Este post es
una reposición integra del texto parcial publicado en este blog, con el
mismo nombre en la siguiente dirección:
El núcleo es la parte del transformador que forma el circuito magnético de la máquina. Su función es la de conducir el flujo magnético que se genera al circular una corriente alterna por los devanados.
Un circuito magnético está constituido esencialmente por un conjunto de chapas magnéticas provistas de tensores (piezas de apriete y bridas) fuertemente sujetas por bulones.
El núcleo se realiza con chapa magnética de cristales orientados y aisladas sobre las dos caras, las chapas que constituyen el circuito magnético del transformador tiene la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y corrientes de FOUCAULT.
Figura 1: Curvas tipo de magnetización de algunos materiales ferromagnéticos
El núcleo de los transformadores con pérdidas en vacío normales se realiza con chapas magnéticas clásicas, La chapa CGO (Convencional de grano orientado).
Tabla 1: Propiedades de las chapas de grano orientado CGO
Una chapa de calidad superior, la chapa HI-B (caracterizada por pérdidas en vacío relativamente más reducidas y valores de inducción más elevados) generalmente tratada por láser, es utilizada para transformadores de pérdidas en vacío reducidas. Los espesores de las diferentes chapas utilizadas son de 0,30, 0,27 o 0,23 mm.
Tabla 2: Propiedades de la chapa de grano orientado HI-B
■ Partes que constituyen el circuito magnético:
● Culatas o yugos
Las culatas o yugos unen entre sí las columnas para cerrar el circuito magnético.
● Ventana
Los espacios entre las columnas y las culatas, por donde pasan los devanados, se llaman ventanas del núcleo.
● Columnas
Las columnas son las partes del núcleo donde se montan los devanados del transformador.
Figura 2: Núcleo armado de un transformador
● Herrajes o bastidor
La Armadura o Herrajes de sujeción (también llamado Bastidor) sujetan el núcleo usando tornillos opresores, que unen las chapas entre sí, y tornillos tensores que unen el yugo contra la columna eficazmente.
En el caso de que alguno de estos tornillos atraviese el núcleo deberá aislarse con tubos de papel, cartón o baquelita para que sobre él no se induzcan corrientes que puedan producir calentamientos inadmisibles.
■ Chapa magnética laminada en caliente
Para la construcción de núcleos se emplean chapas ferromagnéticas eléctricamente aisladas de 0,35 mm. de espesor, constituidas por una aleación de acero y silicio de alta calidad, del orden del 3 al 5 % estando laminadas en caliente para obtener junto a las pérdidas mínimas, la máxima permeabilidad magnética. El silicio aumenta la resistividad de la chapa disminuyendo las corrientes parásitas y con ello las pérdidas por este concepto.
Las chapas laminadas al silicio se saturan con valores de inducción más bajos que las laminaciones normales, estos valores disminuyen al aumentar el contenido en silicio.
Además el silicio estabiliza la chapa en el sentido de evitarle prácticamente el envejecimiento, existiendo, sin embargo, un aumento de pérdidas con el tiempo, principalmente por la acción continua del calor.
■ Chapa magnética laminada en frío
La ordinaria chapa magnética de laminado en caliente ha sido sustituida por la chapa magnética de grano orientado o laminado en frío.
La diferencia del tipo de chapa no está en su laminado primordialmente, sino en la utilización de un acero más puro y con menor contenido en carbono que para la chapa magnética ordinaria.
El acero al silicio cristaliza en un sistema regular centrado debido a la acción de fuertes laminados en frío quedando de este modo orientada su estructura cristalina en la dirección del flujo magnético. Con el fin de eliminar tensiones internas el material se somete a tratamientos térmicos y en tal sentido tiene valores más elevados, entre el 20 y el 25 % a los admisibles en chapa laminada en caliente, con la consiguiente reducción de la sección del núcleo y por tanto de las pérdidas en el transformador.
