Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS
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Propósito del núcleo del transformador
En un transformador de energía eléctrica, hay devanados primarios, secundarios y, a veces, también terciarios. El rendimiento de un transformador depende principalmente de los enlaces de flujo entre estos devanados. Para un enlace de flujo eficiente entre estos devanados, se debe proporcionar en el transformador un camino magnético de baja reluctancia común a todos los devanados. Esta trayectoria magnética de baja reluctancia en el transformador se conoce como el núcleo de un transformador . Los tres tipos principales de núcleos de transformadores son:
Influencia del diámetro del núcleo del transformador
Consideremos que el diámetro del núcleo del transformador es ′ D ′.
Luego, el área de la sección transversal del núcleo,
Ahora, voltaje por turno, 
donde, B m es la máxima densidad de flujo del núcleo. 
E es proporcional a D 2 .
Por lo tanto, el voltaje por vuelta aumenta con el aumento del diámetro del núcleo del transformador.
Nuevamente, si el voltaje a través del devanado del transformador es V.
Entonces V = eN, donde N es el número de vueltas en el devanado.
Si V es constante, e es inversamente proporcional a N. Y, por tanto, D 2 es inversamente proporcional a N. Entonces, el diámetro del núcleo aumenta, el número de vueltas en el devanado del transformadorreducido. La reducción del número de vueltas, la reducción de la altura de las patas del núcleo a pesar de la reducción de la altura de las patas del núcleo aumentada en el diámetro del núcleo, da como resultado un aumento del diámetro total del núcleo magnético del transformador . Este aumento del peso del acero conduce en última instancia a un aumento de las pérdidas en el núcleo del transformador . El aumento del diámetro del núcleo conduce a un aumento del diámetro principal en el devanado. A pesar del mayor diámetro de las vueltas de los devanados, la reducción del número de vueltas en los devanados conduce a una menor pérdida de cobre en el transformador .
Entonces, seguimos aumentando el diámetro del núcleo del transformador, se incrementarán las pérdidas en el núcleo del transformador pero al mismo tiempo se reducirán las pérdidas de carga o de cobre en el transformador . Por otro lado, si se reduce el diámetro del núcleo, se reduce el peso del acero en el núcleo; lo que conduce a una menor pérdida del núcleo del transformador, pero al mismo tiempo, esto conduce a un aumento en el número de vueltas en el devanado, significa un aumento en el peso del cobre, lo que conduce a una pérdida adicional de cobre en el transformador. Por lo tanto, el diámetro del núcleo debe optimizarse durante el diseño del núcleo del transformador , considerando ambos aspectos.
Material para el núcleo del transformador
El principal problema con el núcleo del transformador es su histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas . La pérdida de histéresis en el transformador depende principalmente de los materiales de su núcleo. Se encuentra que, una pequeña cantidad de silicio aleado con acero con bajo contenido de carbono produce material para el núcleo del transformador, que tiene baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad. Debido a la creciente demanda de energía, se requiere reducir aún más las pérdidas del núcleo y, para eso, se emplea otra técnica en el acero, que se conoce como laminación en frío. Esta técnica organiza la orientación de la veta en el acero ferromagnético en la dirección de laminación.
El núcleo de acero que se ha sometido tanto a la aleación de silicio como a la laminación en frío se conoce comúnmente como CRGOS o acero al silicio orientado a grano laminado en frío. Este material ahora se utiliza universalmente para fabricar núcleos de transformadores.
Aunque este material tiene una baja pérdida específica de hierro, aún así; tiene algunas desventajas, como que es susceptible de aumentar la pérdida debido al flujo de flujo en una dirección diferente a la orientación del grano y también es susceptible de un rendimiento deteriorado debido al impacto de doblar y cortar la hoja CRGOS de corte. Ambas superficies de la hoja están provistas de un revestimiento aislante de óxido.
Diseño óptimo de la sección transversal del núcleo del transformador
La densidad de flujo máxima del acero CRGO es de aproximadamente 1,9 Tesla. Significa que el acero se satura a una densidad de flujo de 1,9 Tesla. Un criterio importante para el diseño del núcleo del transformador es que no debe estar saturado durante el modo de operación normal del transformador. Los voltajes del transformador dependen de su flujo magnetizante total. El flujo de magnetización total a través del núcleo no es más que el producto de la densidad de flujo y el área de la sección transversal del núcleo. Por lo tanto, la densidad de flujo de un núcleo se puede controlar ajustando el área de la sección transversal del núcleo durante su diseño.
