08 marzo 2013

Potencial de ahorro energético global de los transformadores de distribución de alta eficiencia (2ª PARTE)



Ver 1ª PARTE


Principios básicos de los transformadores de distribución

Un transformador de distribución consiste en un núcleo de hierro con un ramal para cada una de las fases.

Alrededor de cada ramal, hay dos devanados: uno con un número grande de vueltas conectado al lado del voltaje superior, y otra con un número más bajo conectado al voltaje inferior. Los devanados están separados por material aislante. Un cambio en el voltaje en un devanado induce un cambio en el otro. El resultado es que un voltaje alterno aplicado a un devanado produce un voltaje con la misma frecuencia en los terminales del otro, con el ratio de voltaje igual al ratio del número de vueltas (Ley de Faraday).

Transformadores refrigerados por aire respecto a refrigerados en aceite

Una de las principales subdivisiones en los transformadores de distribución de la forma como se refrigeran.  La mayoría de los transformadores se colocan en un tanque lleno de aceite. El aceite enfría y al mismo tiempo funciona como aislamiento eléctrico. El aceite enfría las espiras y al mismo tiempo funciona como aislamiento eléctrico.

En el pasado, los bifenilos policlorados (PCB) se consideraba como uno de los líquidos más convenientes para transformadores, debido a su alta resistencia al fuego y sus excelentes cualidades eléctricas. Los PCBs son sin embargo muy difíciles de descomponer, se acumulan en la cadena alimenticia y pueden ser un peligro para la salud pública. Adicionalmente, cuando se queman PCBs, las emisiones pueden contener dioxinas. Por ello, la mayoría de los países imponen programas para sacar de uso los transformadores con PCBs. Hoy en día, casi todos el aceite aislante de PCB se ha reemplazado por aceite mineral o silicio, o se usan transformadores secos.

Los transformadores refrigerados en aceite tienen la mayor eficiencia, pero no están permitidos en ambientes con alto riesgo de incendio. En aquellos lugares, se usan transformadores refrigerados por aire. La refrigeración por aire puede combinarse con una resina epoxi o papel impregnado para aislamiento eléctrico.
Si se instala un transformador seco en un edificio, el calor debe ser disipado. La convección natural puede tener que ser suplementada por una refrigeración forzada, es decir, un ventilador.

Redes de distribución pública respecto a industriales

Hay algunas diferencias principales entre los transformadores de distribución en redes de distribución públicas, locales comparadas con las redes industriales privadas:

  • Los transformadores industriales tienen una mayor capacidad; típicamente 1000 – 4000 kVA, mientras que el rango de los transformadores públicos generalmente va de 15 a 1000 kVA.
  • En general, la carga promedio de un transformador de distribución industrial es más alto que para un transformador de distribución de red pública.
  • En la industria, los transformadores secos son con mucho más comunes que en las redes de distribución pública.
  • En la industria, ocurren frecuentemente altos niveles de contaminación de armónicos de la carga.
  • La población de transformadores de la industria es más joven.
  • Las fluctuaciones de carga son más bajas con transformadores industriales.
Pérdidas en transformadores

Hay tres tipos diferentes de pérdidas:
  1. Pérdidas sin carga (también llamadas pérdidas en el hierro o pérdidas del núcleo): Causado por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo. Está presente cuando el transformador está conectado, e independiente de la carga. Representa una constante, y por lo tanto significativo, drenaje de energía.
  2. Pérdida de carga (o pérdida de cobre o pérdida de cortocircuito): Causado por las pérdidas resistivas en devanados y leads, y por las corrientes parásitas en las partes de acero estructural y los devanados. Varía con el cuadrado de la corriente de carga.
  3. Pérdida de refrigeración (sólo en transformadores con refrigeración de ventilador): Causado por el consumo de energía de un ventilador. Estas pérdidas pueden evitarse si la temperatura operacional se mantiene baja.

Una estimación de la pérdida de energía total puede calcularse de:

Donde:

·         Po es la pérdida sin carga (kW).
·         Pk es la pérdida con carga (kW).
·         I es la carga promedio rms del transformador.
·         8760 es el número de horas en un año.

Mejorando la eficiencia

Para reducir las pérdidas en los transformadores, pueden adaptarse dos elementos: núcleo y devanado. El diseño del transformador es complejo, con muchas características de los transformadores de distribución especificados en las normas internacionales.

Pérdidas sin carga

Las pérdidas sin carga pueden reducirse seleccionando acero de alto rendimiento para el núcleo. Ver la siguiente figura. A lo largo de los años se han desarrollado mejores aceros para los núcleos de los transformadores.


Además de la elección del acero, la forma como los núcleos del transformador de distribución se diseña, cortan, fabrican y ensamblan, juegan un papel importante en la eficiencia energética. Incrementando el tamaño del núcleo se reduce la densidad del campo magnético, y de esta forma se mejora la eficiencia energética.

El hierro amorfo merece una mención especial. Los transformadores de distribución construidos con núcleos de hierro amorfo pueden tener un 70 % menos de pérdidas sin carga comparado con los diseños convencionales, y se alcanza una eficiencia de hasta el 99,7 % para las unidades de 1000 kVA.

Pérdidas de carga

Las pérdidas de carga son proporcionales al cuadrado de la corriente de carga, así podemos siempre considerar cómo está cargada la unidad a lo largo del tiempo. Las pérdidas de carga pueden reducirse incrementando la sección en los devanados. Esto reduce la densidad de corriente y en consecuencia las pérdidas, aunque a mayor coste de construcción.

Los materiales para los devanados no han experimentado las mismas mejoras en los últimos años que se han visto en el acero del núcleo. Sin embargo, los procesos de laminación en frío que se han introducido para producción de tiras, pueden llevar a una calidad consistente.

El proceso del devanado de las espiras del conductor y sus ajustes en el núcleo tienen una gran influencia en la eficiencia energética de un transformador. Es un proceso intensivo en mano de obra que requiere trabajadores cualificados. El devanado mecanizado, bajo control del operador, se incrementa especialmente en tamaños más pequeños.

Otra interesante tecnología en términos de eficiencia es el transformador con devanados superconductores, refrigerados con nitrógeno. Son mucho más caros que los tipos convencionales pero parece ser una tecnología prometedora para aplicaciones especializadas.

Normas de eficiencia del transformador

Adicionalmente a la división principal en los transformadores entre tipos sumergidos en aceite y refrigerados por aire (o secos), se hacen subdivisiones de acuerdo con su localización – montado en pole o tierra; monofásico o trifásico.

Bibliografía

The Potential for Global Energy Saving from High Efficiency Distribution Transformers. February, 2005. Leonardo Energy
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