Características principales del transformador
Características externas del transformador
Se sabe que el voltaje a través de las terminales del devanado secundario transformador depende de la corriente de carga conectada a esa bobina. Esta dependencia se denomina característica externa del transformador.
La característica externa del transformador se elimina con un voltaje de suministro constante, cuando con un cambio en la carga, de hecho, con un cambio en la corriente de carga, el voltaje en los terminales del devanado secundario, es decir. el voltaje secundario de un transformador también cambia.
Este fenómeno se explica por el hecho de que en la resistencia del devanado secundario, con un cambio en la resistencia de carga, la caída de voltaje también cambia, y debido al cambio en la caída de voltaje en la resistencia del devanado primario, el EMF de el devanado secundario cambia en consecuencia.
Dado que la ecuación de equilibrio EMF en el devanado primario contiene cantidades vectoriales, el voltaje a través del devanado secundario depende tanto de la corriente de carga como de la naturaleza de esa carga: si es activa, inductiva o capacitiva.
La naturaleza de la carga se evidencia por el valor del ángulo de fase entre la corriente a través de la carga y el voltaje a través de la carga. Básicamente, puede ingresar un factor de carga que mostrará cuántas veces la corriente de carga difiere de la corriente nominal para un transformador dado:
Para calcular con precisión las características externas del transformador, se puede recurrir a un circuito equivalente en el que, al cambiar la resistencia de carga, se puede fijar el voltaje y la corriente del devanado secundario.
Sin embargo, la siguiente fórmula resulta útil en la práctica, donde el voltaje de circuito abierto y el "cambio de voltaje secundario", que se mide como un porcentaje, se sustituyen y calculan como la diferencia aritmética entre el voltaje de circuito abierto y el voltaje en una carga dada como un porcentaje del voltaje de circuito abierto:
La expresión para encontrar el «cambio de voltaje secundario» se obtiene con ciertos supuestos del circuito equivalente del transformador:
Aquí se ingresan los valores de los componentes reactivos y activos de la tensión de cortocircuito. Estos componentes de voltaje (activo y reactivo) se encuentran mediante los parámetros del circuito equivalente o se encuentran experimentalmente en experiencia de cortocircuito.
La experiencia del cortocircuito revela mucho sobre el transformador.El voltaje de cortocircuito se encuentra como la relación entre el voltaje de cortocircuito experimental y el voltaje primario nominal. El parámetro "tensión de cortocircuito" se especifica en porcentaje.
En el transcurso del experimento, el devanado secundario se cortocircuita al transformador, mientras que al primario se le aplica un voltaje mucho más bajo que el nominal, de modo que la corriente de cortocircuito sea igual al valor nominal. Aquí, la tensión de alimentación se equilibra con la caída de tensión en los devanados, y el valor de la tensión reducida aplicada se considera como la caída de tensión equivalente en los devanados a una corriente de carga igual al valor nominal.
Para transformadores de alimentación de baja potencia y para transformadores de potencia, el valor de tensión de cortocircuito está en el rango de 5% a 15%, y cuanto más potente es el transformador, menor es este valor. El valor exacto de la tensión de cortocircuito se proporciona en la documentación técnica de un transformador específico.
La figura muestra las características externas construidas de acuerdo a las fórmulas anteriores, podemos ver que las gráficas son lineales, esto se debe a que la tensión secundaria no depende mucho del factor de carga debido a la resistencia relativamente baja del devanado, y el magnetismo de operación el flujo depende poco de la carga.
La figura muestra que el ángulo de fase, dependiendo de la naturaleza de la carga, afecta si la característica disminuye o aumenta. Con una carga activa o activa-inductiva, la característica cae, con una carga activa-capacitiva puede aumentar, y luego el segundo término en la fórmula para "cambio de voltaje" se vuelve negativo.
En los transformadores de baja potencia, la parte activa suele caer más que la inductiva, por lo que la característica externa con carga activa es menos lineal que con carga activo-inductiva. Para transformadores más potentes es lo contrario, por lo que la característica de carga activa será más estricta.
Eficiencia del transformador
La eficiencia del transformador es la relación entre la potencia eléctrica útil entregada a la carga y la potencia eléctrica activa consumida por el transformador:
La potencia consumida por el transformador es la suma de la potencia consumida por la carga y las pérdidas de potencia directamente en el transformador. Además, la potencia activa está relacionada con la potencia total de la siguiente manera:
Dado que la tensión de salida del transformador suele depender débilmente de la carga, el factor de carga se puede relacionar con la potencia aparente nominal de la siguiente manera:
Y la potencia consumida por la carga en el circuito secundario:
Las pérdidas eléctricas en la carga de magnitud arbitraria se pueden expresar, teniendo en cuenta las pérdidas en carga nominal, por el factor de carga:
Las pérdidas nominales con carga están determinadas con mucha precisión por la potencia consumida por el transformador en el experimento de cortocircuito, y las pérdidas de naturaleza magnética son iguales a la potencia sin carga consumida por el transformador. Estos componentes de pérdida se dan en la documentación del transformador. Entonces, si consideramos los hechos anteriores, la fórmula de eficiencia tomará la siguiente forma:
La figura muestra la dependencia de la eficiencia del transformador en la carga.Cuando la carga es cero, la eficiencia es cero.
A medida que aumenta el factor de carga, la potencia suministrada a la carga también aumenta, las pérdidas magnéticas no cambian y la eficiencia, que es fácil de ver, aumenta linealmente. Luego viene el valor óptimo del factor de carga, donde la eficiencia llega a su límite, en este punto se obtiene la máxima eficiencia.
Después de pasar el factor de carga óptimo, la eficiencia comienza a disminuir gradualmente. Esto se debe a que las pérdidas eléctricas aumentan, son proporcionales al cuadrado de la corriente y, en consecuencia, al cuadrado del factor de carga. La eficiencia máxima para transformadores de alta potencia (la potencia se mide en unidades de kVA o más) está en el rango de 98% a 99%, para transformadores de baja potencia (menos de 10 VA) la eficiencia puede rondar el 60%.
Como regla general, en la etapa de diseño, intentan fabricar transformadores de manera que la eficiencia alcance su valor máximo con un factor de carga óptimo de 0,5 a 0,7, luego, con un factor de carga real de 0,5 a 1, la eficiencia estará cerca de su máximo. Con reducción factor de potencia (coseno phi) de la carga conectada al devanado secundario, la potencia de salida también disminuye, mientras que las pérdidas eléctricas y magnéticas permanecen sin cambios, por lo tanto, la eficiencia en este caso disminuye.
El modo óptimo de operación del transformador, es decir. modo nominal, generalmente se configuran de acuerdo con las condiciones de funcionamiento sin problemas y de acuerdo con el nivel de calentamiento permitido durante un cierto período de funcionamiento.Esta es una condición extremadamente importante para que el transformador, mientras entrega la potencia nominal mientras opera en el modo nominal, no se sobrecaliente.