Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
¿Alguna vez se ha preguntado qué hay dentro de un transformador? Transformers parecían cajas mágicas. El núcleo del transformador es como el corazón de un transformador, guiando el poder. El material del núcleo utilizado para este núcleo del transformador marca una gran diferencia en la transformador funciona. En este post, voy a compartir cuatro principales tipos de materiales del núcleo del transformador. Saber esto puede ayudarle a entender cómo transformadores funcionan mejor y por qué elegir el material del núcleo es tan importante para un transformador eficiente.
En pocas palabras, el núcleo del transformador es la parte central de un transformador alrededor de la cual se enrollan las espiras (bobinas de alambre). Su función principal es proporcionar un camino para el flujo magnético. Piense que es como una carretera para que la energía magnética viaje fácilmente de un bobinado a otro. Este flujo magnético es lo que permite al transformador aumentar o disminuir la tensión.
El material del núcleo es muy importante. Decide la capacidad del núcleo del transformador para guiar el flujo magnético. Un buen material del núcleo significa menos pérdida de energía y un transformador más eficiente. Si elige un material de núcleo inadecuado para su transformador, puede acabar desperdiciando mucha energía o puede que el transformador no funcione como se espera de él para su función. Las propiedades magnéticas del material del núcleo influyen directamente en el rendimiento del transformador.
Los materiales de los núcleos tienen puntos fuertes diferentes. Algunos son excelentes para manejar grandes potencias, otros son mejores para altas velocidades y algunos se eligen para mantener muy bajas las pérdidas en el núcleo. Comprender el tipo de núcleo del transformador y el material utilizado es clave para entender el transformador en su conjunto. Por eso, estudiar el diseño del núcleo del transformador es un paso importante en la fabricación de cualquier transformador.
En este diseño de núcleo, los devanados rodean el núcleo del transformador. Imagínese un donut cuadrado o rectangular: ésa es la forma del núcleo del transformador. Los devanados primario y secundario suelen colocarse en dos patas o extremidades separadas de esta estructura de núcleo. Este tipo de núcleo es bastante común.
La construcción del transformador de núcleo suele ser más sencilla, lo que facilita su fabricación y reparación. El núcleo del transformador en sí está hecho de láminas finas, llamadas laminados para transformadoresapilados. Este diseño del tipo de núcleo permite una buena refrigeración porque los devanados están más expuestos al aire o al aceite refrigerante si se trata de un gran transformador de potencia.
Una de las características de los transformadores de núcleo es que el flujo magnético tiene una trayectoria principal a través de la columna del núcleo. Las bobinas primaria y secundaria comparten este núcleo magnético. Este camino directo para el flujo magnético es una parte clave de cómo funciona este tipo de transformador. Muchos transformadores de distribución utilizan este tipo de núcleo porque es eficaz y fiable para reducir la tensión.
La forma en que se construye el núcleo de un transformador cambia realmente su comportamiento. No se trata sólo del material del núcleo, sino también de la forma y el ensamblaje. Por ejemplo, la mayoría de los núcleos de transformador no son bloques sólidos de metal. En su lugar, están hechos de muchas láminas finas de material de núcleo, como acero al silicio. Es lo que se denomina laminación del transformador o laminación del núcleo.
¿Por qué utilizar láminas finas? Para reducir las corrientes parásitas. Se trata de pequeñas corrientes no deseadas que pueden fluir dentro del núcleo si es una pieza sólida. Las corrientes parásitas provocan pérdidas de energía al calentar el núcleo del transformador. Al utilizar un núcleo laminado, rompemos las vías de estas corrientes, haciendo que el transformador sea más eficiente. Las laminaciones del núcleo del transformador son un elemento inteligente del diseño del núcleo.
El diseño real del núcleo también incluye cómo se colocan los devanados alrededor del núcleo. En un transformador con núcleo, los devanados que lo rodean son la clave. En un transformador tipo carcasa, el núcleo rodea a los devanados. Esta diferencia en la configuración del núcleo afecta a aspectos como la refrigeración, la resistencia del transformador e incluso la cantidad de material necesario para el núcleo. El diseño del núcleo permite optimizar el rendimiento del transformador.
Cuando se inventaron los transformadores, se optó por un núcleo macizo de hierro. El hierro es un buen material magnético, es decir, transporta bien el flujo magnético. Así que un núcleo de hierro parecía una buena idea. He visto algunos transformadores muy antiguos que utilizaban este método. La idea básica era obtener la mayor cantidad de hierro posible para crear un campo magnético fuerte.
Sin embargo, un núcleo de hierro macizo plantea un gran problema, sobre todo cuando se trata de la corriente cambiante que se encuentra en la mayoría de las aplicaciones de transformadores. Esta corriente cambiante crea un campo magnético cambiante, que a su vez puede crear esas molestas corrientes parásitas dentro de un núcleo de hierro sólido. Estas corrientes se arremolinan, generan calor y desperdician mucha energía. Esto significa una gran pérdida en el núcleo.
