Perturbación magnética de transformadores imperfectamente acoplados.
La inductancia de fuga se deriva de la propiedad eléctrica de un transformador acoplado imperfectamente por el cual cada devanado se comporta como una autoinductancia en serie con la constante de resistencia óhmica respectiva del devanado . Estas cuatro constantes de devanado también interactúan con la inductancia mutua del transformador . La inductancia de fuga del devanado se debe a que el flujo de fuga no se conecta con todas las vueltas de cada devanado acoplado imperfectamente.
La inductancia de fuga depende de la geometría del núcleo y de los devanados. La caída de voltaje a través de la reactancia de fuga da como resultado una regulación de suministro a menudo indeseable con cargas variables del transformador. Pero también puede resultar útil para el aislamiento armónico ( atenuación de frecuencias más altas) de algunas cargas. [3]
La inductancia de fuga se aplica a cualquier dispositivo de circuito magnético acoplado imperfectamente, incluidos los motores . [4]
Inductancia de fuga y factor de acoplamiento inductivo.
Fig. 1 L P σ y L S σ son inductancias de fuga primaria y secundaria expresadas en términos de coeficiente de acoplamiento inductivo en condiciones de circuito abierto.
El flujo del circuito magnético que no interconecta ambos devanados es el flujo de fuga correspondiente a la inductancia de fuga primaria L P σ y a la inductancia de fuga secundaria L S σ . Con referencia a la Fig. 1, estas inductancias de fuga se definen en términos de inductancias de circuito abierto del devanado del transformador y el coeficiente de acoplamiento o factor de acoplamiento asociado . [5] [6] [7]
La autoinductancia primaria en circuito abierto está dada por
------ (Ecuación 1.1a)
dónde
------ (Ecuación 1.1b)
------ (Ecuación 1.1c)
y
es la autoinductancia primaria
es la inductancia de fuga primaria
es la inductancia magnetizante
es el coeficiente de acoplamiento inductivo
Medición de inductancias básicas de transformadores y factor de acoplamiento
Las autoinductancias del transformador y la inductancia mutua están, en la conexión en serie aditiva y sustractiva de los dos devanados, dada por, [8]
en conexión aditiva,
, y,
en conexión sustractiva,
de modo que estas inductancias del transformador se puedan determinar a partir de las siguientes tres ecuaciones: [9] [10]
.
El factor de acoplamiento se deriva del valor de inductancia medido en un devanado con el otro devanado en cortocircuito de acuerdo con lo siguiente: [11] [12] [13]
Por ecuación. 2.7 ,
y
tal que
El circuito de puente Campbell también se puede utilizar para determinar las autoinductancias y la inductancia mutua del transformador utilizando un par de inductores mutuos estándar variable para uno de los lados del puente. [14] [15]
Por lo tanto, se deduce que la autoinductancia en circuito abierto y el factor de acoplamiento inductivo están dados por
------ (Ec. 1.2) , y,
, con 0 < < 1 ------ (Ec. 1.3)
dónde
y
es la inductancia mutua
es autoinductancia secundaria
es la inductancia de fuga secundaria
es la inductancia magnetizante referida al secundario
es el coeficiente de acoplamiento inductivo
[a] es la relación de vueltas aproximada
La validez eléctrica del diagrama del transformador en la Fig. 1 depende estrictamente de las condiciones de circuito abierto para las respectivas inductancias de devanado consideradas. Las condiciones del circuito más generalizadas se desarrollan en las dos secciones siguientes.
Factor de fuga inductiva e inductancia.
Un transformador lineal de dos devanados no ideal se puede representar mediante dos bucles de circuito acoplados por inductancia mutua que unen las cinco constantes de impedancia del transformador , como se muestra en la Fig. 2. [6] [16] [17] [18]
Fig. 2 Diagrama de circuito del transformador no ideal
dónde
M es inductancia mutua
& son resistencias del devanado primario y secundario
Las constantes , , , & se pueden medir en los terminales del transformador.
El factor de acoplamiento se define como
, donde 0 < < 1 ------ (Ec. 2.1)
La relación de espiras del devanado se da en la práctica como
------ (Ec. 2.2) . [19]
dónde
N P y N S son espiras de devanado primario y secundario.
v P & v S e i P & i S son voltajes y corrientes de devanado primario y secundario.
Las ecuaciones de malla del transformador no ideal se pueden expresar mediante las siguientes ecuaciones de enlace de flujo y voltaje, [20]
------ (Ecuación 2.3)
------ (Ecuación 2.4)
------ (Ecuación 2.5)
------ (Ecuación 2.6) ,
dónde
es enlace de flujo
es derivada del enlace de flujo con respecto al tiempo.
