Corriente de entrada del transformador
Figura 1: Transformer
La corriente de irrupción del transformador es la corriente instantánea absorbida por el devanado primario del transformador cuando el transformador se energiza inicialmente con el lado secundario en circuito abierto. La corriente de irrupción, también denominada corriente de irrupción magnetizante, es de naturaleza transitoria y sólo existe durante unos milisegundos. La corriente de irrupción es de dos a diez veces superior a la corriente nominal estándar del transformador. Este artículo trata la definición básica de la corriente de irrupción del transformador, sus causas, efectos y soluciones.
Índice de contenidos
- ¿Qué es la corriente de irrupción del transformador?
- Causa de la corriente de irrupción del transformador
- Cómo calcular la corriente de irrupción del transformador
- Cómo medir la corriente de irrupción del transformador
- Efectos de la corriente de irrupción del transformador
- Cómo reducir la corriente de irrupción del transformador
- FAQs
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¿Qué es la corriente de irrupción del transformador?
La corriente de irrupción del transformador es la corriente instantánea absorbida por el devanado primario del transformador cuando éste se alimenta con el lado secundario en circuito abierto. El secundario de un transformador sólo recibe energía del flujo magnético del primario. Por lo tanto, no hay flujo de corriente en los devanados secundarios (por lo tanto, están en circuito abierto durante muy poco tiempo) en el momento en que se activa el devanado primario del transformador.
La corriente de irrupción no crea ningún fallo permanente en el transformador. Aun así, provoca una conmutación no deseada en el disyuntor (un interruptor eléctrico diseñado para proteger un circuito eléctrico de los daños causados por un cortocircuito o una sobrecorriente).
Durante la corriente de irrupción, el valor máximo alcanzado por el flujo magnético es más del doble del flujo normal. La magnitud de la corriente de irrupción (Figura 2 etiquetada A) es de 2 a 10 veces la de la corriente a plena carga del transformador (Figura 2 etiquetada B). Los transformadores toroidales que utilizan menos cobre para la misma potencia pueden tener hasta 60 veces más corriente de arranque.
Figura 2: Corriente de pico del transformador (A) y corriente en régimen permanente (B)
Cómo calcular la corriente de irrupción del transformador
Utiliza la siguiente ecuación para calcular la corriente de irrupción en un transformador:
Ip = 1.414 Vm / R
- Ip: Corriente de entrada del transformador
- Vm: Magnitud de pico de la tensión aplicada
- R: Resistencia del devanado de CC
Ejemplo
Calcular la corriente de irrupción de un transformador de 100 kVA y 440 V que tiene una resistencia de devanado de CC de 0,5 ohmios:
- Vm = 440V
- R= 0,5 ohmios
- Por lo tanto, Ip = (1,414 × 440) / 0,5 = 1244,3 Amperios
Corriente a plena carga del transformador= (KVA × 1000) / Vm =227A.
Por lo tanto, la corriente de irrupción del transformador es aproximadamente seis veces la de la corriente a plena carga.
Cómo medir la corriente de irrupción del transformador
Se puede utilizar una pinza amperimétrica para medir la corriente de irrupción en un transformador. Una pinza amperimétrica mide la corriente a través de un dispositivo sin establecer contacto físico. La función sin contacto garantiza una opción de trabajo segura para medir corrientes muy altas, que de otro modo pueden resultar peligrosas para el usuario. Lee nuestro artículo sobre cómo utilizar una pinza amperimétrica para obtener más información.
Causa de la corriente de irrupción del transformador
Cuando se aplica una tensión alterna a un transformador cuyo secundario está en circuito abierto, el dispositivo actúa como una inductancia simple. La corriente pasa por el devanado primario cuando un transformador recibe tensión alterna. Según la ley de inducción de Faraday, la corriente crea un flujo magnético alrededor del bobinado primario. La fuerza magnetomotriz (FMM) impulsa el flujo a través del núcleo, y su valor es proporcional a la corriente a través del bobinado. El MMF viene dado por:
MMF = N × I
- MMF: Fuerza magnetomotriz
- N: Número de vueltas
- I: Corriente de bobinado
Una parte del flujo magnético atraviesa el núcleo y se enlaza con el devanado secundario por inducción mutua, iniciando un flujo de corriente en el lado secundario. Lea nuestro artículo sobre transformadores eléctricos para obtener más información sobre su funcionamiento.
La velocidad de cambio del flujo magnético en el núcleo de un transformador es proporcional a la caída instantánea de tensión en el devanado primario.
V = dɸ / dt
ɸ = Integral ( V )
- V: Tensión alterna aplicada
- ɸ: Flujo magnético producido
En un transformador de funcionamiento continuo, la FMM es proporcional a la corriente del devanado. Como el flujo es proporcional a la FMM, la corriente y el flujo permanecen en fase entre sí. Puesto que la tensión adelanta a la corriente 90 grados en un inductor, se puede deducir que la tensión adelanta al flujo magnético 90 grados (o cuarto de ciclo), como se ve en la figura 3.
Según las ondas mostradas en la Figura 3, en el instante en que la tensión (Figura 3 etiquetada V) es cero, el valor correspondiente del flujo en estado estacionario (Figura 3 etiquetada F) debe ser el máximo negativo (es decir, el valor mínimo). Pero no hay flujo ligado al núcleo del transformador antes de conectar la alimentación. Es prácticamente imposible tener flujo en el instante en que se conecta la alimentación. El valor de flujo en estado estacionario no puede alcanzarse instantáneamente y requiere un tiempo distinto de cero.
