¿Cuándo se produce la corriente de magnetización inicial en los transformadores?

Las condiciones de corriente de magnetización también se producen a una frecuencia mucho mayor que los cortocircuitos, por lo que vale la pena investigar este fenómeno.

Consideremos qué sucede al energizar inicialmente un transformador monofásico. El flujo magnético en el núcleo es igual a la integral de la tensión de excitación.

Si el circuito se cierra cuando la tensión pasa por cero y el flujo inicial es cero, el flujo sinusoidal estará completamente desplazado de cero. El valor máximo del flujo totalmente desplazado es el doble del valor máximo del flujo de la onda sinusoidal simétrica. En otras palabras, el flujo máximo de la onda totalmente desplazada puede ser casi el doble del flujo máximo normal, lo cual suele ser suficiente para saturar el núcleo.

En este punto, lo único que limita la corriente de magnetización es la impedancia del núcleo de aire del devanado, que es varios órdenes de magnitud menor que la impedancia de magnetización normal.

Por lo tanto, durante el semiciclo de saturación del núcleo, la corriente de campo es mucho mayor que la corriente de campo normal. Durante el semiciclo opuesto, el núcleo ya no está saturado y la corriente de campo es aproximadamente igual a la corriente de campo normal.

La situación se agrava aún más cuando existe flujo residual en el núcleo y su dirección coincide con la del desplazamiento de la onda de flujo sinusoidal, como se muestra en la Figura 2. Cabe destacar que las Figuras 1 y 2 se representan a diferentes escalas de corriente, por lo que la corriente máxima representada en la Figura 2 es considerablemente mayor que la representada en la Figura 1.

02 Valor pico de sobretensión de excitación

Para hallar la corriente de sobretensión máxima limitada únicamente por la reactancia del núcleo de aire, resulta conveniente calcular la inductancia del devanado utilizando unidades cgs:

aquí:

N – número de vueltas de la bobina

Cantidad – Área dentro del diámetro medio de la bobina, cm²

l – longitud axial de la bobina, cm

L – inductancia de la bobina, μH

El flujo producido por el inductor φL es igual al flujo residual más 2 veces el cambio de flujo normal menos el flujo de saturación, ya que el flujo de saturación se encuentra en el hierro. Pero φL está relacionado con la inductancia y la corriente:

Por lo tanto, la corriente de irrupción máxima se expresa en el sistema de unidades cgs de la siguiente manera:

aquí:

Pico en amperios y

φr – flujo residual

φn – cambio de flujo magnético normal

φs – flujo de saturación

Si no hubiera resistencias en el circuito, cada pico sucesivo tendría el mismo valor y la corriente de irrupción continuaría indefinidamente. Sin embargo, en presencia de resistencia, la caída de tensión a través de ella será grande y el aumento del flujo magnético no tiene por qué ser tan elevado como en el ciclo anterior.

La integral de la caída de tensión representa la reducción neta del flujo magnético necesario para soportar la tensión aplicada. Dado que la caída de tensión i×R siempre se produce en la misma dirección, cada ciclo reduce el flujo magnético requerido. Cuando el valor máximo del flujo magnético cae por debajo del valor de saturación del núcleo, la corriente de irrupción desaparece. La tasa de decaimiento no es exponencial, aunque se asemeja a una corriente de decaimiento exponencial.

¡Importante! En transformadores de potencia grandes, la corriente de irrupción puede durar unos segundos antes de desaparecer.

La reactancia de línea reduce la corriente de irrupción máxima simplemente añadiendo inductancia a la inductancia del núcleo de aire del devanado. Existe una relación directa entre la corriente de irrupción y la corriente de cortocircuito, ya que ambas están relacionadas con la inductancia del núcleo de aire del devanado.

Recuerda que los cortocircuitos tienden a expulsar el flujo magnético del núcleo.

Regla general: Por lo general, la corriente máxima de magnetización inicial es ligeramente superior al 90 % de la corriente máxima de cortocircuito. Sin embargo, la fuerza magnética generada por la corriente de magnetización inicial suele ser mucho menor que la fuerza de cortocircuito. Dado que cada fase contiene un solo devanado, no existe repulsión magnética entre ellos.

El análisis de las corrientes de magnetización de irrupción se complica considerablemente cuando intervienen transformadores trifásicos. Esto se debe a que los ángulos de fase de las tensiones de excitación están desfasados ​​120°, existe una interacción de corriente y tensión entre las fases, y los tres polos del dispositivo de conmutación no se cierran exactamente al mismo tiempo.

Sin embargo, se puede afirmar con seguridad que la corriente de irrupción máxima de un transformador trifásico se aproxima al nivel de la corriente de cortocircuito.

Una de las características interesantes de las corrientes de magnetización de irrupción es que presentan una gran proporción de armónicos pares, debido a que las corrientes se cancelan por completo. Además, los armónicos pares rara vez se encuentran en los circuitos de potencia.

03 Flujo de empatía

También existe un fenómeno conocido como "corriente de irrupción simpática", en el que un transformador previamente energizado experimenta un cambio repentino en la corriente cuando se activa un transformador cercano. Esta sobretensión simpática se produce por la variación de la tensión de línea causada por la corriente de irrupción del segundo transformador.