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.
Este artículo le contará la historia de Acero al silicio. Aprenderá por qué este tipo específico de acero al silicio es la elección número uno para fabricar el corazón de todo transformador.
Empecemos por lo básico. Un transformador tiene dos partes principales: un devanado primario y un devanado secundario. Son bobinas de alambre. Cuando se envía una corriente eléctrica a través de la primera bobina, se crea un campo magnético. La función del núcleo del transformador es conducir ese campo magnético a la segunda bobina. Este proceso se basa en el principio de la inducción electromagnética.
El núcleo actúa como una carretera para la energía magnética, que llamamos flujo magnético. Queremos que la mayor parte posible de este flujo viaje del devanado primario al secundario. Si la carretera está llena de baches o agujeros, perdemos energía por el camino. Por eso es tan importante el material del núcleo de hierro. Un buen material para el núcleo asegura que el viaje sea suave y eficiente. El núcleo de hierro suele denominarse núcleo magnético porque su función principal es transportar esta energía magnética.
Quizá se pregunte: "¿Por qué no utilizar un simple bloque de hierro?". Al fin y al cabo, el acero es un material magnético y el hierro es barato. El problema es que un núcleo de hierro normal gasta mucha energía. Esta energía desperdiciada se denomina pérdida de hierro o pérdida de núcleo. Esta pérdida en el núcleo de hierro se convierte en calor, lo que es malo para el transformador y desperdicia electricidad.
Esta pérdida de hierro se debe a dos problemas principales que ocurren dentro del material del núcleo. Imaginemos el flujo magnético que circula por el núcleo. Como el transformador funciona siempre con una corriente alterna (ac), el campo magnético se mueve constantemente de un lado a otro. Este cambio constante provoca pérdidas de energía. Estas pérdidas significan que se obtiene menos energía del transformador de la que se introduce. Necesitamos un material magnético especial para combatir esta pérdida de energía.
Aquí es donde el acero al silicio viene al rescate. El acero al silicio es un material magnético asombroso que se utiliza principalmente para fabricar núcleos de transformadores. ¿Cuáles son sus secretos? En primer lugar, tiene una permeabilidad muy alta. La permeabilidad es la facilidad con la que un material se magnetiza. El acero al silicio permite que el flujo magnético fluya a través de él con gran facilidad, como el agua a través de una tubería ancha y lisa.
Esta propiedad de alta permeabilidad magnética es una de las principales razones por las que se utiliza el acero al silicio. Significa que el núcleo puede crear una fuerte trayectoria magnética con muy poco esfuerzo. El ingrediente clave, por supuesto, es el silicio. El contenido de silicio en el acero modifica sus propiedades magnéticas. Utilizamos un tipo específico de acero al silicio con la cantidad justa para obtener estos magníficos resultados. Esta excelente permeabilidad magnética es una gran ventaja para un transformador fabricado con acero al silicio.
Uno de los dos grandes derrochadores de energía se llama histéresis. Imagina que tienes un montón de imanes diminutos, llamados dominios magnéticos, dentro del núcleo de hierro. Cuando el campo magnético está activado, todos se alinean. Cuando el campo cambia, todos tienen que dar la vuelta. Esto requiere energía. La histéresis es como la fricción para estos pequeños imanes. Un material con alta histéresis es difícil de magnetizar y de desmagnetizar.
Esta rotación constante genera pérdidas por histéresis. Necesitamos un material con baja coercitividad, lo que significa que sus pequeños imanes pueden oscilar fácilmente. El acero al silicio está diseñado para tener una histéresis muy baja. El proceso de fabricación del acero al silicio ayuda a que los dominios magnéticos se muevan libremente. Esto reduce la fricción y disminuye la cantidad de energía desperdiciada en forma de calor. Esta propiedad especial es crucial para fabricar un transformador eficiente. La forma especial en que fabrican el acero al silicio ayuda a reducir esta pérdida se debe a dos factores.
El segundo gran derrochador de energía es la corriente de Foucault. Cuando el flujo magnético cambiante atraviesa el núcleo de hierro, crea pequeños remolinos de corriente eléctrica dentro del propio metal. Esto se debe a la inducción. Estos pequeños remolinos se llaman corrientes de Foucault. No realizan ningún trabajo útil. Sólo calientan el núcleo.
Este calentamiento se denomina pérdida por corrientes parásitas. Esta pérdida se debe a dos razones, pero las corrientes de Foucault son una de las principales. Piense que la corriente toma un camino equivocado y se pierde dentro del núcleo, creando calor en lugar de ayudar a transferir potencia. La pérdida de potencia en el núcleo de hierro es un problema grave porque desperdicia electricidad y puede hacer que el transformador se sobrecaliente. El núcleo de hierro del transformador puede calentarse mucho si no controlamos estas corrientes.
