24 enero 2011

Eficiencia energética en transformadores (1ª PARTE)



Según un estudio realizado en 2002, las compañías industriales consumen la mitad de la electricidad en Europa, y ello supone que estén instaladas entre 100.000 y 150.000 unidades, totalizando entre 100 - 150 GVA. Las pérdidas totales se estimaban en 10 TWh/a.

El citado estudio, realizado en Holanda obtuvo los siguientes resultados:
  • El tamaño típico de los transformadores industriales es de 1000 - 4000 kVA, contrario a los transformadores públicos cuyo rango es de 50 - 1000 kVA.
  • La carga promedio de un transformador industrial es relativamente alta (30 - 100 % de la carga nominal).
  • Los transformadores más nuevos en la industria son a menudo de tipo seco en vez de sumergidos en aceite. Las pérdidas en estos transformadores de tipo seco son relativamente altas.
  • Ocurren también altos niveles de contaminación de armónicos de corriente de carga (esto causa pérdidas extra y un alto riesgo de envejecimiento).
En la siguiente figura vemos los resultados de consumo en los países de la OCDE. Las pérdidas de red suponen un 8 % de la capacidad de generación total.


Consumo de electricidad real y pérdidas de red en los países de la OCDE - 1997

A pesar de varias excepciones favorables, las políticas de compra industriales son relativamente no favorables para aplicaciones de transformadores de eficiencia energética, el precio de compra es un factor dominante sobre las pérdidas evaluadas.

Los estudios llevados a cabo muestran que hay un considerable potencial de ahorro energético en los transformadores de distribución industriales. Cuando se ordena un nuevo transformador, las industrias deben`poner atención en la evaluación de pérdidas, ya que puede ahorrarse mucho dinero, energía y emisiones de CO2 durante la vida útil. Este ahorro potencial es completamente factible económicamente.

Como a menudo es el caso en edificios de industrias y oficinas, la corriente de carga del transformador contiene distorsión de armónicos, es decir, por computadores y unidades electrónicas de potencia, las pérdidas de transformadores como lo hace el ahorro potencial de los transformadores eficientes ene energía.

Transformadores de distribución de energía en la industria

Aunque grandes industrias y edificios de oficinas obtienen su electricidad de las redes de medio y alto voltaje, la mayoría de la electricidad usada por las industrias se consume a nivel de bajo voltaje - la conversión a nivel de bajo voltaje se lleva a cabo en transformadores de distribución privados. A menudo los transformadores colocados en oficinas comerciales e industriales son transformadores similares a los transformadores de distribución en el sistema público de distribución. Las pérdidas de los transformadores de distribución en la industria se estiman en un 1 - 2 % del consumo de electricidad final total en Europa. Ya que estas pérdidas ocurren de forma privada en las redes de distribución, no aparecen en las estadísticas de las pérdidas de red.

Pérdidas en los transformadores

Un transformador de potencia normalmente consiste en un par de devanados, primario (HV) y secundario (LV), conectado por un circuito magnético o núcleo. Cuando un voltaje alterno se aplica a uno de estos devanados, generalmente el devanado de HV, una pequeña corriente fluirá y establecerá un flujo magnético alternativo en el núcleo. Este flujo alternativo, conectado a ambos devanados, induce un voltaje en cada uno de ellos. La corriente que está fluyendo es la situación en la situación en la que ambos devanados no están cargados, es la corriente de magnetización.

Describimos a continuación las pérdidas de los transformadores:

a) Pérdidas sin carga

Un transformador descargado experimenta pérdidas. La corriente de magnetización requerida para llevar al núcleo  a un ciclo alterno de flujo a una velocidad determinada por la frecuencia del sistema (50 Hz). Haciéndolo de esta forma la energía se disipa. Esta pérdida se conoce como pérdida del núcleo, pérdida sin carga o pérdida de hierro. Esta pérdida del núcleo está presente cuando el transformador está energizado. Así se representa una constante y por lo tanto se drena energía de forma significativa en cualquier sistema eléctrico. Adicionalmente, el flujo alternativo genera también fuerzas alternas en el núcleo de hierro y de aquí ruido.

