la potencia se disipó en forma de calor. Las pérdidas por histéresis provocan una pérdida sin carga del 50% al 80%.

P_h = η * B_max * norte * f *V

P_h = Pérdida de histéresis

η = coeficiente de histéresis de Steinmetz

B_max = Densidad de flujo máxima

n = exponente de Steinmetz

f  = frecuencia de inversiones magnéticas por segundo

V = volumen de material magnético

segundo. Pérdida por corrientes de Foucault:

• La pérdida por corrientes de Foucault se produce debido a la ley de inducción de Faraday. Se induce una fem en el circuito central debido al flujo magnético. Esta fem provoca el flujo de corriente a través de la estructura del núcleo, ya que está hecha de hierro. Esta corriente se conoce como corriente de Foucault. La corriente de Foucault no es útil para trabajar en este circuito. Por lo tanto, la pérdida de potencia debido a esta corriente se conoce como pérdida de corriente parásita. Las pérdidas por corrientes de Foucault son responsables del 20% al 50% de las pérdidas sin carga.

La pérdida viene dada por -

pe = k_e * B_max² * f *V*t²

P_e = Pérdida por corrientes de Foucault

K_e = Constante de corriente de Foucault

B_max = Densidad de flujo máxima

f  = frecuencia de inversiones magnéticas por segundo

V = volumen de material magnético

t = espesor magnético

B. Pérdidas dieléctricas:

• Los aisladores colocados dentro de los transformadores son la razón de esta pérdida. No es una pérdida significativa y contribuye con el 1% de las pérdidas totales sin carga.

C. Pérdida de cobre o pérdida ohómica:

• Este tipo de pérdida en un transformador de potencia puede denominarse Pérdidas de carga ya que los transformadores sufren este tipo de pérdida debido a condiciones de cortocircuito o cuando están conectados con la carga. La resistencia de los devanados del cable es la fuente de esta pérdida. Como la mayoría de los cables están hechos de cobre, la pérdida lleva ese nombre.

D. Pérdida perdida:

• Esta pérdida se produce debido al flujo de fuga. El flujo de fuga depende de varios parámetros, como la estructura geométrica del devanado, el tamaño del tanque, etc. Cambiar estos parámetros también puede reducir las pérdidas. Es una pérdida insignificante.

También hay otras pérdidas. Uno de ellos son las pérdidas auxiliares. El sistema de refrigeración del transformador provoca este tipo de pérdidas. Además, la potencia desequilibrada y distorsionada produce algunas pérdidas adicionales.

Eficiencia del transformador de potencia

La eficiencia de un dispositivo eléctrico se da como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. Está dado por - η.

η = Salida / Entrada * 100%

En un escenario práctico, un transformador tiene pérdidas, como se mencionó anteriormente. Esta pérdida es numéricamente igual a la diferencia entre la potencia de entrada y la potencia de salida, es decir:

Pérdida = potencia de entrada - potencia de salida

O, potencia de salida = potencia de entrada - pérdida

Ahora, la eficiencia se puede escribir:

η = (Pérdida de potencia de entrada) / Potencia de entrada * 100%

η = 1- (Pérdida / Potencia de entrada) * 100%

También se puede escribir como:

η = (V₂I₂Cosϕ / (V₂I₂Cosϕ + P_i+ P_c )) * 100%

Dónde,

V₂ = Tensión secundaria

I₂ = Corriente secundaria

Cos ϕ = Factor de potencia

P_i = Pérdida de hierro / Pérdida de núcleo

P_c = Pérdida de cobre

Un transformador de potencia grande puede alcanzar una eficiencia de hasta un 99.75% y uno pequeño puede lograr una eficiencia de hasta un 97.50%. Si la eficiencia de un transformador de potencia se mantiene en un rango de 98 a 99.50%, se considerará bueno.

La necesidad de poder aumenta a pasos agigantados. En el caso de la distribución de energía, un transformador de potencia es una de las herramientas esenciales necesarias. Aunque estos están diseñados para una mayor eficiencia, la necesidad es alta de una mayor eficiencia con una preocupación por el medio ambiente y un uso reducido de energía. La reducción de pérdidas es el camino hacia este objetivo.

