La pérdida de histéresis en un transformador es la energía convertida en calor en el núcleo cuando el campo magnético de CA se invierte y los dominios magnéticos se mueven alrededor del lazo B–H en cada ciclo. Depende del material, la frecuencia, el nivel de flujo y la temperatura. Este artículo explica en detalle las causas, los materiales centrales, las ecuaciones, los efectos del sistema, las pruebas, la modelización y formas de reducir la pérdida por histéresis.
Pérdida de histéresis en un transformador
La pérdida por histéresis en un transformador es la energía eléctrica que se convierte en calor dentro del núcleo magnético cada vez que el voltaje de CA cambia de dirección. A medida que la corriente va positiva y negativa, el campo magnético en el núcleo también oscila hacia adelante y hacia atrás. Las diminutas regiones magnéticas dentro del núcleo deben moverse y realinear durante cada ciclo, y este movimiento no es perfectamente suave. Por ello, se pierde algo de energía en forma de calor cada vez que el campo se invierte.
Esta pérdida está presente incluso cuando el transformador está descargado, por lo que sigue consumiendo energía y desperdiciando energía. La pérdida por histéresis reduce la eficiencia del transformador, contribuye al consumo de energía sin carga y eleva la temperatura del núcleo. El nivel de pérdida de histéresis afecta al tamaño del núcleo, a la elección de los materiales del núcleo y a la cantidad de refrigeración necesaria para mantener el transformador funcionando de forma segura.
Dominios magnéticos y pérdida de histéresis
Dentro del núcleo magnético de un transformador, el material está compuesto por muchas regiones diminutas llamadas dominios magnéticos. Los límites entre dominios se denominan muros de dominio. Estas paredes no se mueven libremente, porque están retenidas por imperfecciones dentro del material. Cada vez que el campo de corriente alterna cambia de dirección, se necesita energía extra para mover estos muros de dominio. Esa energía extra se convierte en calor en el núcleo y pasa a formar parte de la pérdida por histéresis en el transformador.
Bucle B–H y pérdida de histéresis en núcleos de transformadores
El lazo B–H es un gráfico que muestra cómo cambia la densidad de flujo magnético B en el núcleo de un transformador cuando la intensidad del campo magnético H pasa por un ciclo completo de CA. A medida que la corriente alterna sube, baja y se invierte, el punto en este gráfico se mueve alrededor de un lazo cerrado en lugar de seguir una línea recta única. La forma y el tamaño de este lazo indican cómo se comporta el núcleo y cuánta energía se pierde en forma de calor debido a la histéresis.
Partes básicas del lazo B–H
• Región de saturación: Cuando el H es muy alto, B apenas aumenta, lo que significa que el núcleo está saturado.
• Remanencia (Br): Cuando H vuelve a cero, B no es cero, lo que muestra que el núcleo mantiene cierta magnetización.
• Campo coercitivo (Hc): Este es el valor inverso de H necesario para devolver a B a cero.
• Área del labo: El área dentro del lazo representa la energía perdida en el núcleo durante cada ciclo; un área mayor implica una mayor pérdida de histéresis.
Ecuación de Steinmetz para la pérdida por histéresis
Ph = kh f B nmax V
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| (*Ph*) | Pérdida por histéresis (W) |
| (*kh*) | Constante que depende del material principal |
| (*f*) | Frecuencia AC (en hertzios, Hz) |
| (*B nmax*) | Densidad máxima de flujo en el núcleo (en tesla, T) |
| (*n*) | Exponente de Steinmetz (típicamente > 1) |
| (*V*) | Volumen del núcleo (m³) |
Materiales del núcleo del transformador y pérdida de histéresis
Acero de silicio orientado a grano
• Tiene un estrecho lazo de histéresis en una dirección principal
• Proporciona una menor pérdida de histéresis en esa dirección a la frecuencia de la línea eléctrica
Acero eléctrico no orientado
• Tiene propiedades magnéticas más uniformes en todas las direcciones
• Muestra una pérdida de histéresis ligeramente mayor pero funciona bien cuando el flujo cambia de dirección en el núcleo
Ferritas (MnZn, NiZn)
• Tienen pérdidas muy bajas de histéresis y corrientes de Foucault a altas frecuencias
• Ayudar a mantener menor la pérdida de histéresis en transformadores de alta frecuencia
Aleaciones amorfas y nanocristalinas
• Tienen bucles de histéresis muy estrechos
• Proporcionar una pérdida de histéresis muy baja para un funcionamiento eficiente energéticamente
Estos materiales son especialmente importantes en transformadores de alta frecuencia, como se discute en la Sección 9.
