Diseño de la laminación de transformadores de distribución: directrices prácticas

Si trata laminación como un detalle de coste neutro, se acaba pagando cada hora que el transformador está bajo tensión. La mayor parte de las pérdidas en vacío, una buena parte del nivel sonoro y una sorprendente cantidad de fiabilidad ya están fijadas en el momento de elegir el grosor, el factor de apilamiento, el estilo de unión y el solapamiento. Este texto trata sobre cómo tomar las decisiones correctas a la primera.

1. Partir del presupuesto de pérdidas, no del catálogo de acero

Los núcleos laminados no son una decoración barata. En los pequeños transformadores de distribución monofásicos, el material del núcleo por sí solo puede suponer alrededor de un tercio del coste total del material, y sus pérdidas dominan el coste de propiedad durante toda la vida útil.

Un reajuste mental útil es sencillo: comience con el objetivo de pérdida sin carga y el nivel sonoro permitido y, a continuación, fuerce las opciones de laminado para servir a eso, y no al revés.

Para unidades de 5-50 kVA, un estudio de sensibilidad sobre 144 diseños comparó tres espesores de CRGO (0,18, 0,23, 0,27 mm) y demostró que la chapa M3 de 0,23 mm solía dar tanto el precio de oferta como el coste total de propiedad más bajos en aproximadamente cuatro de cada cinco casos. Esto no significa que 0,23 mm sea universalmente "lo mejor", sino que sólo se gana si se reduce el espesor cuando la capitalización de pérdidas es realmente alta o cuando la normativa obliga a ello.

Así que antes de tocar CAD:

Se acuerdan los factores de capitalización de las pérdidas en vacío y en carga. Se traducen en un margen aceptable de pérdidas en vacío. Sólo entonces te preguntas: "¿Qué espesor y material me permiten alcanzar esa ventana con cierto margen?".

Si se salta ese bucle, la "optimización" de la laminación se convierte rápidamente en conjeturas.

2. Material y grosor: compromisos deliberados

Acero eléctrico de grano orientado (GOES) sigue siendo el caballo de batalla de los transformadores de distribución convencionales. Las calidades típicas a 50/60 Hz funcionan cómodamente con inducciones de hasta 1,7 T aproximadamente, con pérdidas y corriente magnetizante aceptables, siempre que la trayectoria del flujo se mantenga principalmente a lo largo de la dirección de laminación.

Las hojas de datos de las GOES modernas muestran factores de laminación superiores a 95% incluso para galgas finas. Un ejemplo: a una presión de apilamiento de 50 psi, una banda de 0,18 mm da factores de laminación en torno a 95-96%, 0,23 mm en torno a 95-96%, 0,27 mm en torno a 96-97% y 0,35 mm pueden rozar 98%, dependiendo del revestimiento. Esto por sí solo ya dice algo. Una chapa más gruesa aumenta ligeramente el factor de apilamiento, pero perjudica las pérdidas por parásitos. Una chapa más fina hace lo contrario. No hay comida gratis, sólo un equilibrio.

La cinta amorfa también es diferente. Su pérdida de material es mucho menor, pero el factor de apilamiento de los núcleos bobinados es de alrededor de 0,8 en lugar de 0,95+, y la inducción utilizable es menor, aproximadamente en la región de 1,3-1,4 T para diseños prácticos. Se obtiene una enorme reducción de los vatios en vacío, pero se devuelve cobre adicional y una ventana de núcleo más grande.

Una forma práctica de pensarlo:

En el caso de los transformadores de distribución de eficacia estándar, en los que la empresa eléctrica sigue centrándose en el precio de compra, el CRGO de 0,23-0,27 mm suele ser el punto óptimo.

Para las clases de eficiencia más altas, en las que la penalización de la pérdida en vacío es grave, pasar a CRGO o amorfos de 0,18 mm tiene sentido, pero sólo si la fabricación puede vivir con el menor factor de apilamiento y el material más frágil.

La clave está en elegir el grosor sólo después de haber hecho números sobre el coste de las pérdidas durante la vida útil frente al acero y el cobre adicionales. La intuición ya no es suficiente.

3. Factor de apilamiento y factor de construcción: tratarlos como variables de diseño.

El factor de apilamiento no es algo que le ocurra a su núcleo. Es un número en torno al cual debes diseñar y luego medir.