La forma ideal de la sección transversal de un núcleo de transformador es circular. Para obtener una sección transversal circular perfecta, todas y cada una de las láminas de acero laminadas sucesivas deben cortarse en diferentes dimensiones y tamaños. Esto es absolutamente antieconómico para la fabricación práctica. En realidad, los fabricantes utilizan diferentes grupos o paquetes de un número predefinido de hojas de laminación de la misma dimensión. El grupo o paquete es un bloque de láminas laminadas con una altura (espesor) óptima predefinida. El núcleo es un conjunto de estos bloques de manera sucesiva según su tamaño desde la línea central del núcleo, que da una forma circular óptima de la sección transversal. Esta sección transversal típica se muestra en la figura siguiente.
Se necesitan conductos de aceite para enfriar el núcleo. Los conductos de enfriamiento son necesarios porque la temperatura de los puntos calientes puede aumentar peligrosamente y su número depende del diámetro del núcleo y de los materiales que se utilizan para el núcleo. Además de eso, se necesitan placas de sujeción de acero a ambos lados del núcleo para sujetar la laminación. Los bloques de laminación de chapa de acero, los conductos de aceite y las placas de sujeción; todo debe estar dentro de la periferia del círculo central óptimo.
El área de sección neta se calcula a partir de las dimensiones de varios paquetes y se toma en cuenta el espacio perdido entre la laminación (conocido como factor de apilamiento) para el cual la hoja de acero de 0,28 mm de espesor con revestimiento de aislamiento es de aproximadamente 0,96. El área también se deduce de los conductos de aceite. La relación entre el área de la sección transversal neta del núcleo y el área de la sección transversal bruta dentro del círculo periférico imaginario se conoce como factor de utilización del núcleo del transformador. Un número creciente de pasos mejora el factor de utilización pero, al mismo tiempo, aumenta el costo de fabricación. El número óptimo de pasos está entre 6 (para un diámetro más pequeño) y 15 (para un diámetro más grande).
Fabricación de núcleo de transformador
Durante la fabricación del núcleo de un núcleo de transformador, los principales factores que se tienen en cuenta,
- Mayor confiabilidad.
- Reducción de la pérdida de hierro en el transformador y corriente de magnetización.
- Reducir el costo del material y el costo de la mano de obra.
- atenuación de los niveles de ruido.
El control de calidad es necesario en cada paso de la fabricación para garantizar la calidad y la fiabilidad. La chapa de acero debe probarse para garantizar los valores específicos de pérdida de núcleo o de pérdida de hierro. La laminación debe ser revisada e inspeccionada visualmente adecuadamente, la laminación oxidada y doblada debe ser rechazada. Para reducir los ruidos del transformador, la laminación debe sujetarse firmemente y deben evitarse los agujeros perforados en la medida de lo posible para minimizar las pérdidas de hierro de flujo cruzado. El espacio de aire en la articulación de las extremidades y los yugos debe reducirse tanto como sea posible para permitir trayectorias conductoras suaves máximas para la corriente de magnetización.
Unión de las esquinas de las extremidades con yugos
Las pérdidas en el núcleo del transformador se deben principalmente a,
- Flujo de flujo magnético a lo largo de la dirección de la orientación del grano,
- Flujo de flujo magnético perpendicular a la dirección de la orientación del grano, esto también se conoce como pérdidas de hierro de grano transversal. La pérdida de grano transversal se produce principalmente en las zonas de unión de las esquinas de las ramas con yugos y puede controlarse en cierta medida aplicando técnicas especiales de unión de las esquinas. Normalmente se utilizan dos tipos de juntas en el núcleo de un transformador,
- Uniones intercaladas
- Juntas de inglete
Juntas intercaladas en el núcleo del transformador
La junta intercalada en el núcleo del transformador es la forma más sencilla de juntas. Esta articulación se muestra en la figura. El fundente sale y entra en la junta en perpendicular a la orientación del grano. Por tanto, las pérdidas de grano cruzado son elevadas en este tipo de juntas. Pero considerando el bajo costo de fabricación, es preferible usarlo en transformadores de clasificación pequeña.
Juntas en inglete en el núcleo del transformador
Aquí las laminaciones se cortan a 45 o . Las ramas y los bordes de laminación del yugo se colocan cara a cara en las juntas en inglete en un núcleo de transformador. Aquí el flujo entra y sale de la laminación, toma un camino suave en la dirección de su flujo; por lo tanto, la pérdida de grano cruzado es mínima aquí. Sin embargo, implica un aumento de los costes de fabricación. Es preferible usarlo en tipos de transformadores donde la minimización de pérdidas es el criterio principal en el diseño de un núcleo de transformador .
