Vistas: 0 Autor: Editor del sitio Hora de publicación: 2026-08-28 Origen: Sitio
Cuando los ingenieros revisan las especificaciones de un transformador, generalmente prestan atención primero al aumento de temperatura del devanado, la impedancia, el nivel de aislamiento, el método de enfriamiento y la pérdida de carga. En Zisheng Electric , sin embargo, una de las áreas que verificamos muy temprano en el diseño electromagnético es el núcleo del transformador..
Hay una razón práctica para esto.
La pérdida de cobre cambia con la carga. Las pérdidas en el núcleo no desaparecen cuando la fábrica detiene la producción por la noche o cuando un transformador de distribución transporta sólo el 20% de la carga. Mientras el transformador permanezca energizado, el núcleo continúa funcionando.
Esto hace que el diseño del núcleo del transformador esté estrechamente relacionado no sólo con la eficiencia, sino también con la temperatura de funcionamiento, el ruido, la corriente de excitación y las condiciones de aislamiento a largo plazo.
Para los transformadores que operan en Medio Oriente y África, estos detalles merecen más atención. Las altas temperaturas ambiente, la fluctuación de voltaje, los alimentadores de distribución largos y los diferentes requisitos del sistema de 50 Hz/60 Hz pueden reducir el margen de diseño de un transformador que parece perfectamente aceptable sobre el papel.
Un núcleo de transformador proporciona la ruta magnética que une los devanados primario y secundario. Cada ciclo de CA requiere que el material magnético se magnetice en una dirección y luego se invierta.
Durante este proceso se pierde energía.
En la ingeniería práctica de transformadores, las pérdidas del núcleo se dividen principalmente en pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas..
La pérdida por histéresis depende en gran medida de las propiedades magnéticas del acero eléctrico y de la densidad de flujo operativo. La pérdida por corrientes parásitas se genera por corrientes inducidas dentro del propio acero. Ésta es una de las razones por las que los núcleos de los transformadores se construyen a partir de finas laminaciones aisladas en lugar de un bloque de acero sólido.
Los fabricantes de acero eléctrico de grano orientado también identifican las laminaciones más delgadas, la calidad del material y la orientación magnética como factores importantes para reducir las pérdidas del transformador.
Para un transformador de distribución que permanece energizado durante todo el año, incluso una diferencia relativamente pequeña en las pérdidas sin carga se acumula continuamente. Esta es la razón por la que comparar la eficiencia del transformador solo con la carga nominal puede pasar por alto parte del costo operativo real.
La mayoría de los transformadores de potencia y distribución convencionales utilizan acero eléctrico de grano orientado laminado en frío , normalmente denominado acero al silicio CRGO.
Pero simplemente escribir 'núcleo CRGO' en una especificación técnica le dice muy poco a un ingeniero.
Los diferentes grados de acero tienen diferentes pérdidas específicas, características de permeabilidad, propiedades de recubrimiento y comportamiento de saturación. El espesor de la lámina también varía.
El acero eléctrico de mayor rendimiento puede reducir la energía necesaria para la magnetización. Las laminaciones delgadas ayudan a restringir las corrientes parásitas que circulan dentro de cada hoja. Las calidades refinadas en el dominio magnético pueden reducir aún más las pérdidas en condiciones de funcionamiento adecuadas.
Un de menores pérdidas núcleo de transformador produce menos calor interno durante la energización continua, lo que reduce la carga térmica sobre el aceite, los devanados y el sistema de enfriamiento.
Un de menores pérdidas núcleo de transformador produce menos calor interno durante la energización continua. Por lo tanto, el sistema de refrigeración del transformador tiene menos calor que eliminar antes de considerar siquiera las pérdidas de carga.
En un clima templado esto puede simplemente mejorar la eficiencia. En una instalación exterior a 45-50°C, ese margen térmico adicional se vuelve mucho más valioso.
La pérdida por corrientes parásitas aumenta cuando se permite que las corrientes circulantes se desarrollen sobre áreas conductoras más grandes.
Los fabricantes de transformadores abordan este problema dividiendo el núcleo en muchas láminas delgadas y aislando eléctricamente una laminación de la siguiente.
Por lo tanto, el espesor de la chapa es importante.