Formalmente, el factor de apilamiento es la relación entre la sección magnética efectiva y la superficie bruta apilada. Disminuye debido al grosor del revestimiento aislante, las rebabas, los huecos y la desalineación. En la práctica, para el acero al silicio de alrededor de 0,3-0,5 mm a frecuencia de potencia, los factores de apilamiento típicos son de alrededor de 0,92-0,96, y las pilas GOES bien construidas pueden superar 0,95 incluso en calibres más finos. Los núcleos amorfos viven por debajo, a menudo cerca de 0,8.

Aquí tienes una tabla compacta que puedes utilizar realmente a la hora de dimensionar:

El factor de construcción es el otro factor silencioso. Refleja las pérdidas adicionales derivadas de las juntas, los espacios de aire, la distorsión y las tensiones residuales más allá de lo que indica el catálogo de pérdidas. Los trabajos sobre diseño de juntas y selección de laminados muestran sistemáticamente que las juntas deficientes y la presión de montaje pueden añadir varios puntos porcentuales a las pérdidas en el núcleo, incluso cuando el acero en sí es idéntico.

Si está diseñando programas informáticos u hojas de cálculo, es más sano hacerlo:

Utilice ks de una tabla como la anterior en lugar de un único 0,97 mágico. Aplique un factor de construcción sobre las pérdidas, no sobre el área, y ajústelo con las pruebas en vacío medidas en su propia fábrica.

De este modo, las matemáticas reflejan la realidad en lugar de las ilusiones.

4. Geometría escalonada del núcleo: ¿cuántos escalones son suficientes?

La mayoría de los transformadores de distribución utilizan núcleos escalonados para que el cobre vea algo parecido a una columna circular, sin tener que mecanizar un círculo de acero macizo.

Los manuales de diseño clásicos indican la fracción del círculo que realmente rellena el acero para distintos números de escalones. Una tabla muy utilizada muestra un relleno de alrededor de 85% para un núcleo de tres escalones, alrededor de 91% para cinco escalones, aproximadamente 93-94% para siete a nueve escalones y alrededor de 96% para once escalones.

El patrón es sencillo. Los primeros pasos mejoran mucho. Después de siete o nueve, usted está pagando complejidad para tal vez un uno por ciento extra de relleno círculo.

Para pequeñas unidades de poste, tres pasos pueden funcionar si el objetivo de pérdidas no es agresivo y el fabricante quiere simplicidad, aunque muchos fabricantes estandarizan en cinco. Para transformadores de distribución de 100 a 630 kVA con especificaciones en vacío más estrictas, es habitual utilizar de cinco a siete pasos. Nueve o más pasos empiezan a tener sentido sobre todo en unidades de alta eficiencia o más grandes, donde cada vatio de pérdida se monetiza y la geometría del devanado se beneficia realmente de un círculo más preciso.

La otra variable silenciosa es cómo se distribuye la anchura de los pasos. Para diseños de ventana rectangular, un patrón con pasos más estrechos en el interior y más anchos en el exterior tiende a facilitar la colocación del bobinado y dar una densidad de corriente más uniforme sin mucha penalización en la distribución del flujo, siempre que el área media sea correcta.

Aquí no hay una regla universal, pero puedes pensar en dos pasadas. Primer paso: elegir el número de pasos a partir de la clasificación y la clase de eficiencia. Segundo paso: ajustar la anchura de cada paso para que el círculo final visto por el bobinado se adapte a la disposición del conductor y no sólo al modelo de elementos finitos.

5. Estilo de unión: a tope, a inglete y a solapa en la vida real

El diseño de juntas para laminaciones es el punto en el que chocan la teoría, los diagramas de elementos finitos y la presión de la producción.

Las juntas a tope son fáciles de cortar y apilar. También producen una fuerte aglomeración local de flujo en las juntas, una mayor corriente magnetizante y mayores pérdidas en vacío. Las diapositivas de los grandes fabricantes de transformadores siguen mostrando claramente este contraste.

Las juntas totalmente cortadas a inglete distribuyen mejor el flujo a lo largo de la dirección de laminación, reduciendo la saturación local. Los empalmes a inglete escalonados van más allá al escalonar los cortes a lo largo de varios pasos para que el flujo no vea una única discontinuidad abrupta. Los datos industriales demuestran que los núcleos de solapamiento escalonado, en comparación con los de solapamiento a tope convencionales, pueden proporcionar notables reducciones de vatios en vacío, corriente magnetizante y nivel sonoro para el mismo grado de acero e inducción.

