Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Un transformador es una pieza muy importante de nuestro mundo eléctrico. Suministra energía a todo. Esto incluye el cargador de tu teléfono e incluso ciudades enteras. Pero debes saber que un transformador gasta una pequeña cantidad de energía cada vez que funciona. Esta energía desperdiciada cuesta dinero. También puede alterar la eficacia del transformador. En este artículo, conocerá un tipo importante de pérdida de energía. Se llaman pérdidas en el núcleo. También se denominan pérdidas en vacío. Cuando entienda estas pérdidas, comprenderá por qué es importante elegir el transformador adecuado. Ayuda a ahorrar energía y hace que las cosas funcionen mejor. Empecemos a aprender sobre las pérdidas de los transformadores.
Un transformador es una máquina sencilla, pero muy potente. Cambia la electricidad de un nivel de tensión a otro. Por ejemplo, un gran transformador situado en un poste de alta tensión puede convertir la alta tensión en una tensión más baja y segura para tu casa. Todos los transformadores tienen al menos dos juegos de cables en su interior. Se denominan devanados o bobinas. El primero es el bobinado primario, que recibe la energía. El segundo es el secundario, que envía la energía al exterior. Estos cables suelen estar enrollados alrededor de una pieza de hierro llamada núcleo del transformador.
El funcionamiento de un transformador no es perfecto. Parte de la energía se pierde cuando la electricidad pasa por el transformador. Estas pérdidas del transformador se convierten en calor. Es como frotarse las manos. Se calientan por la fricción. Un transformador en funcionamiento también genera calor. Esta pérdida de calor es energía que se desperdicia. Si entendemos por qué se produce esta pérdida de energía, podremos fabricar mejores transformadores. Estos transformadores serán más eficientes. Siempre se producen ciertas pérdidas. Otras cambian en función de la cantidad de electricidad que se utilice. Por eso, controlar estas pérdidas es una parte muy importante del diseño de un transformador.
No, hay distintos tipos de pérdidas en los transformadores. Podemos clasificarlas en dos grandes grupos. El primero son las pérdidas en el núcleo, también llamadas pérdidas en vacío. El segundo son las pérdidas de carga, también llamadas pérdidas de cobre. Las principales diferencias son cuando ocurren. Las pérdidas en el núcleo siempre existen. Ocurren siempre que el transformador está bajo tensión. Esto es cierto incluso si el transformador no está alimentando nada. Pero las pérdidas de carga son diferentes. Sólo se producen cuando el transformador está cargado.
Las pérdidas de carga proceden del hilo de cobre del bobinado. Este hilo resiste el flujo de electricidad. Una corriente eléctrica pasa por los devanados primario y secundario. El material conductor resiste este flujo de corriente. Debido a la resistencia, genera calor. Cuando fluye más corriente, las pérdidas de carga aumentan. A veces, a esto se le llama pérdida de cobre. Esto se debe a que las piezas del bobinado son de cobre. La cantidad de esta pérdida debida a la resistencia aumenta muy rápidamente. Se basa en el cuadrado de la corriente de carga. Por ejemplo, si la corriente de carga se duplica, la pérdida de cobre será cuatro veces mayor.
| Característica | Pérdidas en el núcleo (pérdidas sin carga) | Pérdidas de carga (pérdida de cobre) |
|---|---|---|
| Cuando ocurra | Siempre que el transformador tenga corriente | Sólo cuando el transformador está alimentando algo |
| De qué depende | Tensión y frecuencia | Cuánta corriente de carga circula |
| Dónde ocurre | Dentro del núcleo del transformador | Dentro del devanado del transformador |
| Otros nombres | Pérdida de hierro, pérdida sin carga | Pérdida I²R, pérdida de cobre |
Las pérdidas en el núcleo son las pérdidas de energía que se producen en el interior del núcleo magnético de un transformador. Esto ocurre debido al campo magnético alterno. Un transformador necesita este campo para hacer su trabajo. Una corriente alterna atraviesa la bobina primaria. Esto produce un flujo magnético cambiante en el material del núcleo. Este flujo cambiante es lo que permite al transformador mover la energía. La traslada del devanado primario al secundario. Pero, esta misma acción también hace que el transformador pierda energía. Esta energía que se pierde se convierte en calor en el interior del núcleo.