La investigación sobre acero eléctrico y los datos de los fabricantes muestran que reducir el espesor de la laminación es un método establecido para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. La relación se vuelve particularmente importante a medida que aumentan la frecuencia y la densidad de flujo.
Hay otro problema de fabricación que los ingenieros a veces pasan por alto: dañar el revestimiento aislante durante el corte, el apilado o la sujeción.
Si las laminaciones adyacentes están puenteadas eléctricamente por rebabas pesadas, revestimientos dañados o contaminación conductora, se pueden desarrollar corrientes circulantes localizadas. Es posible que el dibujo aún muestre un buen diseño del núcleo, pero el núcleo fabricado ya no funciona exactamente como se calculó.
Por eso la selección de materiales y la calidad de fabricación no pueden separarse.
Uno de los parámetros más importantes en el diseño del núcleo del transformador es la densidad de flujo operativo del núcleo del transformador , porque afecta directamente la pérdida sin carga, la corriente de excitación y el margen magnético. Una relación simplificada del transformador se puede escribir como:
B ≈ V / (4,44 × f × N × A)
donde B es la densidad de flujo magnético, V es el voltaje aplicado, f es la frecuencia, N son las vueltas del devanado y A es el área efectiva del núcleo.
Esta ecuación explica varios problemas prácticos de diseño.
El aumento de la densidad de flujo puede reducir la sección transversal requerida del núcleo y hacer que el transformador sea más compacto. Sin embargo, si se empuja demasiado, la pérdida del núcleo, la corriente de excitación y el ruido acústico aumentan rápidamente a medida que el material se acerca a la saturación.
Usar una densidad de flujo innecesariamente baja tampoco es automáticamente un buen diseño. El núcleo se vuelve más grande y pesado, aumenta el consumo de material y las dimensiones del devanado también pueden verse afectadas.
Por lo tanto, el objetivo de ingeniería no es el valor más bajo ni el más alto posible. Es un punto operativo que equilibra la pérdida, el tamaño, el costo, el ruido y el margen magnético para las condiciones reales del proyecto.
Esto es importante cuando los transformadores se suministran a diferentes países.
La mayoría de los sistemas eléctricos africanos funcionan a 50 Hz , mientras que las especificaciones del proyecto en partes del Medio Oriente pueden requerir 50 Hz o 60 Hz dependiendo de la utilidad y la aplicación. El transformador debe calcularse para la frecuencia indicada en la especificación del proyecto.
La cuestión clave es la relación V/f..
Hacer funcionar un equipo diseñado en torno a una condición magnética de 60 Hz con un suministro de 50 Hz al mismo voltaje aumenta la densidad de flujo a menos que el diseño proporcione un margen suficiente. Eso puede aumentar la corriente de excitación, la pérdida del núcleo, la vibración y el calentamiento.
Por lo tanto, no tratamos 50 Hz y 60 Hz como un detalle de placa agregado al final del diseño. Pertenece al cálculo magnético desde el principio.
No se puede construir un núcleo de transformador a partir de una pieza continua de acero eléctrico. Las laminaciones individuales deben coincidir en las uniones de las extremidades y del yugo.
Un mal diseño de las juntas crea discontinuidades magnéticas.
El flujo magnético tiene entonces que atravesar espacios efectivos más grandes o desviarse de la dirección de laminación preferida del acero. La concentración de flujo local aumenta, lo que puede aumentar la corriente de excitación, la pérdida sin carga y el ruido.
Los núcleos modernos suelen utilizar juntas escalonadas totalmente a inglete . En lugar de concentrar la junta en un lugar, las laminaciones sucesivas se superponen en pasos.
El objetivo es una transferencia de flujo más suave a través de la región de la articulación.
La precisión del corte y la alineación del apilado se vuelven fundamentales aquí. Un buen cálculo electromagnético no puede compensar un núcleo mal apilado con espacios irregulares.
Esta es una de las razones por las que consideramos el proceso de apilamiento de núcleos de transformadores como una operación de fabricación controlada en lugar de un simple ensamblaje de láminas.