Condiciones de funcionamiento que influyen en la pérdida por histéresis
Frecuencia
A medida que aumenta la frecuencia, el campo magnético en el núcleo cambia de dirección más veces por segundo. Cada volteo provoca cierta pérdida de energía, así que más volteretas por segundo significan una mayor pérdida de histéresis.
Densidad máxima de flujo (Bmax)
Un Bmax más alto hace que el área del lazo sea más grande, lo que incrementa la pérdida de histéresis y puede acercar el núcleo a la saturación.
Temperatura
La temperatura cambia la facilidad con la que los dominios magnéticos se mueven dentro del núcleo. Dependiendo del material, la pérdida de núcleo puede aumentar o disminuir con la temperatura, por lo que se necesitan datos del material para saber cómo se comporta la pérdida por histéresis.
Pérdida por histéresis frente a otras pérdidas por transformadores
| Tipo de pérdida | Donde ocurre | Causa principal | Depende principalmente de |
|---|---|---|---|
| Histéresis | Núcleo | Dominios magnéticos que se realineanan cada ciclo de CA | Frecuencia, flujo pico*B**max*, material del núcleo |
| Corriente de Foucault | Núcleo | Corrientes inducidas en el núcleo metálico por el cambio de flujo | Frecuencia²,*B**max*², grosor del núcleo |
| Cobre (I²R) | Bobinados | Corriente que fluye a través de la resistencia en el alambre | Corriente de carga, resistencia de cable |
| Fugas/sueltos | Núcleo/espacio aéreo | Flujo magnético que no conecta todos los devanados | Forma, espaciado y disposición del núcleo |
Efectos a nivel de sistema de la pérdida por histéresis en transformadores
La pérdida de histéresis en un transformador también cambia su comportamiento en el sistema eléctrico. Esto provoca un mayor consumo de energía sin carga, por lo que el transformador consume más energía de la fuente incluso cuando no alimenta ninguna carga. La corriente magnetizadora se distorsiona y se asemeja menos a una onda sinusoidal suave, lo que hace que su forma sea más desigual. Esta corriente desigual añade componentes de frecuencia adicionales llamados armónicos, lo que aumenta el contenido armónico y la distorsión armónica total (THD) en el sistema. Al mismo tiempo, una mayor parte de la corriente se vuelve reactiva en lugar de útil, lo que reduce el factor de potencia y significa que menos corriente realiza trabajo real.
Pérdida de histéresis en núcleos de transformadores de alta frecuencia
En muchos circuitos modernos, los transformadores son piezas pequeñas montadas en una placa de circuito impreso y funcionan a altas frecuencias, a menudo en decenas o cientos de kilohercios. A estas frecuencias más altas, la pérdida de histéresis en el núcleo se vuelve más importante, porque el campo magnético en el núcleo cambia de dirección muchas veces por segundo. En este caso se utilizan núcleos de ferrita, ya que ayudan a mantener más bajas la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes de Foucault a altas frecuencias.
La densidad máxima de flujo, a menudo escrita como Bmax, está cuidadosamente limitada para que la pérdida del núcleo se mantenga dentro de niveles seguros y el núcleo no se sobrecaliente. Las curvas de pérdida de núcleo proporcionadas para el material se utilizan para estimar cuánta pérdida total de núcleo, incluida la pérdida por histéresis, ocurrirá a un nivel de frecuencia y flujo dado. Como estos transformadores están cerca de otras partes de la placa de circuito, el calor por pérdida de histéresis afecta a la temperatura local y puede influir en cómo funcionan de forma fiable los componentes cercanos.