Estas ecuaciones se pueden desarrollar para mostrar que, ignorando las resistencias de los devanados asociados, la relación de las inductancias y corrientes de un circuito de devanado con el otro devanado en cortocircuito y en la prueba de circuito abierto es la siguiente, [21]
------ (Ecuación 2.7) ,
dónde,
i oc e i sc son corrientes de circuito abierto y de cortocircuito
L oc y L sc son inductancias de circuito abierto y cortocircuito.
es el factor de fuga inductiva o factor de Heyland [22] [23] [24]
& son inductancias de fuga en cortocircuito primarias y secundarias.
La inductancia del transformador se puede caracterizar en términos de las tres constantes de inductancia de la siguiente manera, [25] [26]
------ (Ecuación 2.8)
------ (Ecuación 2.9)
------ (Ecuación 2.10) ,
dónde,
Fig. 3 Circuito equivalente de transformador no ideal
L M es la inductancia magnetizante, correspondiente a la reactancia magnetizante X M
L P σ y L S σ son inductancias de fuga primaria y secundaria, correspondientes a las reactancias de fuga primaria y secundaria X P σ y X S σ .
El transformador se puede expresar más convenientemente como el circuito equivalente en la Fig. 3 con las constantes secundarias referidas (es decir, con notación de superíndice primo) al primario, [25] [26]
.
Fig. 4 Circuito equivalente de transformador no ideal en términos de coeficiente de acoplamiento k [27]
Desde
------ (Ecuación 2.11)
y
------ (Ecuación 2.12) ,
tenemos
------ (Ecuación 2.13) ,
lo que permite la expresión del circuito equivalente en la Fig. 4 en términos de fuga del devanado y constantes de inductancia magnetizante de la siguiente manera, [26]
Fig. 5 Circuito equivalente de transformador no ideal simplificado
------ (Ec. 2.14 Ec. 1.1b)
------ (Ec. 2.15 Ec. 1.1c) .
El transformador no ideal de la Fig. 4 se puede mostrar como el circuito equivalente simplificado de la Fig. 5, con constantes secundarias referidas al primario y sin aislamiento ideal del transformador, donde,
------ (Ecuación 2.16)
es una corriente magnetizante excitada por el flujo Φ M que une los devanados primario y secundario
es la corriente primaria
es la corriente secundaria referida al lado primario del transformador.
Factor de fuga inductivo refinado
Derivación refinada del factor de fuga inductiva
a. Por ecuación. 2.1 y IEC IEV 131-12-41 el factor de acoplamiento inductivo viene dado por
--------------------- (Ec. 2.1) :
b. Por ecuación. 2.7 y IEC IEV 131-12-42 El factor de fuga inductiva viene dado por
------ (Ecuación 2.7) y (Ecuación 3.7a)
C. multiplicado por da
----------------- (Ec. 3.7b)
d. Por ecuación. 2-8 y sabiendo que
---------------------- (Ec. 3.7c)
mi. multiplicado por da
------------------ (Ec. 3.7d)
F. Por ecuación. 3,5 ecuaciones. 1.1b y ecuación. 2.14 y la ecuación. 3.6 Ec. 1.1b y ecuación. 2.14:
--- (Ec.3.7e)
Todas las ecuaciones de este artículo asumen condiciones de forma de onda de frecuencia constante en estado estacionario cuyos valores & son adimensionales, fijos, finitos y positivos, pero menores que 1.
Con referencia al diagrama de flujo en la Fig. 6, se cumplen las siguientes ecuaciones: [28] [29]
Fig. 6 Magnetización y flujo de fuga en un circuito magnético [30] [28] [31]
σ P = Φ P σ /Φ M = L P σ /L M [32] ------ (Ec. 3.1 Ec. 2.7)
Del mismo modo,
σ S = Φ S σ' /Φ M = L S σ' /L M [33] ------ (Ec. 3.2 Ec. 2.7)
Y por lo tanto,
Φ P = Φ M + Φ P σ = Φ M + σ P Φ M = (1 + σ P )Φ M [34] [35] ------ (Ec. 3.3)
Φ S ' = Φ M + Φ S σ' = Φ M + σ S Φ M = (1 + σ S )Φ M [36] [37] ------ (Ec. 3.4)
L P = L M + L P σ = L M + σ P L M = (1 + σ P )L M [38] ------ (Ec. 3.5 Ec. 1.1b & Ec. 2.14)
L S ' = L M + L S σ' = L M + σ S L M = (1 + σ S )L M [39] ------ (Ec. 3.6 Ec. 1.1b & Ec. 2.14) ,
dónde
σ P y σ S son, respectivamente, factor de fuga primario y factor de fuga secundario
Φ M y L M son, respectivamente, flujo mutuo e inductancia magnetizante.
