Perdidas de Transformadores en vacío en el sector rural del Departamento de Puno

Perdidas de Transformadores en vacío en el sector rural del Departamento de Puno

Ing. Luis Alberto Arcos Salazar.

Introducción
El presente trabajo de investigación muestra el concepto teórico de la operación del los transformadores en vacío trifásicos y monofásicos en el sector rural del Sur andino, y lo compara con las costumbres propias de la zona con el fin de mejorar los criterios de selección en el diseño de transformadores en vacío recomendando la selección en el inmediato inferior de los intervalos de selección comercial de la potencia de transformadores trifásicos rurales.

Pérdidas de Transformador en vacío
Definición : Se llama  régimen de marcha en vacío de un transformador, al régimen de funcionamiento de este durante el cual el devanado primario del transformador  esta conectado a una red de corriente alterna con frecuencia f. Y el secundario esta abierto.

Pérdidas de Transformador  Monofásico
La corriente  en vacío de un transformador con acero no es sinusoidal, esta curva de corriente magnetizante puede ser descompuesta en una serie de armónicos, esta serie solo contiene armónicos de orden impar, primero, tercero, quinto, etc. Como se observa en la fig.1. Del comportamiento del transformador monofásico en vacío podemos decir lo siguiente :

El primer armónico de la corriente magnetizante coincide en fase con el flujo principal y por consiguiente esta retrasado 90 de la tensión primaria.
El armónico superior de corriente mas expresada es el tercero.
La influencia de los armónicos superiores quinto, séptimo. etc.  generalmente no se toman en cuenta que:
En un transformador monofásico donde :

Po = es la potencia
Ioa = es el valor eficaz de la componente activa de la corriente en vacío
V1 = Tensión en vacio
Po = U1Ioa

Así pues, La corriente en vacío de un transformador real tiene dos componentes :

  1. La componente magnetizante con el valor eficaz Ioa, que engendra el flujo magnético principal.
  2. La componente activa Ioa que esta en cuadratura con la primera componente , generalmente la corriente Ioa< 10 % de la corriente Io, por lo cual su influencia sobre la corriente en vacío es ínfima (menos del 0.5 %)

Pérdidas del transformador en Vacío monofásico
Durante el funcionamiento de un transformador en vacío se tienen las siguiente perdidas

  1. Perdidas en el cobre del primario Pcob = I^2*r
  2. Perdidas principales en el acero del núcleo Pac
  3. Perdidas adicionales en vacío Pad.
    Po = Pcob Pac Pad

El cálculo demuestra que es posible despreciar las perdidas en el cobre, ya que incluso en los transformadores de poca potencia con corriente Io y resistencia r1 relativamente grandes son generalmente menos del 2% de la suma de pérdidas en el vacío.

Las pérdidas en el vacío no se someten a calculo exacto, estas perdidas constituyen el 15-20% de las perdidas principales del acero.

Funcionamiento en vacío del transformador trifásico. La diferencia principal que existe entre el funcionamiento del transformador en vacío de un grupo de transformador y un transformador monofásico consiste en la ausencia de los tercero armónicos de corriente en el grupo del transformador .
La ausencia del tercer armónico en la curva de corriente en vacío el cual deforma la curva de flujo de acuerdo a la figura 1. este eleva en el mismo 45-60 % el valor máximo de la f.e.m. de fase y en un 10-17 % de su valor eficaz. Este aumento de la f.e.m es indeseable y en ciertos caso hasta peligroso.

En un transformador de tres columnas, los flujos de los terceros armónicos en todas las tres fases, así como las corrientes, coinciden en el tiempo, esto significa que los flujos de los terceros armónicos son en todo instante de igual valor  en las columnas del transformador,  todas tienen la misma dirección según la fig. 2

Aquí se ve que el flujo del tercer armónico de cualquier columna por ejemplo de la primera columna del núcleo del transformador, no puede cerrarse a través de la segunda columna (por eso la ausencia del tercer armónico en el modelo matemático para un trasformador que trabaja en vacío)  ni a través de la tercera columna, puesto que cada uno de estos chocara con otro flujo del tercer armónico dirigido en dirección contraria. Esto conduce a que las líneas del tercer armónico del flujo de la las tres fases salen del núcleo y se cierran a través de la culatas del transformador por medio del aire, este camino tiene gran reluctancia y por eso los flujos del tercer armónico son pequeños.

Los flujos del tercer armónico cerrándose por el aire, pulsan con una frecuencia de 3f. Y como es natural tienden a circular por el camino de menor resistencia, ósea, a través del las paredes de la cuba y de los tornillos de apriete, etc. Como resultado de esto aparecen en estas piezas, corrientes parásitas, que provocan calentamientos locales y que reducen el rendimiento del transformador .

Las investigaciones han demostrado que cuando las inducciones son del 1.4 T las pérdidas en la cuba constituyen el 17 % de las perdidas del núcleo, con el aumento de la inducción del núcleo en la columna crecen rápidamente las pérdidas de la cuba, incluso alcanzando el 50-65 % de las pérdidas del núcleo.

Comportamiento del transformador en vacío en el sector rural.
En el sector rural del Departamento de Puno, el 90 % de los pobladores, están en su lugar de origen solo los meses de siembre y de cosecha es decir existen 9 meses al año que el sector rural se encuentra abandonado ya sea por la migración a las ciudades o por la actividad agrícola de los pobladores en la costa, además de  que durante el día la gente se va al campo quedando las casas sin consumo de electricidad producto de la propia labor agrícola, por tanto los transformadores trabajan en vació el 83 % aprox al año generando con esto perdidas de energía.

Selección de los transformadores.
Cuando se seleccionan los transformadores trifásicos para el sector rural en el departamento de Puno se tienen que tomar producto de la integración del concepto teórico y el uso practico de la operación del transformador rural dos criterios.

  1. Si diseño del transformador es de 64 KVA  y existen comercialmente transformadores de 50 KVA y 75 KVA, No seleccionar el inmediato superior, como comúnmente se hacen con los conductores  cuyo inmediato superior garantiza la menor caída  de tensión y la mejor operación pues se reduce la perdidas, ni considerar también la diferencia de precio entre del de 75 KVA y el de 100 KVA, y comprar este ultimo pensando que con esto se garantiza la capacidad del transformador en el tiempo. Si no que se deberla multiplicarse por un factor de 0.83, quedando como valor real 53.12 KVA y seleccionar el mínimo inferior ósea 50 KVA.
  2. Que cuando un transformador trifásico trabaja en vacío las perdidas alcanzan el 55-65%, y que cuando el transformador trabaja sobrecargado las perdidas alcanzan el 8-12 %, por tanto conviene desde el punto de vista de operación del equipo escoger el mínimo inferior en la selección del equipo.

Conclusiones.
El transformador trifásico en vacío presente perdidas por el tercer armónico en vacío, mientras que el transformador monofásico en vacío no. Sin embargo la calidad de onda del mismo es distorsionada.
Es preferible seleccionar los transformador trifásico en el sector rural del Departamento de Puno en el mínimo inferior de los intervalos de potencia del mismo comerciales.

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