Figura 3: Curvas características de las pérdidas en chapas laminadas en caliente y en frío
■ Rendimientos de las chapas magnéticas
Un decisivo progreso en la mejora de las cualidades de los materiales magnéticos se llevó a cabo con el procedimiento de laminación en frío, según una invención americana que se remonta al año 1934. Estas nuevas laminaciones se obtienen de un prelaminado en caliente de pocos milímetros de espesor, con un contenido de silicio de aproximadamente 3%, sometido a laminaciones en frío y recocidos intermedios en atmósfera neutra. Actualmente en la fabricación de transformadores se emplea con carácter casi exclusivo, la chapa magnética de grano orientado laminada en frío que tiene la propiedad de poder conducir el flujo magnético en la dirección del laminado. En estas condiciones, las chapas de grano orientado permiten obtener mayores flujos magnéticos con menores intensidades de campo (Amperios-vuelta/m).
Además, las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas se reducen considerablemente. El espesor de las chapas utilizadas es de aproximadamente 0.30 mm. Las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas suelen darse en vatios por kilogramo de material, referidas a 50 Hz. y 1 T (1 Tesla = 10.000 Gaus), se añade el valor relativo a 1.5 T.
Como orientación podemos indicar que la chapa magnética ordinaria (laminada en caliente 0.35 mm.) para transformadores, suele tener pérdidas del orden de 0.8 - 1.3 W/Kg. (1T).
La chapa de grano orientado ofrece valores del orden de 0,4 a 0.5 W/KG (1 T) y 1 : 1,2 KW/KG (1,5 T).
Los transformadores de fabricación actual suelen proyectarse para inducciones que oscilan entre 1,5 y 1,8 T.
Los datos anteriores ponen en evidencia el gran progreso con la chapa de grano orientado, la cual ha permitido conseguir objetivos fundamentales como: reducir las pérdidas, disminuir el peso y el volumen del transformador.
■ Calidades equivalentes según distintas normas
Como los materiales magnéticos que se utilizan para la construcción de transformadores pueden tener distintos orígenes, en la tabla siguiente se indican el código y las pérdidas correspondientes en W/kg, para las normas más importantes aceptadas internacionalmente.
Nota: Los valores de pérdidas son valores máximos garantizados en W/kg a
1,7 T y 50 Hz. Los valores entre paréntesis son dados a 1,5 T y 50 Hz.
Figura 4:
Curvas de pérdidas W/kg de las chapas MGO: M4-0,28 mm, M5-0,30 mm y
M6-0,30 mm
■
Propiedades típicas del grano orientado Hi-B
●
Alta permeabilidad y bajas pérdidas
Mientras los
valores típicos de inducción de un grano orientado convencional a 800 A/m son
del orden de 1,83 T, el de un material HI-B es de 1,92 T.
A una
inducción de 1,7 T, la permeabilidad es alrededor de 3,5 veces mayor que la de
un grano orientado convencional.
Las pérdidas
en el núcleo para laminación de 0,3 mm de espesor corresponden al rango de un
material grado M-2 y M-3. Para un espesor de 0,35 mm, las pérdidas en el núcleo
son tan bajas como las de una laminación grado M-3 y M-4, por extrapolación a
la chapa de grado orientado convencional.
●
Magnetoestricción reducida
Las chapas de
grano orientado HI-B tienen una menor magnetoestricción en comparación con
productos de naturaleza similar.
La
magnetoestricción de las chapas de acero en el circuito magnético es la causa
principal del ruido permanente de los transformadores. Las variaciones de la
inducción originan variaciones de longitud periódicas de las chapas, con
amplitudes del orden de dimensión de algunos micrones por metro de longitud de
chapa.
●
Mínimo efecto de fabricación
Las
propiedades magnéticas están mucho menos afectadas por la fabricación
(punzonado, cizallamiento, doblado, etc.) que un material de grano orientado
convencional. Esto es el resultado de un efecto combinado de una excelente
orientación de los cristales y de un óptimo tamaño de grano.
Las
mencionadas características de un material HI-B facilitan:
· La
fabricación de transformadores con extremadas bajas pérdidas en vacío;
· Una
substancial reducción del ruido;
· Reducción de las dimensiones
del núcleo debido al incremento de los valores de diseño de la inducción;
· Simplificación de los
procesos de fabricación (por no requerir tratamiento térmico) cuando se
utilizan espesores de 0,30 y 0,35 mm comparado con productos convencionales de
menor espesor.
