Cómo afecta la orientación del grano a la eficiencia del transformador en laminaciones CRGO

La orientación del grano es donde la eficiencia del transformador toca silenciosamente techo. Alinéelo bien y los modernos CRGO permite reducir las pérdidas en vacío a menos de un vatio por kilogramo; si se deja que el flujo se desvíe veinte o treinta grados, se devuelve una gran parte de ese margen en forma de calor.

1. La orientación del grano es su presupuesto de eficiencia real, no sólo una especificación de material

La mayoría de las hojas de datos agrupan la orientación del grano en dos líneas amistosas: B₈ en torno a 1,9-2,0 T y números de pérdida en el núcleo cercanos a 0,7-0,9 W/kg a 1,5 T, 50 Hz para grados Hi-B finos. Los textos de diseño dicen entonces "mantener el flujo a lo largo de la dirección de rodadura" y siguen adelante. Útil, pero muy comprimido.

En la práctica, esa "dirección" es la mayor variable oculta en su presupuesto de pérdidas sin carga. Los aceros de grano orientado están diseñados para que la permeabilidad y las pérdidas sean fuertemente anisótropas: el flujo a lo largo de la dirección de rodadura tiene una coercitividad baja y una permeabilidad alta; el flujo que gira en sentido contrario paga una penalización creciente. Las revisiones modernas de los aceros eléctricos siguen mostrando una clara diferencia entre los aceros de grano orientado y los no orientados, pero con un rendimiento que se deteriora progresivamente a medida que el ángulo de magnetización se aleja de la dirección de laminación.

Los fabricantes de transformadores lo saben, aunque rara vez lo expliquen. Cuando calculan las pérdidas en el núcleo a partir de las curvas de acero, ya aplican un factor de "diseño" o "ponderación" para cubrir las juntas, las esquinas y el flujo fuera del eje. Ese factor es básicamente la penalización por lo bien (o mal) que se respeta la orientación del grano dentro del núcleo ensamblado.

2. Qué ocurre realmente cuando el ángulo de magnetización deriva

Sobre el papel, el CRGO es un policristal con una textura Goss muy nítida, {110}〈001〉 en su mayor parte fijada a la dirección de laminación. En realidad, cada grano está un poco desviado. Los ángulos de desviación de unos pocos grados son comunes, y varían de grano a grano. Bajo un campo magnetizante uniforme a lo largo de la dirección de laminación, los dominios de los granos "mejor alineados" se mueven libremente; los dominios de los granos desalineados necesitan más campo, giran de forma menos cooperativa y gastan más energía en cada ciclo.

En cuanto se magnetiza en ángulo respecto a la dirección de laminación, se cargan más esos granos más duros. Las mediciones magnéticas en aceros de grano orientado ultrafino muestran que la densidad de flujo de saturación y la permeabilidad descienden de forma constante con el ángulo de magnetización, con un fuerte deterioro más allá de unos 20-30 grados. Los estudios angulares clásicos sobre el GO convencional muestran la misma historia: las curvas de pérdida y permeabilidad son aproximadamente simétricas en torno a la dirección de laminación y la pérdida específica del núcleo a 1,5 T puede casi duplicarse entre 0° y alrededor de 60-90°.

Esta es la razón por la que "alrededor de 30 grados" sigue apareciendo en los trabajos modernos sobre anisotropía. Dentro de ese margen, el GO sigue siendo mejor que el acero no orientado en cuanto a densidad de flujo y pérdidas. A partir de ahí, las ventajas disminuyen rápidamente y pueden desaparecer a mayor flujo o frecuencia.

Para simplificar el diseño, puede tratar el ángulo como un multiplicador en la hoja de datos del acero en lugar de como una nota a pie de página.

Impacto aproximado del ángulo de magnetización en un acero GO típico (1,5 T, 50 Hz)

La tabla que aparece a continuación comprime las tendencias de varios estudios de dependencia angular en una simple vista relativa. No es un sustituto de sus propias mediciones de Epstein; es un mapa aproximado de lo que ya implican las curvas de anisotropía publicadas.

Una vez más, estas cifras son indicativas. Los grados, el grosor, el estado de tensión y el nivel de inducción las hacen variar, pero la forma de la tendencia es persistente.

3. Donde los núcleos pierden realmente la orientación

En el dibujo, su núcleo trifásico parece perfectamente alineado. En la pila, no lo está.

Las ramas rectas cortadas con la dirección de laminación paralela al fundente son tan buenas como lo será el material. Una vez que se llega a las juntas y esquinas, el fundente tiene que curvarse. Incluso con uniones a inglete o escalonadas, hay pequeñas regiones donde la dirección local del fundente corta las laminaciones a 30-60 grados. Ahí es donde se esconde la penalización de la tabla anterior.

