20 marzo 2011

Eficiencia energética en transformadores (2ª PARTE)




Ver 1ª PARTE

PÉRDIDAS EXTRA DEBIDAS A LOS ARMÓNICOS

En los últimos años, ha habido una creciente preocupación sobre la distorsión de armónicos y los efectos de los armónicos en los sistemas de potencia. Las redes de distribución están diseñadas para trabajar con la frecuencia de 50 Hz fundamental. Casi todas las industrias tienen cargas no lineales. Las cargas no lineales generan altos niveles de contenido de armónicos. Las cargas no lineales típicas incluyen:

  • Computadores.
  • Sistemas UPS.
  • Variadores de velocidad variables.
  • Inversores.
Las cargas no lineales en las industrias tienen una gran diferencia en circunstancias entre transformadores colocados en industrias y generadoras.

Las corrientes de armónicos causan pérdidas más altas en el transformador y por lo tanto la temperatura es más alta, lo cual afectará la vida útil de los transformadores. Las pérdidas extra dependen del espectro de armónicos en la corriente de carga.

Los armónicos triples (3rd, 9th, 15th, etc.) son la causa principal de calor debido a la corriente de fase que se añade en el conductor de neutro. La magnitud de la corriente de armónicos producida por los triples armónicos puede aproximarse dos veces a la corriente de fase. Esto causa que el conductor de neutro se sobrecaliente debido a que los conductors de neutro estuvieorn históricamente diseñados para la misma corriente que los conductores de fase.

Los transformadores se configuran con una conexión delta-triángulo para reducir los efectos de los armónicos triples se atrapan y circulan en el delta primario del transformador, Así el contenido de armónicos reflejado a la fuente (la red de medio-voltaje) se reduce. Los armónicos de circulación en el devanado conectado delta del transformador crea calor debido a sus altas frecuencias.

Siguiendo a los problemas con los armónicos triples un transformador alimentando un convertidor o unversor puede tener problemas con otros armónicos.

Pérdidas extra debidas a los armónicos

Las pérdidas extra proceden de lo siguiente:

Los componentes de frecuencia más alta en la corriente de carga (armónicos) cauan pérdidas extra debido a que los armónicos no penetran completamente el conductor. Se desplazan en el borde exterior del conductor. Esto se llama efecto piel. Cuando ocurre el efecto piel, el área de sección cruzada efectiva del conductor decrece, incrementando la resistencia y las pérdidas I2R, que sucesivamente calientan los conductores y todo lo que esté conectado a ellos.

Las corrientes de armónicos incrementan las corrientes de Foucault en el transformador. Las pérdidas de corriente de Foucault son la mayor preocupación cuando están presentes los armónicos, debido a que se incrementan aproximadamente con el cuadrado de la frecuencia. Las pérdidas sin carga son las pérdidas del núcleo del transformador, que son afectadas por armónicos solamente en relación a la distorsión de voltaje, no distorsión de corriente. Actualmente, el incremento en las pérdidas sin carga debido a que los armónicos son usualmente insignificantes Las corrientes de armónicos, sin embargo, afectan muy significativamente a las pérdidas de carga.


Pérdidas extra debido a los armónicos
ENVEJECIMIENTO TÉRMICO DE LOS TRANSFORMADORES

Ya que los armónicos introducen pérdidas extra y por lo tanto disipación de calor extra en los transformadores, los armónicos pueden tener una gran influencia en la vida útil del transformador.

La vida útil del transformador depende en un alto grado de eventos extraordinarios, tales como sobrevoltajes, cortocircuitos en el sistema y sobrecargas de emergencia. En este estudi solamente tomaremos en cuenta la temperatura del punto caliente del devanado, causado por armónicos en la corriente.

La consecuencia de una temperatura de punto caliente más alta en el devanado, causada por los armónicos, originará un riesgo de fallo prematuro. Este riesgo puede tener un carácter a corto plazo inmediato o provocar un deterioro acumulativo del transformador durante muchos años.