Tabla 4: Mejora de algunas características
Figura 5: Curvas de pérdidas W/kg de las
chapas HI-B: M2H-0,30 mm,
M3H- 0,30 mm y M4H-0,30 mm
■ Preparación para el montaje de las chapas magnéticas
Para montar los núcleos se
utiliza chapa magnética de 0.30 mm. de espesor constituida por aleación de
acero y silicio en el que el porcentaje de silicio está cuidadosamente
estudiado para obtener la máxima permeabilidad magnética.
El corte de estas chapas es objeto de una atención cuidadosa para
evitar el más pequeño defecto (que se traduciría en el montaje en el
consiguiente aumento de los entrehierros) eliminando las rebabas que pudieran
quedar, una vez cortada y punzonada.
La chapa a través de un horno de recocido especial mejora sus
características magnéticas que siempre resultan afectadas por las intensas
tensiones mecánicas a que quedan sometidas en las operaciones anteriores, una
vez recocidas, se proceden a su aislamiento para reducir las pérdidas por
efecto de FOUCAULT.
El sistema de aislamiento con papel, ha sido desechado, empleando
posteriormente como aislante el esmaltado al horno continuo, el cual es
inalterable a la acción del líquido refrigerante caliente y cuyas propiedades
quedan aseguradas por el vitrificado y tratamiento térmico a que queda sometido
y en el que se alcanzan temperaturas de 3500 ºC, este sistema mejora el
coeficiente y la posibilidad de poderlo desmontar sin que se lesione el
aislante.
Figura 6: Corte de chapas
magnéticas
Sin embargo en
la actualidad, como se ha indicado, se utilizan chapas de grano orientado
laminadas en frío que vienen preparadas mediante un tratamiento superficial a
base de una pintura inorgánica de alta resistencia mecánica y que soporta
temperaturas superiores a los 800 ºC, temperatura superior a la
que se alcanza durante el tratamiento térmico de estos materiales. Este
tratamiento termoquímico denominado "CARLITE" proporciona el
aislamiento necesario para un mejor acabado y rendimiento de la chapa
magnética, es resistente al aceite utilizado en los transformadores, tiene
buena adherencia y resiste las operaciones normales de cizallado y troquelado.
■ Montaje de núcleos
El corte y punzonado de la chapa debe ser vigilado cuidadosamente para
evitar las rebabas que originarían pérdidas suplementarias.
Figura 7:
Bridas y bulones
Los conjuntos de chapas magnéticas se
aprietan mediante bulones y bridas para darles rigidez mecánica y evitar sus
vibraciones (Fig 7 c). Estos bulones y
bridas de apriete estarán aislados del núcleo generalmente
por perfiles de hierro soldados, utilizándose también la madera para
transformadores de pequeña potencia (Fig 7 a y b).
● Forma de bridas:
a) De madera
b) De perfiles soldados
c)
Detalle
de un bulón de apriete
■ Forma de los circuitos magnéticos
Se denominan generalmente columnas las partes de un circuito magnético
sobre las que se montan los devanados y culatas las partes que realizan la
unión entre las columnas.
Se pueden dividir los circuitos magnéticos en dos grandes grupos:
- Acorazados.
- De columnas.
Ver post:
Circuitos magnéticos de "columnas" y "acorazados" en Transformadores
Núcleo tipo
acorazado:
En el núcleo de tipo acorazado las culatas están dispuestas alrededor
de los devanados y parecen protegerlos, a modo de una coraza. Esto permite
reducir el flujo de dispersión magnética.
Núcleo tipo columna:
En el núcleo tipo "columnas" los devanados rodean casi por
completo al núcleo magnético.
Figura 8: Tipos de
núcleos magnéticos
Para transformador monofásico:
El núcleo de columnas monofásico tiene dos columnas unidas por una
culata inferior y otra superior. En cada columna se sitúan la mitad de los
devanados primario y secundario. El devanado de baja se sitúa en contacto con
el núcleo y sobre él, el devanado de alta.