Entonces, ¿cómo detener estos pequeños remolinos de corriente? También aquí brilla el acero al silicio. El truco consiste en dificultar el paso de las corrientes parásitas. Para ello, aumentamos la resistencia eléctrica del metal, también conocida como resistividad.
La adición de silicio al hierro hace exactamente eso. Los átomos de silicio se interponen y dificultan mucho el movimiento de las corrientes en remolino. Una mayor resistencia provoca un menor flujo de corrientes parásitas, lo que significa que se desperdicia menos energía en forma de calor. Es una solución sencilla pero muy inteligente. Utilizar acero al silicio es una excelente manera de reducir los problemas de las corrientes parásitas y hacer que el transformador sea mucho más eficiente. Es una de las principales razones por las que se utiliza el acero.
Si alguna vez observa de cerca el núcleo de un transformador, verá que no es un bloque sólido de metal. Está hecho de muchas capas finas de chapa de acero al silicio apiladas. Esto se llama laminación. Esta es la segunda parte del plan para derrotar a la corriente parásita.
Al cortar el núcleo de hierro en finas láminas, rompemos el paso de las corrientes parásitas. Una laminación actúa como una barrera. La corriente parásita no puede fluir a través de la fina capa aislante entre las láminas. Esto obliga a que los remolinos sean muy, muy pequeños. Los remolinos pequeños significan una pérdida mucho menor por corrientes de Foucault. Si se utiliza un núcleo sólido de esta forma, las pérdidas aumentarán considerablemente. La regla es que cuanto más estrechas sean las chapas empalmadas, mejor será el efecto. Por eso, una sola lámina de acero al silicio suele tener sólo 0,35 mm de grosor. Esta estructura reduce muy eficazmente las corrientes parásitas.
No todos los aceros al silicio son iguales. Hay dos tipos principales: el acero al silicio laminado en caliente y el acero laminado en frío. Los nombres describen cómo se fabrica el acero. El acero al silicio laminado en caliente se procesa a una temperatura muy alta. Es un buen material, pero hay otro aún mejor.
Las chapas de acero al silicio laminadas en frío se procesan a temperatura ambiente. Este proceso alinea los granos del acero en una dirección muy específica. Esto facilita aún más el flujo del flujo magnético, lo que le confiere una gran intensidad de inducción magnética. Este acero eléctrico especial tiene unas propiedades magnéticas aún mejores y una menor pérdida de energía. Para los transformadores de potencia de alto rendimiento, el material utilizado es casi siempre acero al silicio laminado en frío. Este material avanzado para núcleos de transformadores es una parte importante de los sistemas eléctricos modernos.
Crear acero al silicio de alta calidad es una ciencia minuciosa. Para que el acero al silicio sea perfecto para un transformador, los fabricantes parten de acero con bajo contenido en carbono. Después, añaden la cantidad adecuada de silicio. Un alto contenido de silicio aumenta la resistividad, lo que es ideal para detener las corrientes parásitas.
Después de laminar el acero en chapas finas, tienen que recocido. Recocido significa calentar el acero y enfriarlo lentamente. Este proceso elimina la tensión del metal y ayuda a formar la estructura de grano perfecta para un rendimiento magnético asombroso. Este cuidadoso proceso es la razón por la que el acero al silicio tiene un bajo coeficiente de dilatación térmica. También garantiza que el material tenga una fuerte respuesta magnética cuando se coloca en una bobina energizada.
Así pues, unámoslo todo. El acero al silicio es la mejor opción para el núcleo de un transformador porque es un campeón en la reducción de pérdidas de energía. Un transformador fabricado con acero al silicio tiene bajas pérdidas en el núcleo porque resuelve los dos mayores problemas: la histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas. Por todos los factores favorables mencionados, es el claro vencedor.
Su alta permeabilidad magnética crea un camino suave para el flujo magnético. El silicio del interior aumenta la resistencia para detener las corrientes parásitas. El diseño de laminación rompe aún más las corrientes parásitas. De este modo, el rendimiento del transformador es asombroso. Esto significa que gastamos menos electricidad, lo que ahorra dinero y es mejor para nuestro planeta. También reduce el aumento de temperatura, lo que ayuda a que el transformador dure más. Por eso el acero al silicio es tan importante para todo tipo de dispositivos utilizados en sistemas de energía eléctrica.
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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