Aplicación de transformador de potencia (transformador de potencia en una subestación)

Los transformadores son una de las innovaciones esenciales y más increíbles en el campo de la ingeniería eléctrica. Los transformadores de potencia tienen el mayor uso en el sistema de distribución de energía. Algunas de las aplicaciones son:

• Los transformadores de potencia se utilizan en sistemas de generación y distribución de energía.
• Los transformadores de potencia se utilizan en subestaciones. Una subestación transforma los voltajes eléctricos más altos en voltajes más bajos, y un transformador de potencia hace este trabajo. estos son el dispositivo más crítico de una subestación eléctrica.
• Reducir las pérdidas de potencia en la transmisión de potencia. Los transformadores ayudan a minimizar la energía y, por lo tanto, se puede suministrar electricidad en todas las áreas.
• Para aumentar y reducir los voltajes según la necesidad.
• Los transformadores de potencia funcionan de forma continua, asegurando un suministro de 24 * 7. Así, cuando necesitamos hacerlo siempre, se puede utilizar un transformador.
• Estos también se encuentran aplicación en transformadores de puesta a tierra, transformadores de aislamiento.

Mantenimiento de transformadores de potencia

Los transformadores de energía son costosos, voluminosos y una parte esencial de un sistema de distribución de energía. Entonces, un transformador necesita una alta calidad de mantenimiento. El mantenimiento puede ser de dos tipos: diario y en caso de emergencia. Se recomienda un mantenimiento regular para este tipo de transformador, que se coloca en una subestación. A continuación se indican algunos tipos de mantenimiento:

Mantenimiento regular:

1. Comprobación del nivel de aceite
2. Para mantener el nivel de aceite en el nivel deseado.
3. Para sellar las fugas si se detectan.
4. Para reemplazar el gel de sílice si el color cambia a rosa.

Mantenimiento mensual:

1. Nivel de aceite para evitar daños.
2. Revisar los casquillos.
3. Limpieza del esqueleto.

Mantenimiento semestral:

1. Para comprobar el IFT, DDA, puntos de inflamación.
2. Para comprobar la acidez, el contenido de agua y la rigidez dieléctrica.

Mantenimiento anual:

1. Compruebe el estado del aceite: la situación en términos de contenido de humedad y rigidez dieléctrica.
2. Para comprobar todos los interruptores de alarma y control.
3. Medición y control de la conexión a tierra.
4. Comprobación de casquillos y limpieza.
5. Para comprobar un dispositivo de comunicado de prensa.

Fallo del transformador de potencia

Un transformador eléctrico típico es bastante complejo en sus circuitos. Un transformador de potencia es más complicado ya que tiene algunos elementos adicionales. Un transformador falla al quemarse o apagar un transformador. La falla de un transformador puede ocurrir debido a varias razones. Las fallas mecánicas, el mantenimiento periódico, las calamidades naturales como un rayo pueden llevar a un transformador a la destrucción.

• Los transformadores generan calor durante el funcionamiento. Si hay material de baja calidad para el aislamiento, entonces el calor generado conduciría a la quema.
• La condición de sobrecarga es otra causa de los transformadores.
• Los transformadores viejos pueden causar fallas. Las fallas mecánicas son prominentes en los transformadores viejos.
• Si el contenido de humedad del aceite fluctúa de los valores nominales, eso también puede provocar fallas.

La falla de energía se puede prevenir realizando un mantenimiento regular. La información basada en fallas anteriores también ayuda a detectar signos de una falla de energía antes de que ocurra el incidente.

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Sudipta Roy

Hola, soy Sudipta Roy. He realizado B. Tech en Electrónica. Soy un entusiasta de la electrónica y actualmente me dedico al campo de la Electrónica y las Comunicaciones. Tengo un gran interés en explorar tecnologías modernas como la IA y el aprendizaje automático. Mis escritos están dedicados a proporcionar datos precisos y actualizados a todos los estudiantes. Ayudar a alguien a adquirir conocimientos me produce un inmenso placer.
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