Para transformador trifásico:
El núcleo de columnas trifásico tiene tres columnas en un mismo plano
sujetas por una culata inferior y otra superior. Cada columna alberga los
devanados primario y secundario de una fase.
El circuito magnético de la columna central es menor que el de las
externas, lo cual provoca desequilibrios y armónicos en la corriente de
excitación (en vacío), si bien no suelen afectar cuando el transformador
funciona en carga.
Figura 9: Núcleos magnéticos de
transformadores monofásicos y trifásicos
El circuito trifásico de cinco columnas es empleado en el caso de
unidades muy grandes, para reducir la altura de la culata y hacer el aparato
más fácilmente transportable.
Figura 10: Comparación de las dimensiones en núcleos
de tres y cinco columnas
Los núcleos se forman con la chapa ya aislada y cortada de los que
citamos 3 procedimientos - (a) NUCLEO A TOPE - (b) A
SOLAPE - (c) CORTE A 45º.
En la construcción a tope o plana, las columnas y las culatas se
montan separadamente y, una vez instalados los devanados, se coloca la culata
sobre las columnas y con ayuda de piezas de sujeción se unen.
En la construcción a solape o entrelazada, el yugo inferior y las
columnas se ensamblan con un desfase de posición (par-impar) dejando el espacio
del yugo superior. Una vez instalados los devanados se finaliza el laminado del
yugo superior.
En las dos primeras figuras (a y b) existen techos en los cuales el
flujo no se establece longitudinalmente en relación con la dirección del
laminado lo cual origina un aumento de pérdidas (disminución del rendimiento
por calentamiento) y para evitar esto, al aparecer las chapas de grano
orientado, se ha recurrido al corte a 45º
figura (c), lo cual permite que el flujo circule prácticamente en la
dirección de la laminación de la chapa lo cual se transforma en menores
pérdidas y mínima intensidad de vacío.
Figura 11: Núcleo a tope (a) Núcleo al solape (b) Corte de núcleo a 45º
(c)
Figura 12: Núcleo de sección escalonada
En los núcleos de tres columnas,
la optimización del corte y apilado de las chapas permite obtener un mínimo de
perturbaciones del flujo magnético al nivel del paso de las columnas hacia las
culatas. Las chapas se cortan con un ángulo de 45º, permitiendo que el flujo
magnético circule lo más próximo posible al sentido de la laminación,
disminuyendo de esta forma las pérdidas. La técnica de apilado de la chapas
puede ser simple (“butt-lap”) o múltiple (“step-lap”).
El método de apilado múltiple “step-lap” incrementa la eficiencia de
la unión, acortando el solape, lo que reduce las pérdidas del núcleo, la
corriente de excitación y el nivel de ruido.
Por razones de tipo económico y también para equilibrar los esfuerzos
electrodinámicos que pueden presentarse entre los conductores, es conveniente
que los devanados de las bobinas tengan forma circular.
Figura 13: Corte
de chapa “step-lap”
Para conseguir esto sería lógico que la sección del núcleo
ferromagnético fuese a su vez circular. Sin embargo, esto resultaría costoso de
cara al corte de la chapa y al montaje del núcleo.
Una solución técnica intermedia y económica, consiste en utilizar
columnas con secciones en escalones. Este tipo de secciones permite un mayor
aprovechamiento del área interior de los devanados.
La sección escalonada de las columnas facilita la adaptación de
bobinas circulares y al mismo tiempo asegura la circulación del fluido
refrigerante por los canales que quedan entre núcleo y arrollamiento.
Tabla 5: Tipos de secciones de columnas
Figura 14: Columnas
de sección escalonada
En los grandes transformadores para favorecer la evacuación del calor
producido, se prevén unos canales interiores longitudinales que permiten
mantener en el interior del núcleo temperaturas convenientes según normas.