La pérdidas del núcleo provienen de dos componentes: La primera, la pérdida de histéresis, es proporcional a la frecuencia y dependiente del área en el bucle de histéresis en el diagrama B-H, y por lo tanto característico del material y una función de la densidad del flujo pico. El segundo componente es la pérdida de corrientes parásitas que es dependiente del cuadrado de la frecuencia, el cuadrado del espesor del material y la resistividad.

La minimización de las pérdidas histéresis se consiguen aplicando un material que tenga un área mínima del bucle de histéresis, mientras que la minimización de las pérdidas de corriente de Foucault se consiguen construyendo el núcleo mediante láminas de finas láminas y alta resistividad.

b) Pérdidas de carga

La pérdida de carga de un transformador es la parte de pérdidas generadas por la corriente de carga varían con el cuadrado de la corriente de carga. Esto cae en tres categorías:

  • Pérdidas resistivas dentro de los conductores del devanado.
  • Pérdidas por corrientes de Foucault en los conductores del devanado.
  • Pérdidas por corrientes de Foucault en los tanques y trabajos de acero estructural.
Las últimas dos categorías se refieren también como "pérdidas extra".

Las pérdidas resistivas siguen la ley de Ohm y pueden decrecer decreciendo el número de curvas del devanado, incrementando el área transversal del giro del conductor, o mediante una combinación de ambos. Sin embargo, reduciendo el número de giros se requiere un incremento del flujo, es decir, un incremento en la sección transversal cruzada, lo cual aumenta el peso del hierro y las pérdidas de hierro. De esta forma se realiza una compensación entre las pérdicas con carga y las pérdidas sin carga.

Las corrientes de Foucault proceden del hecho de que no todo el flujo producido por un devanado va al otro devanado. Esta pérdida de flujo también lleva a la reactancia o impedancia de cortocircuito de un transformador. En el pasado, esta reactancia fue simplemente considerada una imperfección derivada de la existencia ineludible del flujo de pérdida. Actualmente, la impedancia del transformador es una herramienta valiosa para que el diseñador del sistema determine los niveles de fallo del sistema que cumplen las limitaciones económicas de la planta conectada.

La trayectoria de las corrientes de Foucault en los conductores del devanado es compleja. La magnitud de esta pérdida de flujo depende de la geometría y construcción del transformador. El efecto de las pérdidas de flujo dentro del devanado del transformador resultan en la presencia de cambios de flujo axial y radial en cualquier punto dado en el espacio y cualquier momento en el tiempo. Estos inducen voltajes que originan un flujo de corriente perpendicular a los flujos que originan las pérdidas. La magnitud de estas corrientes puede ser reducida incrementando la resistencia de la trayectoria a través de la cual fluyen, y esto puede ser efectuado reduciendo el área de sección transversal del conductor del devanado, o subdividiendo este conductor en un gran número de hilos aislados entre sí (de la misma forma que laminando el acero del núcleo se reducen las pérdidas por corrientes de Foucault en el núcleo). Sin embargo, la anterior alternativa incrementa la resistencia del devanado y por lo tanto las fuerzas resistivas. A la inversa, si la sección transversal del conductor se incrementa con el objeto de reducir las pérdidas, uno de los resultados es incrementar las pérdidas de las corrientes de Foucault. Esto puede sólo ser compensado por la reducción en la sección transversal del hilo y un incremento en el número total de hilos. Es costoso bobinar un gran número de hilos en paralelo. Asimismo, el aislamiento extra resultante del número incrementado de hilos origina un factor del espacio del devanado más pobre. Es evidente que en un transformador teniendo una baja reactancia, las corrientes de Foucault del devanado son menos un problema que una reactancia alta.

En flujos de corrientes muy altos (1000 A) generados en los conductores principales pueden elevarse pérdidas de corrientes de Foucault en el tanque adyacente a éstas. Debido al flujo de pérdidas hay también pérdidas de corriente de eddy en tanques y acero estructural interno.

Continua en 2ª PARTE
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