Así que, aunque un núcleo de hierro macizo puede ser sencillo, no es muy eficiente para la mayoría de los transformadores modernos. La pérdida de energía es demasiado elevada. Por eso ya no se ven mucho, sobre todo en transformadores de potencia o distribución, donde la eficiencia es clave. Hemos aprendido mejores formas de fabricar un núcleo de hierro, como el acero al silicio y las laminaciones.
Acero al silicio es sin duda el material de núcleo más utilizado en muchos tipos de transformadores. Es una aleación de hierro con una pequeña cantidad de silicio añadido, normalmente alrededor de 3%. Esta adición de silicio hace un par de grandes cosas para el núcleo del transformador.
En primer lugar, el acero al silicio aumenta la resistencia eléctrica del hierro. Esto ayuda a reducir las pérdidas en el núcleo, especialmente las causadas por las corrientes parásitas. En segundo lugar, tiene una buena permeabilidad, lo que significa que permite que el flujo magnético fluya fácilmente. Esto hace que el transformador sea más eficiente. La mayor parte del acero al silicio que se utiliza en los núcleos de los transformadores se presenta en finas láminas que forman los núcleos de los transformadores. El apilamiento de estas láminas reduce aún más la pérdida de energía.
Encontrará acero al silicio en muchos tipos de transformadores, desde los pequeños de sus aparatos electrónicos hasta los grandes transformadores de potencia y distribución. Ofrece un buen equilibrio entre coste y rendimiento. La pérdida en el núcleo es manejable y es un material fiable. Es una elección habitual para los diseños de transformadores tanto de núcleo como de carcasa porque es muy versátil. A menudo se utiliza en transformadores de distribución.
Acero amorfo, a veces llamado vidrio metálico. Esto cambió las reglas del juego. A diferencia del acero al silicio normal, que tiene una estructura cristalina, el acero amorfo tiene una estructura aleatoria, no cristalina. Esta estructura única es lo que lo hace especial para los núcleos de los transformadores.
La mayor ventaja del acero amorfo como material para núcleos es su bajísima pérdida. Al no tener los límites de grano de los núcleos de acero cristalino, es mucho más difícil que se formen esas corrientes parásitas que desperdician energía. Esto significa menos calor y mucha menos pérdida de energía, especialmente cuando el transformador no está muy cargado. Esto es estupendo para mejorar el rendimiento del transformador. Este material también tiene una alta permeabilidad.
Aunque los núcleos de acero amorfo se utilizan para fabricar un núcleo de transformador muy eficiente, pueden ser un poco más caros y a veces más difíciles de trabajar que el acero al silicio. Sin embargo, para aplicaciones de transformadores en las que el ahorro de energía es fundamental a lo largo de la vida útil del transformador, como en algunos transformadores de distribución, el coste adicional puede merecer la pena. El objetivo es reducir las pérdidas en el núcleo.
Los núcleos nanocristalinos son un nuevo tipo de material magnético y resultan muy interesantes. Los materiales nanocristalinos se fabrican tomando una cinta de metal amorfo (similar al acero amorfo) y sometiéndola a un tratamiento térmico muy cuidadoso. Este proceso crea pequeños granos de cristal de tamaño nanométrico dentro de la estructura amorfa. Es como obtener lo mejor de ambos mundos.
El resultado es un material de núcleo con una permeabilidad increíblemente alta. Esto significa que puede canalizar el flujo magnético extremadamente bien con muy poco esfuerzo. Los núcleos nanocristalinos también tienen pérdidas muy bajas, incluso inferiores a las del acero amorfo en algunos casos, sobre todo a frecuencias altas. Esto los hace ideales para aplicaciones especializadas en transformadores, como transformadores de potencia de alta frecuencia o transformadores de corriente.
Los núcleos nanocristalinos nos ayudan a diseñar transformadores aún más eficientes. Aunque pueden ser más caros que el acero al silicio, sus propiedades magnéticas superiores pueden dar lugar a transformadores más pequeños y ligeros con mejores prestaciones. Estos tipos de materiales para núcleos de transformadores desempeñarán un papel importante en la optimización de la tecnología de transformadores a medida que avancemos, especialmente cuando el espacio y la pérdida de energía sean grandes preocupaciones.
¿Si la elección entre un transformador de tipo carcasa y uno de tipo núcleo afecta al material del núcleo? La respuesta corta es: en realidad no, pero el diseño del núcleo en sí es diferente. Ambos diseños pueden utilizar materiales comunes para el núcleo, como el acero al silicio. La principal diferencia radica en la construcción del núcleo y en cómo están dispuestos los devanados y el núcleo del transformador.
En un transformador de núcleo, como ya hemos dicho, los devanados rodean el núcleo. El núcleo del transformador suele tener dos extremidades, sobre las que se colocan los devanados primario y secundario. El flujo magnético tiene una sola trayectoria. Esta construcción de transformador de tipo núcleo se ve a menudo.