Figura 15
La rigidez mecánica de las columnas se obtiene en máquinas de mediana
y gran potencia mediante placas de presión y tornillos pasantes AISLADOS con
manguitos de papel bakelizado ya que de no ser así se producirían
calentamientos por dispersión de flujos que podrían poner en peligro la vida
del transformador al producirse una elevación de temperatura motivada por
pérdidas suplementarias.
Figura 16: Vistas de
núcleos montados
También es notable el progreso conseguido en el aspecto denominado
“factor de aprovechamiento” que es el cociente de dividir la sección del hierro
en el núcleo por la totalidad del mismo hierro más aislamiento:
Tabla 6: Factores de aprovechamiento del
núcleo
■ Ruidos y vibraciones
El transformador es generalmente un generador de vibraciones. El
núcleo sometido a un campo magnético creado por una corriente alterna de 50
períodos, se alarga y contrae (fenómeno magnetoestrictivo) 50 veces por segundo
originando una vibración cuya frecuencia es de 100 Hz., doble de la
alimentación.
El núcleo al vibrar, origina ondas sonoras de la misma frecuencia, que
se transmiten al aire de alrededor.
Ver post:
El problema del ruido en los Centros de Transformación (CT’s)
Si las
dimensiones del núcleo son pequeñas comparadas con la longitud de onda de una
determinada componente (3.2 m, para 104 Hz.) parte del núcleo vibrará fuera de
fase por lo que habrá más transmisión de
vibraciones que de radiación acústica. Esta es una de las razones por la que
los pequeños transformadores tienen zumbidos de más altas componentes que los
grandes transformadores.
Son varios los
parámetros que influyen en la magnetoestricción además de la calidad del
material, por ejemplo, el tratamiento de la chapa, la solicitación mecánica, la
dirección del flujo con respecto a la orientación del material.
La
consideración primaria consiste en reducir el ruido en su fuente, es decir en
el circuito magnético. Para un transformador determinado, ello significa que es
necesario disminuir los valores de inducción, lo que conduce a costos de
material más elevados.
La magnetoestricción también depende fuertemente de la uniformidad del
flujo, de la dirección del mismo y de la calidad de los ensamblados del
circuito magnético, manifestándose más intensamente en los yugos que en las
columnas.
Trabajos de
desarrollo en un transformador de 100 kVA, han permitido comprobar que
aumentando la sección de los yugos en un 16% se obtiene una reducción del ruido
del transformador en 5 dB.
La mayor parte del ruido transmitido a la cuba del transformador
proviene de los yugos, en particular del inferior que tiene un contacto
mecánico con la cuba. La mayoría de las veces es posible aumentar la sección
del yugo sin que ello implique un aumento del tamaño de la cuba del
transformador.
Por ello debe ser ensayado el transformador, con objeto de explorar su
nivel sonoro, a lo largo de todo el espectro de frecuencias en diversos puntos
del mismo, con el fin de determinar si los índices en decibelios obtenidos
entran dentro de normas.
Figura 17: Espectrogramas del nivel sonoro
(a) y de vibración (b)
En las figura 17 se representan los espectrogramas de la aceleración
de la vibración generada por un transformador medido en el punto “B” (C.T.) y
en la figura inferior el del nivel sonoro generado por el mismo, medido en el
punto “A” (Local colindante).
Si estos valores estuvieran fuera de normas, sería objeto de estudio
de la máquina y del local donde está ubicada, con el fin de tomar las medidas
necesarias para así evitar transmitir el nivel de vibraciones y ruidos fuera
del recinto, o bien que los emitidos al exterior no sobrepasen los límites
admitidos. Para ello sería preciso instalar, material absorbente de sonido en
paredes exteriores, material aislante en paredes exteriores, aislamiento de
cuadros, soportes aislantes para anclaje de cables; base aislante para
transformadores, etc., por ello un transformador con niveles más bajos de ruido
y vibración harían innecesarias la mayor parte de las medidas indicadas
anteriormente
Figura 18: Transmisión del ruido y la vibración
generados por el transformador a los locales colindante
Tabla 7: Potencias
y presión sonora según NEMA y DIN
Tabla 8: Potencias y presión sonora según UNE 21428
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