Estas pérdidas se deben principalmente a dos causas. Son la histéresis y las corrientes de Foucault. Las llamamos pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault cuando hablamos de ellas juntas. Estas pérdidas de potencia siempre están ahí si el transformador está encendido. Esto se debe a que la tensión siempre está creando ese campo magnético cambiante. No importa si se utiliza el transformador para alimentar una lámpara o no. Las pérdidas se producen todo el tiempo. Por eso, controlar las pérdidas en el núcleo es muy importante para la eficiencia de un transformador. Si un transformador está encendido todo el día y toda la noche, desperdiciará energía todo el tiempo debido a estas pérdidas.
El nombre "pérdidas sin carga" nos ayuda a entender cuándo se produce esta pérdida. Recibe este nombre porque la pérdida existe incluso sin carga. Una carga es algo conectado al devanado secundario. Una "carga" es cualquier elemento que utilice energía del transformador. Por ejemplo, una bombilla, un motor o un ordenador. Aunque no haya nada conectado, el transformador recibe una pequeña corriente primaria. Esta corriente es necesaria para crear el flujo magnético dentro del núcleo.
Esta pequeña corriente mantiene el núcleo del transformador listo para funcionar. Mantiene el núcleo en estado de magnetización. La energía que utiliza para este trabajo es lo que llamamos pérdidas en vacío. Esta acción ocurre todo el tiempo cuando el transformador está encendido. Por lo tanto, la pérdida nunca cambia. La cantidad de corriente de carga que va a un dispositivo no tiene ningún efecto sobre la pérdida en el núcleo. Por lo tanto, la pérdida en el núcleo sigue siendo la misma si el transformador está trabajando mucho o no está haciendo nada en absoluto (sin carga). Esto es muy diferente de las pérdidas de carga. Las pérdidas de carga son nulas cuando no hay carga.
La pérdida por histéresis es una parte de las pérdidas del núcleo. Una buena forma de imaginárselo es pensar que el material del núcleo magnético tiene muchos imanes diminutos en su interior. La corriente alterna en la bobina primaria fluye en una dirección. Esto hace que los pequeños imanes se alineen. Luego, la corriente cambia y fluye en la otra dirección. Ahora, todos esos pequeños imanes tienen que girar y alinearse en la nueva dirección. Esto sucede una y otra vez, muy rápido. El material del núcleo lucha contra estos cambios rápidos. Esta lucha se llama histéresis.
Esta "fricción magnética", o histéresis, consume energía. La energía necesaria para hacer girar los pequeños imanes se transforma en calor. Esta pérdida de calor es la pérdida por histéresis. La cantidad de pérdida debida a la histéresis depende del tipo de material utilizado para el núcleo. Algunos materiales tienen menos "fricción" que otros. Para un transformador, los constructores eligen un material de núcleo magnético con baja histéresis. Un buen ejemplo es el acero al silicio. Esta elección ayuda a minimizar este tipo de disipación de energía. Los cambios constantes de dirección magnética provocan esta pérdida.
La otra parte de las pérdidas en el núcleo se denomina pérdidas por corrientes parásitas. El campo magnético cambiante en el núcleo del transformador hace más de una cosa. Genera una tensión en la bobina secundaria. Pero también genera una tensión dentro del propio núcleo de hierro. El núcleo es un material conductor. Por lo tanto, esta tensión hace que fluyan pequeños círculos de corriente dentro del núcleo. A estas corrientes inducidas no deseadas las llamamos corrientes de Foucault.
Estos pequeños círculos de flujo de corriente se mueven a través del núcleo. El material del núcleo presenta cierta resistencia a la electricidad. Por ello, la corriente de Foucault genera calor. Esto es muy parecido a cómo la corriente pasa a través de un bobinado de cobre para producir pérdidas de cobre. La energía disipada en forma de calor por estas corrientes es la pérdida por corrientes de Foucault. Esta pérdida de energía es directamente proporcional a la rapidez con la que cambia la corriente y a la intensidad del flujo magnético. Un flujo más intenso crea una mayor fuerza magnética. Esto inducirá una mayor corriente de Foucault.
Sí, podemos reducir las pérdidas en el núcleo. En concreto, podemos reducir las pérdidas por corrientes de Foucault con un diseño inteligente del transformador. La mejor manera de hacerlo es dificultar el flujo de las corrientes parásitas. Sabemos que una pieza grande y sólida de metal permite que se forme una gran corriente parásita. Así que, en lugar de utilizar un bloque macizo de hierro, los constructores hacen el núcleo del transformador a partir de un núcleo laminado. Esto significa que el núcleo está formado por muchas láminas de acero muy finas. Estas láminas se denominan laminación.