Recientes trabajos sobre la anisotropía en núcleos de grano orientado con capas desplazadas un ángulo constante muestran cambios mensurables en la pérdida total del núcleo con sólo cambiar la forma en que las laminaciones de una pila están desalineadas angularmente entre sí. Investigaciones similares en láminas de Fe-Si GO confirman que la pérdida total es una mezcla de pérdida isotrópica por corrientes parásitas e histéresis fuertemente direccional más pérdidas por exceso, todas ellas oscilantes con el ángulo de magnetización.

El software de diseño suele modelar la GO con un simple tensor de permeabilidad construido a partir de curvas de rodadura y transversales, interpoladas elípticamente. De este modo, se considera que la dirección transversal es la peor y se asume que todo lo demás se comporta sin problemas. Mediciones más detalladas en múltiples ángulos muestran que este atajo puede dar un error notable, especialmente a niveles de flujo más altos donde la anisotropía se vuelve más no lineal. Esto se nota en la diferencia entre las pérdidas en vacío previstas y las medidas en los nuevos diseños.

Así pues, cualquier región del núcleo en la que las líneas de flujo tengan trayectorias 2D complicadas -solapamientos de escalones, regiones de uniones en T, zonas de las esquinas de los núcleos enrollados- deberían etiquetarse mentalmente como "multiplicadores de pérdidas fuera del eje", y no sólo como detalles geométricos.

4. La orientación también es tensión, revestimiento y procesamiento

La orientación no es sólo un ángulo en su modelo CAD; el estado de tensión del acero y el patrón de dominio la modifican.

Los fabricantes de grados Hi-B, como ORIENTCORE, demuestran que la tensión de tracción a lo largo de la dirección de laminación, inducida principalmente por el revestimiento superficial, puede reducir la histéresis y las pérdidas parásitas y, al mismo tiempo, disminuir la magnetostricción, lo que favorece tanto la eficiencia como el ruido. Existe una región óptima: muy poca tensión y los dominios no se estabilizan; demasiada y las pérdidas vuelven a aumentar.

El trazado por láser y otras técnicas de refinamiento de dominios funcionan subdividiendo los dominios a lo largo de la dirección de laminado sin destruir el revestimiento. Las mediciones en 3% Si-Fe muestran reducciones significativas en la pérdida de núcleo después de este tratamiento, siempre que la magnetización esté cerca de la dirección de laminación. Una vez que el flujo empieza a girar, esos dominios estrechos formados con tanto cuidado no se utilizan con tanta eficacia.

El corte hace lo contrario. El punzonado mecánico introduce zonas de borde deformadas plásticamente con tensiones residuales y desorientación local. Esto engrosa la capa fuera del eje de cada laminación, especialmente en las calidades finas de pérdidas ultrabajas. El bobinado o ensamblaje de los núcleos con un control deficiente sobre la presión de los huecos o una sujeción desigual añade otros estados de tensión que no se alinean perfectamente con la dirección de flujo prevista. Nada de esto aparece en la etiqueta de grado de la acería, pero todo cambia la anisotropía efectiva que se ve en el transformador acabado.

La magnetostricción también está relacionada con la orientación. Los datos de los aceros de grano orientado muestran que la amplitud de la magnetostricción depende tanto del grado del material como del ángulo entre la magnetización y la dirección de laminación. Las juntas desalineadas no sólo desperdician energía, sino que también se convierten en fuentes de ruido local.

5. Tratar el ángulo de magnetización como una variable de diseño

La mayoría de los flujos de diseño de núcleos siguen tratando la orientación del grano como una elección binaria: utilizar CRGO, alinear laminaciones, listo. Con las expectativas de eficiencia y los precios de la energía actuales, se trata de un planteamiento muy burdo.

Una mentalidad más útil es tratar el ángulo como un recurso limitado que asignas.

Las regiones de alto flujo (extremidades centrales, yugos principales, zonas del lado del depósito donde la inducción se aproxima a 1,7-1,8 T) merecen ángulos de magnetización tan próximos a 0° como lo permita la disposición. Las regiones de unión pueden tolerar más desviación si la densidad de flujo local se reduce por la geometría, pero una vez que se deja que esas regiones vivan alrededor de 30° a alto flujo, se está sentado en la fila de la tabla donde su multiplicador de pérdidas se aproxima a 1,5 o más.

Los estudios de materiales que comparan los aceros de grano orientado y los no orientados a más de 0-90° confirman lo que los diseñadores ya sospechaban: El GO mantiene una gran ventaja en torno a los 20-30°, y después su superioridad se desvanece rápidamente. Por lo tanto, si está diseñando algo en lo que el flujo va a ser rutinario a 45-60° en regiones extensas, vale la pena preguntarse si un grado GO premium es la elección de coste correcta, o si en su lugar debería cambiar la geometría.

