Operación de transformadores de potencia para cargas activas, inductivas y capacitivas
Un transformador es una máquina eléctrica que convierte la corriente alterna de un voltaje en corriente alterna de otro voltaje. El principio de funcionamiento del transformador se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética.
Las primeras redes de transmisión de energía eléctrica utilizaban corriente continua. La tensión en las redes depende de la capacidad de aislamiento de los materiales utilizados y suele ser de 110 V.
Con el aumento de la potencia de transmisión de las redes, se hizo necesario aumentar la sección transversal de los cables para que las pérdidas de tensión se mantuvieran dentro de los límites permisibles.
Y solo la invención del transformador hizo posible generar económicamente energía eléctrica en grandes centrales eléctricas, transmitirla a alto voltaje a largas distancias y luego reducir el voltaje a un valor seguro antes de entregar electricidad a los consumidores.
Sin transformadores, las estructuras de la red eléctrica actual con sus niveles de voltaje alto y ultra alto, medio y bajo simplemente no serían posibles. Los transformadores se utilizan tanto en redes eléctricas monofásicas como trifásicas.
La operación de un transformador de potencia trifásico varía mucho según la carga que esté operando: activa, inductiva o capacitiva. En condiciones reales, la carga del transformador es una carga activa-inductiva.
Figura 1 — Transformador de potencia trifásico
1. Modo de carga activa
En este modo, la tensión del devanado primario está cerca de la nominal U1 = U1nom, la corriente del devanado primario I1 está determinada por la carga del transformador y la corriente secundaria está determinada por la corriente nominal I2nom = P2 / U2nom.
De acuerdo con los datos de medición, la eficiencia del transformador se determina analíticamente:
Eficiencia = P2 / P1,
donde P1 es la potencia activa del devanado primario del transformador, P2 es la potencia suministrada al circuito de alimentación por el devanado secundario del transformador.
La dependencia de la eficiencia del transformador en función de la corriente relativa del devanado primario se muestra en la figura 2.
Figura 2 — Dependencia de la eficiencia del transformador en la corriente relativa del devanado primario
En el modo de carga activa, el vector de corriente del devanado secundario es coextensivo con el vector de voltaje del devanado secundario, por lo tanto, un aumento en la corriente de carga provoca una disminución en el voltaje en las terminales del devanado secundario del transformador.
En la Figura 3 se muestra un diagrama vectorial simplificado de las corrientes y voltajes para este tipo de carga de transformador.
Figura 3 — Diagrama vectorial simplificado de voltajes y corrientes de carga activa del transformador
2. Modo de funcionamiento para carga inductiva
En el modo de carga inductiva, el vector de corriente del devanado secundario se retrasa 90 grados con respecto al vector de voltaje del devanado secundario. Una disminución en el valor de la inductancia conectada al devanado secundario del transformador hace que aumente la corriente de carga, lo que resulta en una disminución en el voltaje secundario.
En la Figura 4 se muestra un diagrama vectorial simplificado de las corrientes y voltajes para este tipo de carga de transformador.
Figura 4 — Diagrama vectorial simplificado de corrientes y voltajes de transformadores en modo de carga inductiva
3. Modo de funcionamiento con carga capacitiva
En el modo de carga capacitiva, el vector de corriente del devanado secundario está 90 grados por delante del vector de voltaje del devanado secundario. Un aumento en la capacitancia conectada al devanado secundario del transformador hace que aumente la corriente de carga, lo que resulta en un aumento en el voltaje secundario.
En la Figura 5 se muestra un diagrama vectorial simplificado de las corrientes y voltajes para este tipo de carga de transformador.
Figura 5 — Diagrama vectorial simplificado de las corrientes y voltajes del modo de carga capacitiva del transformador