En un transformador tipo carcasa, el núcleo del transformador rodea los bobinados. Es como si los devanados fueran un sándwich, y el material del núcleo fuera el pan en ambos lados y alrededor de los bordes. El diseño tipo concha suele tener un miembro central donde se colocan los devanados primario y secundario, y el flujo magnético tiene dos caminos de retorno alrededor del exterior del núcleo. A veces, un tipo de carcasa puede ofrecer un mejor soporte contra las fuerzas electromagnéticas y puede tener una estructura de núcleo más compacta. Por ejemplo, un núcleo de tres miembros o incluso de cuatro miembros puede formar parte de un diseño de transformador de tipo carcasa o de núcleo más grande. El material utilizado se elegirá en función de sus propiedades magnéticas y su capacidad para reducir las pérdidas en el núcleo.
El flujo magnético es la clave del funcionamiento de un transformador. Es el campo magnético que fluye dentro del núcleo, uniendo los devanados primario y secundario. Cuando una corriente alterna circula por el devanado primario, crea un flujo magnético cambiante. Este flujo atraviesa entonces el devanado secundario, haciendo que fluya una corriente en él. Por lo tanto, un buen control del flujo magnético es esencial para un transformador eficaz.
La pérdida en el núcleo, por otro lado, es algo que queremos minimizar. Es la pérdida de energía que se produce en el propio núcleo del transformador. Esta pérdida se convierte en calor. Hay dos tipos principales de pérdida en el núcleo: la pérdida por histéresis (debida a que los dominios magnéticos del material del núcleo se resisten a los cambios de magnetización) y la pérdida por corrientes parásitas (esas corrientes no deseadas de las que hablábamos). Un buen material y diseño del núcleo, como el uso de láminas de acero al silicio en el transformador, ayuda a mantener bajas las pérdidas en el núcleo.
Minimizar las pérdidas en el núcleo es crucial para la eficiencia del transformador. Si un transformador tiene grandes pérdidas en el núcleo, desperdicia energía, cuesta más hacerlo funcionar y puede sobrecalentarse. Esto es especialmente importante en los transformadores de potencia y distribución, que están encendidos todo el tiempo. Por eso, en el diseño del núcleo del transformador se dedica mucho esfuerzo a elegir materiales y métodos de construcción que mantengan un buen flujo magnético y reduzcan las pérdidas en el núcleo.
Elegir el material del núcleo adecuado es una decisión importante a la hora de diseñar o seleccionar un transformador. Realmente depende de las aplicaciones específicas del transformador. He visto cómo diferentes necesidades llevan a diferentes elecciones de material y diseño. Por ejemplo, si necesita un transformador reductor para la distribución general de energía, el acero al silicio suele ser una opción buena y rentable. Se suele utilizar en transformadores de distribución.
Para aplicaciones en las que minimizar la pérdida de energía es la máxima prioridad, aunque cueste un poco más por adelantado, los núcleos de acero amorfo o nanocristalinos son excelentes. Son ideales para fabricar transformadores muy eficientes. Piense en transformadores de distribución de alta eficiencia o fuentes de alimentación especializadas. Las bajas pérdidas en el núcleo de estos materiales pueden ahorrar mucha energía a lo largo de la vida útil del transformador.
Luego están las aplicaciones de transformadores de alta frecuencia, como en las fuentes de alimentación conmutadas. Aquí se suelen utilizar núcleos de ferrita, o incluso nanocristalinos, porque funcionan bien a altas frecuencias con bajas pérdidas. Las características de permeabilidad y pérdida del material del núcleo a la frecuencia de funcionamiento son fundamentales. Por tanto, conocer las exigencias de la aplicación ayuda a elegir el núcleo de transformador adecuado y a garantizar la eficiencia global del transformador. El núcleo adecuado marca la diferencia en el rendimiento del transformador.
R1: La función principal del núcleo de un transformador es facilitar el paso del flujo magnético entre los devanados primario y secundario del transformador. Esto permite que el transformador transfiera energía y cambie la tensión de forma eficiente.
A2: Los núcleos de los transformadores, especialmente los de acero al silicio, están laminados (formados por finas láminas) para reducir las corrientes parásitas. Las corrientes parásitas son corrientes no deseadas que provocan pérdidas de energía y calentamiento en el núcleo. Las laminaciones del núcleo del transformador interrumpen el paso de estas corrientes.
A3: La pérdida en el núcleo es la pérdida de energía que se produce en el núcleo del transformador cuando es magnetizado por la corriente alterna en los devanados. Se compone de la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes parásitas y da lugar a calor. Minimizar la pérdida en el núcleo mejora la eficiencia del transformador.
A4: El acero al silicio es un material muy utilizado en los núcleos de los transformadores. Añadir silicio al hierro mejora sus propiedades magnéticas y aumenta la resistividad eléctrica, lo que ayuda a reducir las pérdidas en el núcleo. Se utiliza en muchos tipos de transformadores, incluidos los de potencia y los de distribución.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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