En un transformador real la reluctancia R* del circuito magnético no es nula, por lo que hace falta superar las pérdidas que ésta ocasiona para poder inducir el flujo magnético en el núcleo. La corriente de excitación es la que garantiza que se superen las pérdidas y se establezca este flujo.
*La reluctancia R es la resistencia que el circuito magnético (núcleo) opone a la conducción del flujo magnético por él.
Un transformador funciona en vacío si el devanado secundario del mismo no tiene ninguna carga conectada y se encuentra abierto (figura 1).
Figura 1: Transformador conectado en vacío
Leyenda de la figura 1:
(1) U1 Tensión de alimentación
Al conectar el primario del transformador (en vacío) a una tensión alterna, U1, comienza a circular una corriente, que se denomina de vacío io, o de excitación, por el devanado primario.
(2) I0 Corriente de vacío o excitación
La circulación de la corriente de excitación aparece como consecuencia de las pérdidas del núcleo que deben vencerse para poder inducir el flujo magnético alterno en el hierro, según marca la Ley de Ampere.
(3) F Flujo magnético
El flujo alterno que se canaliza en el núcleo induce, a su vez, una f.e.m. en los devanados primario y secundario, que se oponen a la circulación de la corriente de excitación (Ley de Faraday y Lenz).
Figura 2: Ciclo de Histéresis del núcleo y corriente de excitación
Leyenda de la figura 2:
(1) La corriente de excitación depende de las propiedades magnéticas del núcleo. En la práctica, la saturación y la histéresis del núcleo hacen que la corriente de excitación difiera de la forma de onda del flujo, apareciendo armónicos de corriente.
(2) La saturación del núcleo provoca la forma acampanada de la intensidad de vacío, siempre que se trabaje por encima del codo de saturación.
(3) La histéresis del núcleo provoca la asimetría de la onda y su deformación lateral.
Normativa
¿Qué armónicos de la corriente de excitación se han de comprobar?
Prescripción IEC 60076
La medición de las armónicas de orden superior puede ser objeto de un acuerdo fabricante-cliente.
Por lo general, se limita a la medición de las armónicas 3, 5 y 7."
A título de orientación, se dan valores, resultantes de análisis, en tantos por cientos referidos a la onda fundamental:
Tercera armónica: 10 a 60 % de I1n
Quinta armónica: 0 a 60 % de I1n
Séptima armónica: 0 a 20 % de I1n
Órdenes de magnitud de la corriente de excitación
Figura 3: Componentes de la corriente de excitación
La componente fundamental, (i0)1, se denomina onda senoidal equivalente. Esta onda está ligeramente desfasada de la onda del flujo φ. En particular, el flujo está desfasado 90º de la tensión U y la senoidal equivalente de i0 sólo está desfasada un ángulo ϕ0 o 90º de la tensión.
Debido a este desfase no cuadrático respecto la tensión, la onda senoidal equivalente puede descomponerse en dos componentes:
· Una componente activa iFe, en fase con la tensión de entrada.
· Una reactiva (i0)3, en fase con el flujo y en cuadratura con la tensión.
Influencia del instante de conexión del transformador
La conexión de un transformador a su tensión nominal u1n puede dar lugar a un período transitorio en el que la corriente de excitación (o de vacío) del transformador puede alcanzar valores hasta 100 veces superiores a lo habitual. Este fenómeno puede confundirse con una corriente de cortocircuito y suele hacer actuar las protecciones del transformador de forma reiterada.
Dos factores contribuyen a que aparezca tal fenómeno:
· El instante de la conexión.
· El flujo remanente existente en el núcleo.
Proceso de conexión
Se conecta la tensión senoidal de la red, u1(t), al transformador, coincidiendo con el ángulo de desfase de la senoide:
La magnitud máxima a la que llegará el flujo magnético en el primer semiciclo de conexión dependerá del ángulo de fase ⍺.
La constante de integración ჶc es un flujo transitorio que decae rápidamente como resultado de las pérdidas por corrientes parásitas y las pérdidas por efecto Joule en los devanados. El valor de ჶc al conectar el transformador depende de la existencia de un posible flujo remanente en el transformador ( ჶR).
De esta forma para t = 0 ჶc valdrá:
Finalmente, el flujo en el núcleo vendrá dado por:
El peor caso
El peor caso corresponde a realizar la conexión coincidiendo con el mínimo de tensión y derivada ascendente (⍺= 0). En este caso:
El flujo parte inicialmente de valor nulo (o valor ჶR si hubiese) y comienza a crecer rápidamente para alcanzar al final del primer semiciclo ( w.t = 180º) su valor máximo:
En la práctica, el valor del flujo remanente puede llegar a ser de hasta 0,5 Fmax, de tal forma que la punta de flujo máxima puede ser de 2,5 Fmax.
La aparición de un flujo tan elevado se traduce, teniendo en cuenta la curva imanación del material, en una corriente de excitación que puede llegar a valer más de 100 veces su valor en régimen permanente. Si se considera que la corriente de excitación suele ser del orden del 5% al 8% de la corriente nominal, está claro que se alcanzarán corrientes instantáneas de 5 a 8 veces la nominal del transformador, lo que provocará fuerzas electrodinámicas en los devanados del orden de 52 a 82, es decir, de 25 a 64 veces las del régimen a plena carga.
Generalmente no es práctico tratar de conectar un transformador en un tiempo predeterminado dentro del ciclo de voltaje. El valor del ángulo ⍺ es entonces más bien aleatorio y un transformador puede o no sufrir una gran irrupción de corriente cuando se conecta inicialmente.
Una gran irrupción de corriente va acompañada de un zumbido súbito de 120 Hz, que se origina principalmente por magnetoestricción del núcleo.
Debido al valor no nulo de la resistencia del devanado primario, la corriente transitoria de conexión se amortigua rápidamente al cabo de unos pocos ciclos alcanzando su valor normal. Es por ello que al tratarse de corrientes de poca duración, se tengan que utilizar protecciones que no actúen rápidamente, evitando la desconexión del disyuntor o interruptor automático principal.
El fenómeno de la corriente de conexión es tanto más pronunciado cuanto más saturable sea el núcleo del transformador.
Como se sabe, la forma de onda de las corrientes en caso de cortocircuito en el sistema de potencia es del tipo senoidal pura, acompañada de una componente continua que dependerá del instante en que se produce la falta, según el punto donde se encuentra la onda de tensión y la magnitud y ángulo de la impedancia del circuito.
En cambio, la intensidad magnetizante de conexión del transformador presenta la forma de onda muy distorsionada con picos en los vértices, para el semiciclo positivo y prácticamente sin intensidad en los semiciclos negativos, la composición de esta onda acusa un alto valor del 2º armónico con relación al resto.
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