Hoy en día, para los nuevos transformadores de distribución por encima de las potencias más bajas, el escalonamiento en inglete es básicamente la línea de base. Ya no se trata de una tecnología exótica. Las cuestiones interesantes ahora son cuántos pasos hay en la junta, qué longitud de solapamiento y cómo se alinean los libros.

6. Longitud de solapamiento y número de laminaciones por paso

Existe la tentadora idea de que "más solapamiento debe ser más seguro". Los datos no están de acuerdo.

Un estudio experimental que variaba la longitud de solapamiento de la junta y el número de laminaciones por paso en núcleos de transformadores de distribución descubrió que, dentro del rango práctico, el número de laminaciones por paso tenía poco efecto neto sobre las pérdidas, porque las restricciones de fabricación lo compensaban con otras dimensiones. Sin embargo, al aumentar el solapamiento de aproximadamente 1 cm a 2 cm, aumentaban claramente las pérdidas en el núcleo debido a una mayor distorsión del flujo en la región de unión.

Lo que eso significa en la práctica:

Mantenga el solapamiento tan corto como pueda sin dejar de cumplir las restricciones de resistencia mecánica y montaje. Unos 10 mm suelen ser un punto de partida razonable para núcleos de distribución de tamaño medio; pasar a 20 mm puede costarle varios vatios sin ninguna ganancia eléctrica real.

No se obsesione con añadir más laminaciones por paso más allá de lo que su equipo de corte y apilado pueda manejar de forma consistente. El estudio sugiere que la sensibilidad de la pérdida a ese parámetro es baja una vez establecidos el solapamiento y la geometría básica.

Es más útil mantener una tolerancia estricta en la planitud y la separación de las juntas, y controlar cómo se intercalan los pasos de un miembro con el yugo. Aquí es donde los modelos de elementos finitos resultan realmente rentables, sobre todo si ya se dispone de utillaje y sólo es posible realizar pequeños cambios de forma.

7. Entrehierros, rebabas y los daños silenciosos de un mal acabado.

Incluso una geometría perfecta sobre papel puede estropearse por un corte y apilado descuidados.

Los revestimientos aislantes y las rebabas afectan al factor de apilamiento, pero las rebabas también introducen tensiones mecánicas locales y pequeños huecos que empeoran la histéresis y las pérdidas por parásitos más allá de lo que predice el catálogo de laminación. Normas como la ASTM A719 tratan el factor de laminación en función del grosor de la chapa, el revestimiento y la compresión, y exigen explícitamente el desbarbado para obtener resultados repetibles.

Las recomendaciones típicas tanto de los libros de texto como de los datos de las fábricas se reducen a:

Mantenga la altura de las rebabas muy por debajo del grosor del aislamiento, que suele ser inferior a 10% del grosor de la chapa.

Controle la presión de la pila durante la medición y el montaje; demasiado baja y los huecos permanecen abiertos, demasiado alta y puede distorsionar las laminaciones o dañar los revestimientos, perjudicando de nuevo las pérdidas.

En el lado obvio, pero todavía sorprendentemente frecuente en los pequeños talleres: deben rechazarse las laminaciones con óxido, dobleces o abolladuras, no "ocultas" en las capas interiores. Las guías prácticas insisten en la inspección visual y la clasificación por este motivo.

Si quiere comprobar rápidamente la salud de su proceso, una simple medición del factor de apilamiento basada en la densidad de una pila comprimida frente a la densidad del material es barata y reveladora. Un ks que desciende de 0,96 a 0,93 significa que se está tirando por la borda la sección transversal y aumentando la densidad de flujo en todas partes, tanto si alguien ha cambiado los planos como si no.

8. Planitud, recocido con alivio de tensiones y por qué el programa del horno es importante para el diseño del laminado.

El GOES depende de granos cuidadosamente orientados. El trabajo mecánico, el doblado apretado o el punzonado cerca de los bordes introducen tensiones que degradan la permeabilidad y aumentan las pérdidas; el recocido de alivio de tensiones puede restaurar gran parte del rendimiento magnético, pero sólo si las laminaciones se apoyan y calientan de forma que se preserve la planitud y la calidad del recubrimiento.