Transformadores sumergidos en aceite

Los transformadores sumergidos en aceite diseñados en conformidad con CEI 60076, la tasa relativa de envejecimiento térmico será igual a la unidad para una temperatura de punto caliente de 98 ºC, que correspone a la operación en  una temperatura ambiente de 20 ºC y la temperatura de un punto caliente se eleva de 78 K.

De esta forma los transformadores sumergidos en aceite doblan la edad cada incremento de aproximadamente 6 K. Si la carga y la temperatura ambiente son constantes durante un periodo, la pérdida de vida relativa (L) es igaul a L = V x t, siendo t el periodo en consideración. Un valor por encima de 1 significa que las pérdidas durante la vida útil son superiores a lo esperable.

En este informe la temperatura del punto caliente máxima permitida para los transformadores sumergidos en aceite se toman como 140 ºC.

Transformadores de tipo seco

Para los transformadores de tipo seco diseñados en conformidad con CEI 60726, el uso durante la vida diaria debido a efectos térmicos se calcula a una temperatura ambiente de 20 ºC. Para transformadores de tipo seco, el envejecimiento relativo se dobla con cada incremento de aproximadamente 10 K.

En este informe la temperatura máxima permitida para un transformador de tipo seco es de 190 ºC.

Evaluación de pérdidas

El coste total a la propiedad de un transformador consiste en varios componentes, incluyendo el precio de compra, el valor del precio de la energía, los costes de mantenimiento y reparación a lo largo de la vida útil, y el coste de desmantelamiento. El precio de compra y las pérdidas de energía se deben a los dos factores clave para la comparación de los diferentes transformadores.

En la industria es muy común que los transformadores sean parte de un proyecto clave. El contratista a menudo se interesa en un transformador con un precio de compra bajo. El contratista está a menudo interesado en un transformador con un precio de compra bajo. Sin embargo el usuario/propietario del transformador se propone comprar el transformador más barato, es decir, con los costes para la propiedad más bajos, que cumplen con los requerimientos de una aplicación dada.

Cuando se comparan dos transformadores con diferentes precios de compra y/o diferentes pérdidas, debemos tener en cuenta tanto el precio de compara como el coste de las pérdidas durante la vida útil del transformador. Los costes pueden convertirse en el momento de compra asignando valores de capital. Cuando los transformadores se comparan con respecto a las pérdidas de energía, se realiza el proceso de evaluación de pérdidas.

En el proceso de evaluación de pérdidas se necesitan tres cifras:
  • Precio de carga.
  • Pérdida de carga.
  • Pérdida sin carga.
Para la pérdida de carga especificada de un transformador, el comprador puede asignar una cifra de coste por kW de pérdida representando el valor capitalizado (valor presente neto) de las pérdidas de carga a lo largo de toda la vida del transformador o en una escala más corta, por ejemplo, 5 o 10 años.

De forma similar, para las pérdidas sin carga del transformador, el comprador puede asignar un coste por kW de pérdida sin carga representando el valor capitalizado de las pérdidas sin carga. La cifra de coste se basa también en el coste promedio por kWh y la tasa de interés elegida por el comprador. Como casi todos los transformdores se conectan a la red durante el 100 % del tiempo, y las pérdidas sin carga son independientes de la carga, la curva de carga no es relevante. El coste promedio por kWh tenderá a ser más bajo que para las pérdidas de carga, ya que la última tenderá a coincidir con las cargas pico, en las cuales la energía es muy cara.

Si se eligen altos valores de capitalización para pérdidas, los transformadores con bajas pérdidas pero con altos costes de inversión tienden a ser favorecidos.

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- Cómo ahorrar costes en transformadores eficientes.
- Eficiencia energética en pequeños transformadores.

Bibliografía:  Hulshort, Groeman, Kema. Energy saving in industrial distribution transformers.
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