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MC-A5 · Eficiencia y regulación de tensión

Eficiencia y regulación de tensión

Las dos pérdidas de un transformador son de naturaleza distinta. La pérdida en el hierro es una pérdida fija que no depende de la carga, y la pérdida en el cobre es una pérdida variable que crece con el cuadrado de la carga, así que cambia la carga y encuentra por tu cuenta la condición en que el rendimiento llega a su máximo.

¿A qué carga es máxima la eficiencia?

En la gráfica, la recta horizontal es la pérdida en el hierro (1 kW), que no depende de la carga, y la parábola es la pérdida en el cobre (4 kW a carga nominal), que crece con el cuadrado de la carga. Al mover el índice de carga con el control, los puntos sobre las dos curvas de pérdida se mueven juntos, y en la carga donde se cruzan las dos curvas hay una línea discontinua dorada (ηmax). Por qué el rendimiento es máximo con esa carga es la pregunta de esta lección.

Fracción de carga mm = 0.90
El control cambia el índice de carga de forma continua. Donde se cruzan las dos pérdidas está el máximo.
Eficiencia y las dos pérdidas
η = 95.5% · Pcu=3.24 / Pfe=1.00 kW
La carga está lejos del punto de rendimiento máximo. Las pérdidas en el cobre y en el hierro difieren mucho, y una de ellas hunde el rendimiento.
Desalineado

Pérdida fija y variable

La pérdida en el hierro se produce en la rama de excitación en derivación. Una vez fijadas la tensión y la frecuencia, el flujo queda fijado, y las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas que fija el flujo aparecen incluso con carga 0, así que es una pérdida fija que no depende de la carga. La pérdida en el cobre se produce en la resistencia del devanado de la rama en serie, en proporción al cuadrado de la corriente de carga, y con un índice de carga m vale m² veces la pérdida nominal en el cobre. La pérdida en el hierro se reduce apilando chapas delgadas de acero al silicio para cortar los caminos de las corrientes parásitas o usando núcleos amorfos, y la pérdida en el cobre, con conductores más gruesos.

ObservaPcu(m) = m² Pcu
La pérdida en el cobre es una pérdida variable que crece con el cuadrado del índice de carga.

La condición de máxima eficiencia

El rendimiento es la salida dividida entre la suma de la salida y las pérdidas. Con un índice de carga m, η = mScosφ / (mScosφ + Pfe + m²Pcu). Al derivar respecto de m y buscar dónde la derivada vale 0 se obtiene Pfe = m²Pcu, es decir, la condición de que las pérdidas fija y variable sean iguales, y al despejar resulta el índice de carga de rendimiento máximo m = √(Pfe / Pcu). Con los valores de la figura, ese punto es la mitad de la carga nominal.

Eligemax η: Pfe = ?
El rendimiento máximo se da donde pérdida variable = pérdida fija.
Completam = √(?)
Al despejar el índice de carga sale la raíz cuadrada del cociente entre las pérdidas en el hierro y en el cobre.

La regulación viene de la caída serie

Cuando la corriente de carga pasa por la impedancia en serie, la tensión del lado de la carga baja respecto de su valor en vacío. La proporción de ese cambio es la regulación de tensión, que se aproxima como ε ≈ p cosφ + q sinφ, donde p es la caída porcentual en la resistencia y q la caída porcentual en la reactancia. Con factor de potencia inductivo (en retraso) la tensión baja y la regulación es positiva; con factor de potencia capacitivo (en adelanto) la tensión puede incluso subir y la regulación volverse negativa.

Por tu cuentaε = p cosφ + ?
La regulación de tensión se compone de la caída en la resistencia y la caída en la reactancia.

De vuelta a la primera pantalla

El rendimiento llegó a su máximo en la carga donde se cruzan las dos curvas de pérdida. La pérdida en el hierro es plana y no depende de la carga, mientras que la pérdida en el cobre crece con el cuadrado de la carga y se iguala a la del hierro en cierta carga; justo en ese punto la pérdida respecto a la salida es mínima y el rendimiento, máximo. Expresado con el índice de carga, m = √(Pfe / Pcu), la carga a la que las pérdidas variable y fija son iguales. Los transformadores de distribución trabajan con poca carga la mayor parte del día, así que se construyen con poca pérdida en el hierro para situar este máximo por debajo de la carga nominal y subir el rendimiento diario, medido con la energía de todo un día. Por otro lado, la caída de tensión en la misma impedancia en serie aparece como la regulación de tensión ε ≈ p cosφ + q sinφ.

La eficiencia: η = salida / (salida + pérdida del núcleo + del cobre). La del cobre va con el cuadrado de la carga (m²Pcu); la del núcleo es fija. La máxima eficiencia ocurre en m²Pcu = Pfe, es decir pérdida variable = fija, a la fracción m = √(Pfe / Pcu). La regulación de la caída serie es ε ≈ p cosφ + q sinφ, positiva en atraso y a veces negativa en adelanto.
Cerrando el grupo A

Con esto se cierran los circuitos magnéticos y los transformadores. Leímos el flujo con la ley de Ohm magnética (A1), vimos la energía acumulada en él (A2), intercambiamos tensión y corriente por la relación de vueltas (A3), recogimos las no idealidades en un circuito equivalente (A4) y calculamos el rendimiento desde las pérdidas (A5). El grupo B es la máquina de CC, que crea rotación sobre el mismo circuito magnético. Empieza por cómo el colector convierte CA en CC.