Los rangos típicos de alivio de tensiones para las GOES se sitúan en torno a los 760-845 °C en una atmósfera protectora como el nitrógeno seco, a veces con una cantidad controlada de hidrógeno. El problema es que si las piezas del núcleo se apilan o sujetan de forma distinta a su estado final de montaje, pueden saltar o alabearse tras el recocido. Entonces, cuando se construye realmente el núcleo, aparecen pequeños huecos no deseados en las juntas y pasos.

Por tanto, el diseño de la laminación y la práctica del recocido deben dialogar. Si se pasa de un laminado a tope a un laminado multipaso y de una chapa de 0,27 mm a una de 0,18 mm, pero los dispositivos de recocido y el régimen de presión se adaptan al diseño anterior, el ahorro teórico en pérdidas se verá en parte absorbido por la distorsión y los daños en el revestimiento.

Esta es una de las razones por las que algunos fabricantes compran núcleos multi-step-lap completamente ensamblados y liberados de tensiones a proveedores especializados. Las hojas de datos de estos proveedores indican explícitamente que las uniones escalonadas, cuando se fabrican correctamente, pueden lograr las pérdidas más bajas posibles para un grado de acero determinado en un diseño de pila plana.

Si la fabricación de los núcleos es interna, merece la pena realizar un breve ejercicio de diseño de experimentos: variar la temperatura de recocido, el tiempo y la presión de apilado para un diseño de laminación fijo, y medir realmente el factor de laminación y la pérdida en vacío en los núcleos prototipo. Es más lento que no cambiar nada, pero mucho más rápido que enviar transformadores ruidosos durante años.

9. Agujeros en yugos, abrazaderas y detalles mecánicos que perturban el flujo.

Los núcleos reales necesitan orificios para pernos, ranuras de alineación e interfaces de sujeción. Cada vez que se retira acero de una región de alto flujo, se fuerza al flujo a apretarse alrededor del obstáculo y a elevar la inducción local.

Los textos sobre diseño de transformadores señalan que los agujeros perforados en las laminaciones del yugo, especialmente cerca del centro del limbo, distorsionan el patrón de flujo y aumentan localmente la densidad de flujo y la magnetostricción. Esto provoca pérdidas adicionales en el núcleo y, a veces, un "punto caliente" audible en las mediciones de sonido.

Un par de ajustes prácticos ayudan:

Mantenga la región de mayor flujo del yugo lo más limpia posible. Desplaza los orificios grandes ligeramente lejos de la línea central, o hacia zonas donde la inducción calculada ya sea menor debido a la forma del escalón.

Sincronice el patrón de escalones con las ubicaciones de los pernos para que éstos no aterricen donde varios escalones ya estrechan el área efectiva.

Si se utilizan yugos desplazados o secciones reducidas para ahorrar acero, hay que volver a comprobar la densidad de flujo con factores de apilamiento y construcción realistas; muchos diseños se acercan a la curva B-H una vez aplicados esos factores.

Estos ajustes no son glamurosos, pero a menudo son la diferencia entre un núcleo que se comporta como el modelo FEM y uno que le sorprende en el banco de pruebas.

10. Armónicos, formas de onda distorsionadas y opciones de laminación

Los transformadores de distribución rara vez ven ondas sinusoidales perfectas. Las cargas no lineales y las redes ricas en convertidores inyectan armónicos que elevan efectivamente la oscilación del flujo de pico y aumentan las pérdidas dinámicas en el núcleo. Los estudios sobre las pérdidas en el hierro del transformador bajo tensión distorsionada muestran que los armónicos más altos pueden elevar las pérdidas en vacío significativamente por encima del valor medido con una prueba sinusoidal, incluso cuando la tensión eficaz se mantiene igual.

Las láminas interactúan con esta realidad de varias maneras.

Unas láminas más finas reducen las pérdidas por corrientes parásitas en las frecuencias armónicas más altas, pero, como se ha visto antes, pueden disminuir ligeramente el factor de apilamiento. Una modesta reducción de la inducción de diseño, por ejemplo de 1,7 T a 1,6 T, combinada con una lámina ligeramente más fina, puede mantener a menudo bajo control las pérdidas ricas en armónicos sin un crecimiento excesivo del tamaño.