Las tolerancias de fabricación encajan en el mismo modelo mental. Un proceso de corte que deja unos grados de incertidumbre en la dirección efectiva de laminación en tiras individuales puede ser aceptable en yugos de bajo flujo, pero resulta caro si esas tiras migran a las extremidades. Los buenos fabricantes de núcleos ya separan las bobinas y los conjuntos de laminación según la pérdida y la direccionalidad medidas; los ingenieros de diseño deben asumir ese comportamiento, no el material ideal, cuando dimensionan sus márgenes de pérdida.

6. ¿Cuánta eficiencia está realmente en juego?

Los números lo hacen menos abstracto. Tomemos un transformador de distribución de 1 MVA con un núcleo Hi-B moderno. Si se utilizan las calidades GO actuales, en torno a 0,23-0,27 mm, las pérdidas en vacío pueden rondar los 800-1000 W a inducción nominal, según las tablas de calidades típicas.

Ahora supongamos que el diseño del núcleo y las opciones de fabricación hacen que el ángulo de magnetización medio en una fracción del núcleo pase de ser "casi perfecto" a la banda de 20-30°. La tabla anterior sugiere un aumento plausible de 30-50% en la pérdida específica en esas regiones con la misma densidad de flujo. Supongamos que el efecto neto es un aumento conservador de 20% en la pérdida total sin carga: 160-200 W adicionales.

A lo largo de una vida útil de 25 años, con el transformador activado la mayor parte del tiempo, esos 200 W extra queman tranquilamente unos 44 MWh. Incluso con precios modestos de la energía, eso supone varios miles de euros en costes de funcionamiento que no consiguen nada, salvo alimentar la anisotropía en la dirección equivocada. Si esto se aplica a una flota de miles de unidades, las columnas de la hoja de cálculo de capitalización de pérdidas empiezan a tener otro aspecto.

El punto clave es que este coste no es coste de "calidad del material"; es coste de orientación. Ya has pagado por el acero bueno.

7. Medición y control de los efectos de la orientación

Los laboratorios se están poniendo al día con las necesidades de los diseñadores. Las pruebas convencionales de marco Epstein a 0° y 90° siguen constituyendo la columna vertebral de la certificación de grado, pero ahora se trabaja mucho más en la caracterización multiángulo y la modelización de la anisotropía. En lugar de alimentar el solucionador con dos curvas e interpolar, se pueden construir modelos basados en mediciones en tres o más ángulos de corte y predecir propiedades para ángulos arbitrarios con mayor fidelidad.

También se están utilizando métodos no destructivos, como el ruido magnético de Barkhausen, para clasificar los aceros de grano orientado e inferir la calidad de la textura y la tensión sin necesidad de realizar pruebas magnéticas completas, y resulta interesante que su dependencia angular concuerda con la idea de que las propiedades permanecen bastante planas hasta una determinada ventana angular antes de degradarse. Esto le proporciona herramientas para comprobar si la bobina que acaba de llegar a su planta tiene la textura nítida y el estado de baja tensión que usted buscaba.

En los transformadores en funcionamiento, obviamente no se puede volver a colocar el núcleo en un bastidor Epstein. Pero se puede controlar el contenido armónico de la corriente magnetizante, los patrones de temperatura en las juntas y las señales de ruido en las esquinas como prueba indirecta de dónde se está desperdiciando la orientación.

8. Hacia dónde se dirige la investigación sobre la orientación de los granos y por qué repercute en los transformadores.

Muchos de los trabajos recientes sobre aceros de grano orientado se centran en motores, no en transformadores. Los ingenieros están experimentando con estatores segmentados en los que cada segmento mantiene su flujo dentro de esa ventana favorable de ±20-30° y gana un par o eficiencia de unos pocos puntos porcentuales en comparación con los núcleos no orientados.(PMC) Esto no es más que otra expresión de la misma anisotropía que se combate en las juntas de los transformadores.

El GO ultrafino, las aleaciones con mayor contenido de silicio y los revestimientos avanzados siguen reduciendo las pérdidas en el núcleo con una alineación ideal. Pero a medida que se reducen las pérdidas intrínsecas del material, aumenta la proporción de pérdidas debidas a errores de orientación, daños por corte y tensiones de montaje. La importancia relativa de la disciplina de diseño y fabricación aumenta aunque los vatios absolutos disminuyan.

Así que la lección práctica es sencilla, aunque la ejecución sea complicada. La orientación de la fibra no es un eslogan; es un bien escaso. La seleccionas cuando eliges CRGO, y luego la proteges con una buena geometría, un corte ajustado, un cuidadoso control de la tensión y un modelado realista, o intercambias trozos de ella en esquinas y juntas. Al transformador no le importa si los vatios extra proceden de un grado más barato o de un ángulo descuidado; sólo conoce la trayectoria de magnetización que realmente ve.