Figura 3: El flujo (F) parte de un pico negativo cuando la tensión aplicada (V) comienza en cero
Por lo tanto, si el transformador se conecta en el instante en que la tensión es cero, la onda de flujo parte del mismo origen que la forma de onda de la tensión, como se ve en la figura 4. El valor del flujo al final del primer semiciclo de la onda de tensión puede calcularse mediante:
- ɸmax: Flujo magnético máximo creado
- E sin⍵t: Tensión alterna aplicada en el primario
- E: Magnitud de la tensión aplicada
- ⍵t: Fase de la tensión aplicada
El núcleo del transformador se satura por encima del valor máximo de flujo en estado estacionario (Figura 4 etiquetada B). El núcleo se satura después del valor máximo de flujo, y la corriente necesaria para producir el resto del flujo es muy alta. Por lo tanto, el devanado primario del transformador extrae una corriente de pico muy alta de la fuente conocida como corriente de irrupción del transformador (Figura 4 etiquetada A) o corriente de irrupción magnetizante del transformador. Esta corriente transitoria existe durante unos milisegundos, tras los cuales se estabiliza.
La corriente de irrupción del transformador existe durante muy poco tiempo, por lo que no crea fallos permanentes en los transformadores. Sin embargo, interfiere en el funcionamiento de los circuitos conectados al transformador provocando conmutaciones y transiciones de tensión innecesarias.
Figura 4: Corriente de irrupción del transformador (A), flujo máximo generado (B) y tensión alterna aplicada (C)
Efectos de la corriente de irrupción del transformador
- La elevada corriente de irrupción magnetizante en el transformador hace necesario sobredimensionar los disyuntores o fusibles.
- Inyección de distorsión y ruido en la fuente de alimentación principal.
- Formación de arcos (la corriente eléctrica salta de una conexión a otra) y fallo de componentes del circuito como los interruptores.
- Funcionamiento interrumpido en fusible.
- Perturbaciones de corriente y armónicos en el sistema y menores características de calidad de la energía.
- Distribución irregular de la tensión a lo largo de los devanados del transformador.
- Vibraciones mecánicas y eléctricas a lo largo de los devanados del transformador.
Cómo reducir la corriente de irrupción del transformador
Los siguientes métodos pueden reducir la corriente de irrupción en un transformador:
Ajuste de la fase de tensión de entrada
La corriente de irrupción del transformador se produce si la tensión alterna que llega al devanado primario del transformador comienza en cero cuando el transformador se energiza. Si la fase de la tensión entrante comienza a 90 grados (amplitud máxima), el valor correspondiente de la corriente será cero, ya que la corriente retrasa la tensión 90 grados en un inductor. Por lo tanto, ajustar el ángulo de fase de la tensión de entrada para que llegue al devanado primario del transformador en su valor de pico positivo es una solución viable, como se ve en la figura 5.
Sin embargo, la corriente de irrupción dura sólo unos milisegundos, y los transformadores están diseñados físicamente para soportar las tensiones mecánicas de la corriente de irrupción. Ajustar el ángulo de fase de la tensión aplicada para reducir la corriente de irrupción no suele ser necesario ni económico. Una solución sencilla es utilizar un medidor de fase para controlar la fase de la tensión de entrada y aplicar la tensión al transformador sólo cuando esté en su valor máximo. Conmutar la alimentación en el instante adecuado puede reducir la magnitud de la corriente de irrupción transitoria.
Figura 5: El flujo (F) parte de cero cuando la tensión aplicada (V) comienza en un pico positivo
Utilizar un circuito de protección de corriente de irrupción
Los termistores pueden utilizarse para limitar la elevada corriente de arranque en un transformador. Un termistor tiene una resistencia muy alta a temperatura ambiente y baja a altas temperaturas. El termistor se conecta en serie con la línea de entrada de la fuente de alimentación. Así, cuando el dispositivo se enciende, la alta resistencia limita la corriente de irrupción que fluye en el sistema. Como la corriente fluye continuamente, la temperatura del termistor aumenta, lo que reduce la resistencia de forma significativa. Por lo tanto, el termistor estabiliza la corriente de irrupción permitiendo que la corriente constante fluya en el circuito. Por lo tanto, ajustar la fase de la tensión de entrada o añadir un circuito de protección al transformador puede disminuir el pico de corriente de irrupción, como se ve en la figura 6.
Figura 6: Corriente de irrupción (A) y corriente de irrupción reducida (B)
Preguntas frecuentes
¿Qué es la corriente de irrupción del transformador?
La corriente de irrupción del transformador describe un pico de corriente que se produce cuando el transformador se enciende por primera vez.
¿Qué causa la corriente de irrupción del transformador?
Cuando se activa un transformador, éste puede extraer una gran corriente de arranque del sistema debido a que el flujo magnético del núcleo está desfasado con respecto a la tensión aplicada.
¿Cuánto dura la corriente de irrupción del transformador?
La corriente de irrupción del transformador es de naturaleza transitoria y puede durar hasta unos pocos milisegundos.