Φ P σ y L P σ son, respectivamente, flujo de fuga primaria e inductancia de fuga primaria
Φ S σ' y L S σ' son, respectivamente, flujo de fuga secundario e inductancia de fuga secundaria, ambos referidos al primario.
Por lo tanto, la relación de fuga σ se puede refinar en términos de la interrelación de las ecuaciones de inductancia específica del devanado y del factor de fuga inductiva anteriores de la siguiente manera: [40]
------ (Ec. 3.7a a 3.7e) .
Aplicaciones
La inductancia de fuga puede ser una propiedad indeseable, ya que hace que el voltaje cambie con la carga.
Transformador de alta fuga
En muchos casos es útil. La inductancia de fuga tiene el efecto útil de limitar los flujos de corriente en un transformador (y la carga) sin disipar energía (excepto las habituales pérdidas no ideales del transformador). Los transformadores generalmente están diseñados para tener un valor específico de inductancia de fuga, de modo que la reactancia de fuga creada por esta inductancia sea un valor específico a la frecuencia de operación deseada. En este caso, el parámetro realmente útil no es el valor de la inductancia de fuga sino el valor de la inductancia de cortocircuito .
Los transformadores comerciales y de distribución con capacidad nominal de hasta 2500 kVA generalmente se diseñan con impedancias de cortocircuito de entre aproximadamente 3% y 6% y con una relación correspondiente (reactancia de devanado/resistencia de devanado) de entre aproximadamente 3 y 6, que define el porcentaje. Variación de voltaje secundario entre vacío y carga completa. Por lo tanto, para cargas puramente resistivas, la regulación de voltaje entre carga completa y sin carga de dichos transformadores estará entre aproximadamente 1% y 2%.
Los transformadores de alta reactancia de fuga se utilizan para algunas aplicaciones de resistencia negativa, como letreros de neón, donde se requiere una amplificación de voltaje (acción del transformador), así como una limitación de corriente. En este caso, la reactancia de fuga suele ser el 100% de la impedancia de carga total, por lo que incluso si el transformador sufre un cortocircuito, no sufrirá daños. Sin la inductancia de fuga, la característica de resistencia negativa de estas lámparas de descarga de gas haría que condujeran una corriente excesiva y se destruyeran.
Los transformadores con inductancia de fuga variable se utilizan para controlar la corriente en los equipos de soldadura por arco . En estos casos, la inductancia de fuga limita el flujo de corriente a la magnitud deseada. La reactancia de fuga del transformador tiene un papel importante en la limitación de la corriente de falla del circuito dentro del valor máximo permitido en el sistema de energía. [2]
Además, la inductancia de fuga de un transformador de alta frecuencia puede sustituir a un inductor en serie en un convertidor resonante . [41] Por el contrario, conectar un transformador convencional y un inductor en serie da como resultado el mismo comportamiento eléctrico que un transformador de fuga, pero esto puede ser ventajoso para reducir las pérdidas por corrientes parásitas en los devanados del transformador causadas por el campo parásito.
^ Se acerca a la igualdad cuando las inductancias de fuga son pequeñas.
Referencias
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^ Los términos factor de acoplamiento inductivo y factor de fuga inductivo se encuentran en este artículo tal como se definen en IEV-131-12-41, factor de acoplamiento inductivo y IEV-131-12-42, factor de fuga inductivo de la Electropedia de la Comisión Electrotécnica Internacional .
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^ Este valor de inductancia de cortocircuito medido a menudo se denomina inductancia de fuga. Consulte, por ejemplo, Medición de la inductancia de fuga y Prueba de inductancia. La inductancia de fuga formal viene dada por (Ec. 2.14) .
^ Harris 1952, pág. 723, fig. 42
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^ Hameyer 2001, pag. 24, ecuación. 3-1 hasta la ec. 3-4
^ Hameyer 2001, pag. 25, ecuación. 3-13
^ Knowlton 1949, págs. §8–67, pág. 802: Knowlton describe el factor de fuga como "El flujo total que pasa a través del yugo y entra en el polo = Φ m = Φ a + Φ e y la relación Φ m /Φ a se llama factor de fuga y es mayor que 1". Este factor es evidentemente diferente del factor de fuga inductiva descrito en este artículo sobre Inductancia de fuga.
^ IEC 60050 (Fecha de publicación: 1990-10). Sección 131-12: Teoría de circuitos / Elementos de circuito y sus características, IEV ref. 131-12-42: "Factor de fuga inductiva
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^ Brenner y Javid 1959, pág. 602, "Fig. 18-18 En este circuito equivalente de un transformador (no ideal), los elementos son físicamente realizables y se ha conservado la propiedad de aislamiento del transformador".
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