Qué es la eficiencia del transformador y su derivación

Al igual que una máquina eléctrica, la eficiencia del transformador también se define como la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada (eficiencia = salida/entrada). Los dispositivos eléctricos, como los transformadores, son dispositivos muy eficientes. Sabemos que hay diferentes tipos de transformadores disponibles en el mercado en función de la aplicación, donde la eficiencia a plena carga de estos transformadores oscila entre el 95% y el 98,5%. Cuando un transformador es altamente eficiente, tanto la entrada como la salida tienen casi el mismo valor. Por tanto, no es práctico calcular la eficiencia del transformador utilizando la salida/entrada. Por ello, este artículo trata de una visión general de la eficiencia del transformador.

¿Qué es la eficiencia del transformador?

La eficiencia del transformador puede definirse como la intensidad o la cantidad de pérdida de potencia dentro de un transformador. Por tanto, es la relación entre la potencia de salida del devanado secundario y la potencia de entrada del devanado primario. La eficiencia puede escribirse de la siguiente manera

Eficiencia (η) = (Potencia de salida/Potencia de entrada) X 100

Generalmente, la eficiencia se puede denotar con "η". La ecuación anterior es adecuada para un transformador ideal, siempre que no haya pérdidas en el transformador y que toda la energía de la entrada se traslade a la salida.

Por lo tanto, si se tienen en cuenta las pérdidas del transformador y si se analiza la eficiencia del transformador en estados prácticos, se considera principalmente la siguiente ecuación.

Eficiencia = ((Potencia O/P) / (Potencia O/P + Pérdidas en el cobre + Pérdidas en el núcleo)) × 100%

O bien se puede escribir como Eficiencia = (Potencia i/p - Pérdidas) / Potencia i/p × 100

= 1- (Pérdidas/Potencia i/p) × 100

Así, toda la entrada, o/p, y las pérdidas se expresan principalmente en términos de potencia (vatios).

Potencia de un transformador

Siempre que se considere un transformador ideal sin pérdidas, la potencia del transformador será estable porque la tensión V multiplicada por la corriente I es estable.

Por tanto, la potencia en el primario es equivalente a la potencia en el secundario. Si la tensión del transformador aumenta, la corriente disminuirá. Del mismo modo, si la tensión disminuye, la corriente aumentará para que la potencia de salida se mantenga constante. Por tanto, la potencia del primario es igual a la del secundario.

P_Primaria = P_Secundaria

V_PI_Pcosϕ_P=V_SI_Scosϕ_S

Donde ∅_P & ∅_s son ángulos de fase tanto primarios como secundarios

Determinación de la eficiencia del transformador

Por lo general, la eficiencia de un transformador normal es extremadamente alta y oscila entre el 96% y el 99%. Por tanto, la eficiencia del transformador no puede decidirse con gran precisión midiendo directamente la entrada y la salida. La principal disimilitud entre las lecturas de entrada y salida y las de los instrumentos es muy pequeña, de modo que un error de los instrumentos provocará un error del orden del 15% en las pérdidas del transformador.

Además, no es conveniente ni caro incluir los dispositivos de carga esenciales de los valores nominales exactos de tensión y factor de potencia (PF) para cargar el transformador. También hay una gran cantidad de pérdidas de energía y no se puede obtener información de una prueba sobre el número de pérdidas del transformador, como el hierro y el cobre.

Las pérdidas del transformador pueden determinarse mediante un método preciso que consistiría en calcular las pérdidas a partir de las pruebas de cortocircuito y circuito abierto, para poder determinar la eficiencia

A partir de una prueba de circuito abierto, se puede determinar la pérdida en el hierro como P1 = P0 o Wo

A partir de la prueba de cortocircuito, se puede determinar la pérdida de cobre a plena carga como Pc = Ps o Wc

Pérdida de cobre en una carga x veces la carga completa = I2² R₀₂ => x² Pc

Eficiencia del transformador (η) = V₂I₂ CosΦ / V₂I₂ CosΦ + Pi + x² Pc

En la ecuación anterior, el resultado de las lecturas de los instrumentos puede limitarse simplemente a las pérdidas, de modo que la eficiencia global que se puede obtener de ella es muy precisa en comparación con la eficiencia obtenida mediante la carga directa.

Condición de máxima eficiencia de un transformador

Sabemos que la pérdida de cobre = I12R1

Pérdida de hierro = Wi

Eficiencia = 1- Pérdidas/Ingreso

= 1- (I12R1 + Wi/ V1 I1 CosΦ1)

= 1 - (I1 R1/V1 I1 CosΦ1) - (Wi/ V1 I1 CosΦ1)

Diferencia la ecuación anterior con respecto a I1

dη/dI1 = 0 - (R1/V1CosΦ1) + (Wi/ V1 I12 CosΦ1)

La eficiencia será alta en dη/dI1 = 0

Por lo tanto, la eficiencia del transformador será alta a

R1/V1CosΦ1 = Wi/ V1 I12 CosΦ1

I12R1/V1I12 CosΦ1 = Wi/ V1 I12 CosΦ1

I12R1 = Wi

Por lo tanto, el rendimiento del transformador será elevado una vez que las pérdidas de cobre y de hierro sean equivalentes.

Eficiencia de todo el día

Como hemos comentado anteriormente, el rendimiento ordinario del transformador puede darse como

Eficiencia ordinaria del transformador = Salida (vatios)/Entrada (vatios)

Sin embargo, en algunos tipos de transformadores, su rendimiento no puede depender de su eficiencia. Por ejemplo, en los transformadores de distribución, sus primarios siempre están energizados. Sin embargo, sus devanados secundarios suministran una ligera carga la mayor parte del tiempo en un día

Una vez que los secundarios del transformador no suministran ninguna carga, sólo las pérdidas del núcleo del transformador son significativas y las pérdidas de cobre no están presentes.

Las pérdidas de cobre sólo son significativas cuando los transformadores están cargados. Por lo tanto, para estos transformadores, las pérdidas como las del cobre son en su mayoría menos importantes. Así que el rendimiento del transformador puede compararse en función de la energía utilizada en un solo día.

El rendimiento del transformador durante todo el día es siempre menor en comparación con el rendimiento normal del mismo.

Factores que afectan a la eficiencia de un transformador son los siguientes

• El efecto de calentamiento de la corriente en una bobina
• Efecto de calentamiento de la corriente inducida
• Magnetización del núcleo de hierro.
• Fuga de flujo

¿Cómo mejorar la eficiencia del transformador?

Hay diferentes métodos para mejorar la eficiencia de los transformadores, como el área de la espira, el aislamiento, la resistencia de las bobinas y el acoplamiento de flujo.

Área de bucle

Aislamiento

El aislamiento entre las chapas del núcleo debe ser ideal para evitar las corrientes parásitas.

Resistencia de la bobina primaria y secundaria

El material de las bobinas primarias y secundarias debe ser estable para que su resistencia eléctrica sea extremadamente pequeña.

Acoplamiento de flujo

Las dos bobinas del transformador deben estar bobinadas de manera que el acoplamiento de flujo entre las bobinas sea máximo, ya que la transferencia de potencia de una bobina a otra se producirá durante el acoplamiento de flujo.

Por lo tanto, se trata de una visión general de la eficiencia de el transformador. Los transformadores son dispositivos eléctricos con un alto rendimiento. Así, la eficiencia de la mayoría de los transformadores oscila entre el 95% y el 98,5%. He aquí una pregunta para ti, ¿cuáles son los diferentes tipos de transformadores disponibles en el mercado?