Por otro lado, si insiste en una inducción alta y una lámina gruesa en una red que se sabe que tiene fuertes armónicos de 3ª, 5ª o 7ª, la pérdida aparente del núcleo en el emplazamiento puede superar los valores de aceptación de fábrica por un margen notable. Puede que los clientes no culpen a las láminas; sólo verán un "transformador ineficiente".

Cuando los perfiles de carga son inciertos, una regla conservadora es mantener cierta distancia de la inducción nominal del material, especialmente para los núcleos amorfos cuya magnetostricción es más sensible, y especificar un ensayo con una forma de onda distorsionada representativa de la aplicación cuando el contrato sea lo suficientemente grande como para justificarlo.

11. Un esquema de trabajo: Unidad trifásica con núcleo de 250 kVA, 11/0,4 kV

No es un diseño completo, sólo una instantánea para mostrar cómo se relacionan las decisiones de laminación.

Imagine un transformador de distribución sumergido en aceite de 250 kVA, 50 Hz, trifásico, 11 kV / 0,4 kV, con un requisito de eficiencia moderado típico de muchas empresas de servicios públicos.

Se parte de un objetivo de pérdidas en vacío de, digamos, unos 450-500 W. La empresa de suministro proporciona factores de capitalización que hacen que reducir 50 W de pérdidas en vacío merezca la pena.

Usted considera GOES de 0,27 mm y 0,23 mm. Los datos del catálogo y el documento de sensibilidad sugieren que 0,23 mm M3 puede dar una pérdida aceptable y un buen equilibrio de coste de material para esta clasificación. Su objetivo es una inducción de diseño cercana a 1,6 T bajo tensión nominal, no en el extremo superior absoluto.

Utilizando la conocida relación voltios/vuelta, se elige un voltios/vuelta que da una sección transversal del núcleo de unos 0,036 m² a 1,6 T con 50 Hz. El área bruta es entonces A_total ≈ A_net / ks. Con ks elegido como 0,955 de la tabla, se obtiene un área bruta un poco mayor que la estimación inicial, suficiente para mantener el acero honesto.

Para la geometría, se selecciona una configuración de pata circular y yugo de cinco pasos. Esto da un relleno de círculo de aproximadamente 91%, por lo que el cobre ve una columna bastante redonda. Se especifican juntas de solapado escalonado totalmente a inglete con un solapamiento de unos 10 mm y un tamaño de libro estándar de cinco laminaciones por escalón, compatible con su línea de corte e inspirado en las ofertas típicas de núcleo de solapado escalonado múltiple.

Usted decide que los orificios de los pernos en el yugo deben estar ligeramente fuera de la zona de mayor flujo y alinea el patrón de pasos para que los pernos no golpeen las secciones efectivas más estrechas.

Por último, se introduce todo esto en el modelo de pérdida del núcleo con un factor de construcción realista, digamos 1,05 sobre la pérdida del catálogo en la inducción elegida, que refleje el rendimiento histórico de la fábrica en núcleos similares. Si la pérdida en vacío prevista sigue siendo demasiado alta, sabrá que debe reducir la inducción, reducir el grosor o mejorar el diseño de las juntas y las prácticas de recocido.

En el taller, se confirma el factor de apilamiento utilizando el método de densidad en pilas de muestras, con el objetivo de ver ks en la banda esperada de 0,95-0,96. Si sale bajo, no se culpa a las ecuaciones; se depuran el corte, el revestimiento y el apilamiento. Si sale bajo, no hay que culpar a las ecuaciones; hay que depurar el corte, el recubrimiento y el apilado.

Las decisiones de laminación son ahora elecciones rastreables y comprobables, no conocimientos tribales.

12. Reflexiones finales

El diseño de la laminación de los transformadores de distribución es uno de esos temas que parecen mundanos hasta que se empiezan a poner números al lado de cada "pequeña" decisión. El grosor, el factor de apilamiento, el número de pasos, el estilo de unión, la longitud de solapamiento, las condiciones de recocido, la colocación de los orificios y el entorno armónico influyen en los dos mismos resultados: la pérdida sin carga y el sonido.

Las normas oficiales y las fichas técnicas explican los materiales. Lo que suele faltar es la tranquila disciplina de tratar los parámetros de laminación como verdaderas variables de diseño. Una vez hecho esto, el resto del transformador - devanados, refrigeración, aislamiento - tiene un trabajo mucho más fácil.