CARACTERÍSTICAS
TÉCNICAS
Generalidades
Gran parte de las pérdidas en la actual chapa de
grano orientado, aleación de acero con el 3% de silicio, se deben a su
estructura cristalina. A pesar de los importantes avances llevados a cabo en la
producción de este tipo de chapa, los resultados obtenidos distan mucho de las
posibilidades del metal base. Parece evidente que hay que buscar otras
alternativas.
La solución consiste en evitar la formación de la
estructura cristalina del hierro.
En la búsqueda de esta solución se empezó a
desarrollar la chapa amorfa.
Descripción
La chapa amorfa empleada en la construcción de
transformadores de distribución es una aleación del 92% de hierro, 5% de sílice
y 3% de boro solidificado bruscamente, de modo que evite su cristalización y
mantenga la estructura amorfa propia del estado líquido.
El producto final es una lámina de 0,025 mm de
espesor, dura y de bajo factor de laminación, que recocida bajo campo magnético
tiene unas pérdidas específicas del orden del 25% de las chapas más
desarrolladas de acero al silicio (ver figuras 1 y 2). Estas características se
mantienen estables en el tiempo de acuerdo con las experiencias obtenidas en
transformadores en servicio durante más de 30 años y los resultados de ensayos
de envejecimiento en laboratorio.
Pérdidas
específicas
El excepcional nivel de pérdidas obtenido tiene
tres fundamentos.
- Pérdidas parásitas: Por el menor espesor, del orden de 10 veces, y la mayor resistividad de la chapa amorfa.
- Pérdidas por histéresis: Por ser el ciclo de histéresis de la chapa amorfa, considerablemente mas estrecho que el de la chapa de grano orientado.
- Pérdidas anómalas: Por inexistencia de una estructura cristalina.
Figura 1: Pérdidas específicas
Figura 2: Ciclos de histéresis
Figura 3: Comparación de normas del Departamento de
Energía (DoE) de EE.UU. sobre eficiencia mínima, de obligado cumplimiento, para una diversidad
de transformadores
Proceso
de fabricación de la chapa amorfa.
La rápida solidificación es la clave para obtener
aleaciones amorfas, los primeros intentos de fabricación se hicieron en 1959.
Los productos obtenidos eran poco menos que curiosidades de laboratorio, pero
marcaban el inicio de un periodo de desarrollo. Solo era necesario un proceso
industrial para producir chapa amorfa en las condiciones demandadas por los
fabricantes de transformadores.
En 1975, Allied Signal desarrolló el
procedimiento de colada en chorro plano, el cual permitía la fabricación en
continuo de láminas de chapa amorfa. La clave del proceso consiste en mantener
una aportación estable de material fundido a 1400 ºC sobre un tambor muy frío.
(Fig. 4)
Figura 4
La cinta solidificada a una velocidad de
enfriamiento de un millón de grados por segundo sale del tambor a más de 90
km/h. y se bobina en proceso continuo en forma de una delgada cinta, de unos 25
µm de grosor (ver fig. 5).
Figura 5
En 1982 se instaló en USA el primer transformador
de distribución con núcleo de chapa amorfa, desde entonces más de un millón de
transformadores de este tipo se han instalado en todo el mundo.
DISEÑO
Y CONSTRUCCIÓN DE LOS TRANSFORMADORES
Durante el desarrollo de la técnica de
fabricación de núcleos con chapa amorfa, se fueron desarrollando las mejores
alternativas llegándose a la conclusión de que el núcleo arrollado de cinco
columnas es el más adecuado desde el punto de vista de proceso y resultados.
Además los valores obtenidos en los ensayos
realizados sobre transformadores terminados presentan muy poca dispersión. Es
decir, se trata de un proceso industrial perfectamente controlable y repetible.
Los transformadores con núcleo de chapa amorfa
difieren de los de chapa de grano orientado únicamente en el circuito
magnético. Por supuesto, las pérdidas en vacío son mucho más bajas, hasta un
70% que con las mejores calidades de acero RGO (grano regular orientado).
Siendo idénticas el resto de características como tensiones de servicio,
niveles de aislamiento, tensión de cortocircuito, calentamiento, envejecimiento
y aislamiento.
Los transformadores con núcleos de metal amorfo
generan un nivel de ruido entre 3 y 5 dB mayor que los de núcleo de acero RGO.
Las técnicas para reducir estos mayores niveles de ruido son objeto de
actividades de investigación actuales.
Figura 6: Pérdidas sin carga en
transformadores estándar y de núcleo de metal amorfo sumergidos en líquido y de
tipo seco de 1.000 kVA
VENTAJAS
EN LA UTILIZACIÓN DE TRANSFORMADORES CON NÚCLEOS AMORFOS
Los transformadores con núcleo de chapa amorfa
debido a sus pérdidas extra reducidas ofrecen la posibilidad de:
- Optimizar los medios de generación.
- Reducir los costos de explotación.
- Reducir la contaminación medio ambiental.
Los beneficios anuales estimados, utilizando
transformadores con núcleo de chapa amorfa serían:
Tabla 1: Potencial anual de ahorro de
energía e impacto sobre la producción
de CO2 por el uso de transformadores de distribución
en MT.
La utilización de
un núcleo de metal amorfo puede impedir la emisión de 140.000 toneladas
de CO2 (equivalente a 60.000
kg de petróleo) durante un periodo de funcionamiento de 20 años para un transformador
de 1.000 kVA.
Admitiendo que alrededor de un 1 % de la
capacidad de generación instalada en EE.UU., de 1.4 TW, se desaproveche en
pérdidas sin carga en los transformadores de distribución,
esta reducción de pérdidas mediante el empleo de
núcleos amorfos sugiere un posible ahorro anual de energía de cerca de 85.000
millones de kWh.
Costes
del transformador
Cuando se elige un transformador, se pueden
considerar distintos costes: de adquisición, del ciclo de vida o que incluyen
todos los gastos de infraestructura añadidos. Los costes del ciclo de vida
incluyen la capitalización de las pérdidas en el transformador. Esto se hace
normalmente utilizando el método del TOC (coste total de propiedad), en el que
se asignan valores determinados a P0 y Pk. Estos valores,
entre otras consideraciones, dependen del coste de la electricidad, del coste
de proporcionar la energía perdida y de la utilización del transformador. Los
valores utilizados por la mayoría de las compañías eléctricas oscilan entre 5 y
10 $/W para P0 y entre 1 y 2 $/W para Pk.
TOC = CT + A · P0 + B · Pk
($) donde TOC = coste total de propiedad, CT = precio de compra del
transformador, A = factor de capitalización para pérdidas sin carga y B =
factor de capitalización para la pérdida con carga.
Figura 7: Comparación de los TOC
(costes totales de propiedad) de transformadores normales y de núcleo de metal
amorfo
Los transformadores de distribución con núcleo de
chapa amorfa tienen un coste de adquisición mayor. Sin embargo, si se tienen en
cuenta los costes del ciclo de vida, siguen siendo la opción más económica.
FUENTES:
Revista ABB 2/12: La distribución apuesta por el transformador
verde.
ABB Diestre: Transformadores de distribución con
núcleo de chapa amorfa (Francisco Arauzo, Alberto Olarte).
POST RELACIONADO:
Restricciones de los Transformadores con núcleo
amorfo frente a la normativa europea
https://imseingenieria.blogspot.com/2015/10/restricciones-de-los-transformadores.html
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