Modelado de la pérdida de histéresis en simulación de circuitos
En la simulación de circuitos, la pérdida de histéresis en un núcleo transformador se representa con modelos simples que aún capturan los efectos principales. Un método básico es usar una resistencia en paralelo a la inductancia magnetizadora, de modo que esta resistencia represente la potencia perdida en forma de calor en el núcleo en un punto de funcionamiento elegido. Los modelos más avanzados utilizan curvas no lineales B–H, como los modelos de Jiles–Atherton o Preisach, que siguen la forma real del bucle de histéresis y hacen que los resultados en el dominio del tiempo sean más precisos.
Otro método común es usar bloques conductuales basados en Steinmetz, donde la pérdida del núcleo se calcula a partir de la forma de onda del flujo usando ecuaciones tipo Steinmetz y luego se añade al circuito como elemento disipador de potencia. Estos enfoques ayudan a mostrar cómo la pérdida de histéresis afecta a la corriente, el voltaje y el calentamiento en un transformador simulado.
Medición de la pérdida por histéresis en núcleos de transformadores
Ensayos de materiales (marco de Epstein o hoja simple)
Una tira o lámina de material de núcleo se coloca en un montaje especial de prueba y se acciona con un campo de CA conocido. Se registra el lazo B–H y se calcula la pérdida de núcleo por unidad de volumen.
Prueba de núcleo toroidal
Se coloca un devanado sobre un núcleo en forma de anillo (toroidal) y se suministra con un voltaje y frecuencia elegidos. Se mide la potencia de entrada y se resta la pérdida I²R del devanado para encontrar la pérdida total del núcleo, que incluye la pérdida por histéresis.
Pruebas de transformador de circuito abierto
El bobinado primario de un transformador se activa a su voltaje nominal mientras que el secundario queda abierto. La energía extraída de la fuente es principalmente pérdida de núcleo, que es la suma de la pérdida de histéresis y la pérdida de corrientes de Foucault.
Barrido de frecuencia y voltaje
La prueba se repite a diferentes frecuencias y niveles de voltaje. Observar cómo cambia la pérdida medida ayuda a mostrar cuándo la pérdida por histéresis es más necesaria y cuándo la pérdida por corriente de Foucault se convierte en una parte mayor del total.
Conclusión
La pérdida por histéresis proviene del movimiento repetido de dominios magnéticos mientras el núcleo gira alrededor de su lazo B–H, convirtiendo parte de la potencia de entrada en calor incluso sin carga. Su tamaño depende del material del núcleo, la frecuencia, la densidad de flujo y la temperatura. Con un modelado, medición y elecciones adecuadas de materiales y diseño, la pérdida de histéresis puede limitarse y controlarse.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿Cómo afecta la pérdida de histéresis a la vida útil del transformador?
Mantiene el núcleo más caliente durante largos periodos, lo que acelera el envejecimiento del aislamiento y puede acortar la vida útil del transformador.
¿Cómo se relaciona la pérdida de histéresis con la corriente de arranque?
Debido al lazo B–H y la magnetización residual, el núcleo puede alcanzar casi la saturación al encendido, causando una corriente de arranque muy alta durante un corto tiempo.
¿Cambia la forma del núcleo la pérdida de histéresis?
Sí. Los núcleos toroidales tienen una pérdida de histéresis menor que los núcleos E–I porque el camino magnético es más suave y uniforme.
¿Cómo afecta la pérdida de histéresis al coste energético en transformadores siempre encendidos?
Actúa como un consumo constante de energía sin carga, aumentando el consumo anual de energía y las necesidades de refrigeración incluso cuando la potencia de salida es baja.
13,5 ¿Pueden el estrés o el envejecimiento aumentar la pérdida de histéresis?
Sí. El esfuerzo mecánico, las vibraciones y el calentamiento y enfriamiento repetidos pueden alterar la estructura central, ensanchar el bucle B–H y aumentar la pérdida de histéresis con el tiempo.