Cada lámina fina, o laminación, tiene un revestimiento especial. Este revestimiento actúa como una pared que no deja pasar la electricidad. Es muy difícil que la corriente salte de una lámina a otra. Esto interrumpe las grandes trayectorias circulares que quiere seguir una corriente de Foucault. La corriente sólo puede fluir en pequeños círculos dentro de cada lámina delgada. Esto crea corrientes parásitas mucho más débiles, que se conocen como corrientes de Foucault. Este método reduce enormemente la pérdida total por corrientes parásitas. Utilizar un núcleo laminado es la forma normal de minimizar las pérdidas causadas por las corrientes parásitas y mejorar la eficiencia del transformador. Laminamos el núcleo para reducir el flujo de corrientes parásitas.
El material del núcleo es muy importante para el rendimiento del transformador. También afecta a la eficiencia de los transformadores. Un buen material para el núcleo debe hacer dos cosas bien. En primer lugar, debe ser fácil de magnetizar y desmagnetizar. Esto ayuda a minimizar la pérdida por histéresis. Los materiales con baja histéresis no luchan tanto contra el campo magnético cambiante. Esto significa menos desperdicio de energía. El acero al silicio se utiliza mucho porque tiene grandes capacidades magnéticas y baja histéresis.
En segundo lugar, el material del núcleo debe tener una alta resistencia a la electricidad. Esto ayuda a minimizar las pérdidas por corrientes de Foucault. Si la resistencia es mayor, es más difícil que fluya una corriente de Foucault, aunque la tensión sea la misma. Poner silicio en el acero hace que su resistencia aumente. Esta es otra razón por la que es una gran elección para un transformador. El grosor del laminado también influye. Una laminación más fina ayuda a reducir aún más las corrientes parásitas. El objetivo principal es elegir un material que pueda soportar un flujo magnético intenso, pero que tenga la menor histéresis y pérdidas de Foucault posibles.
Las pérdidas en el núcleo tienen un efecto real en el funcionamiento de un transformador. Estas pérdidas se producen siempre. Son un drenaje constante de energía mientras el transformador está encendido. Esta energía desperdiciada se convierte en calor. Este calor hace que el transformador se caliente. Si un transformador se calienta demasiado, el aislamiento del bobinado puede dañarse. Esto puede hacer que el transformador no dure tanto. Por lo tanto, es necesario controlar el calor de las pérdidas en el núcleo. Para ello suelen ser necesarios sistemas de refrigeración.
Además, las pérdidas en el núcleo reducen el rendimiento del transformador. El rendimiento de un transformador nos indica qué cantidad de la energía introducida se convierte en energía útil. Cada pizca de energía que se pierde en forma de calor es energía que no llega al dispositivo que debe alimentar. Durante toda la vida útil de un transformador, esta pérdida constante de energía puede costar mucho dinero. Esto es muy cierto en el caso de los grandes transformadores de potencia que funcionan durante muchos años. Una mejor regulación de la tensión y una mayor eficiencia se consiguen con menores pérdidas. Por eso las compañías eléctricas pagan más por un transformador de alta eficiencia con bajas pérdidas en el núcleo.
Para reducir las pérdidas en el núcleo y mejorar el rendimiento de un transformador, los constructores trabajan en dos aspectos clave. Se centran en el material del núcleo y en cómo está construido. La idea es solucionar tanto las pérdidas por histéresis como por corrientes de Foucault. El primer paso es utilizar un material de núcleo de alta calidad. Hay tipos especiales de acero al silicio fabricados para tener una histéresis muy baja. Algunos modelos nuevos de transformadores utilizan incluso núcleos de metal amorfo. Éstos tienen una pérdida por histéresis aún menor.
Para combatir las pérdidas por corrientes parásitas, la mejor solución es utilizar un núcleo laminado. Las láminas deben ser lo más finas posible. Además, cada una necesita un buen recubrimiento para aislarla de las demás. Un transformador bien fabricado con un núcleo de laminación fina de la máxima calidad tendrá unas pérdidas en el núcleo muy bajas. Cuando elija un transformador, compruebe sus cifras de pérdidas en vacío. Una cifra más baja significa menos energía desperdiciada y menores costes de funcionamiento a lo largo del tiempo. Esto ayuda a reducir el consumo de energía.
He aquí una lista rápida de las ideas más importantes sobre las pérdidas en el núcleo de los transformadores:
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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