Para obtener una visión más detallada del corte, el apilamiento y la fabricación de piezas activas, consulte nuestra guía del proceso de fabricación de transformadores IEC . Proceso de fabricación de transformadores IEC
En Zisheng Electric, no tratamos el rendimiento básico únicamente como una especificación del material. Durante el ensamblaje del núcleo del transformador, nuestros ingenieros verifican la alineación de la laminación, las rebabas de corte, la consistencia de las juntas escalonadas, la condición del revestimiento de aislamiento y la uniformidad de la sujeción. Incluso el acero CRGO de alta calidad puede mostrar una mayor pérdida sin carga si las laminaciones están dañadas o mal apiladas. Estas comprobaciones ayudan a mantener el núcleo fabricado cerca del diseño electromagnético original.
Una vez que el núcleo ha sido apilado, necesita suficiente soporte mecánico para permanecer estable durante el montaje, transporte y operación del bobinado.
Más fuerza de sujeción no es necesariamente mejor.
El acero eléctrico es sensible al estrés mecánico. Una presión local excesiva, una deformación o una mala disposición de sujeción pueden degradar el rendimiento magnético. Una sujeción insuficiente crea un problema diferente: las laminaciones pueden vibrar más fácilmente, aumentando el ruido de funcionamiento y el movimiento mecánico.
Por lo tanto, la estructura de sujeción del núcleo tiene dos funciones al mismo tiempo.
Tiene que mantener el circuito magnético mecánicamente estable sin crear tensiones innecesarias en el acero eléctrico.
Esto es especialmente relevante para transformadores grandes transportados a largas distancias a sitios de proyectos en Medio Oriente o África, donde las condiciones de la carretera y el manejo pueden ser muy diferentes a los del interior de la fábrica.
El núcleo del transformador normalmente requiere una disposición de puesta a tierra controlada.
En muchos diseños, el núcleo está conectado a tierra intencionalmente en un punto.
Múltiples puntos de conexión a tierra no deseados pueden crear bucles conductores cerrados. El flujo magnético parásito puede entonces inducir corrientes circulantes a través de la estructura del núcleo, las abrazaderas o las vías de conexión a tierra.
El resultado puede ser un calentamiento localizado que es difícil de identificar mediante una inspección externa.
Por lo tanto, durante el montaje y la inspección, los ingenieros deben verificar el aislamiento del núcleo a tierra y confirmar que la disposición de puesta a tierra coincide con el diseño aprobado.
Un problema de puesta a tierra central no necesariamente aparece inmediatamente durante la puesta en servicio. Eso es exactamente lo que lo convierte en un problema de confiabilidad a largo plazo.
El acero eléctrico en sí no suele ser el componente que determina la vida térmica del transformador.
El enlace más importante es este:
Una mayor pérdida del núcleo aumenta la carga térmica total del transformador. Si el diseño de enfriamiento y el margen ambiental son limitados, el aumento resultante en las temperaturas del aceite y del devanado puede acelerar el envejecimiento del aislamiento.
IEC 60076-2 aborda los requisitos de aumento de temperatura y las pruebas de aumento de temperatura para transformadores sumergidos en líquido, incluidas las consideraciones sobre los puntos calientes del devanado.
Esta conexión se vuelve particularmente importante en climas cálidos.
Supongamos que dos transformadores tienen capacidad y pérdida de carga idénticas, pero uno tiene una pérdida sin carga notablemente mayor. En condiciones exteriores idénticas, esa pérdida adicional del núcleo se convierte continuamente en calor dentro del transformador.
En un clima moderado, el sistema de refrigeración puede absorber cómodamente esa diferencia.
En un sitio industrial de Medio Oriente con una temperatura ambiente alta en verano, el margen térmico disponible es menor. El sistema de refrigeración tiene que lidiar con el calor ambiental, la pérdida de carga y la pérdida del núcleo al mismo tiempo.
Nuestro artículo sobre la selección de transformadores en Arabia Saudita para entornos de 50 °C analiza este problema del margen térmico con más detalle. Guía de selección de transformadores de Arabia Saudita para calor de 50 °C
Factor de diseño central |
Riesgo principal |
Impacto en el rendimiento |
Lo que los ingenieros deberían comprobar |
Grado de acero eléctrico |
Mayor pérdida específica |
Mayor pérdida sin carga |
Grado de acero y pérdida sin carga garantizada. |
Densidad de flujo |
Operación cerca de la saturación |
Mayor corriente de excitación y pérdida. |
V/f nominal y densidad de flujo de diseño |
Junta escalonada |
Concentración de flujo local |
Mayor pérdida y ruido. |
Diseño de juntas y calidad de apilamiento. |
Puesta a tierra del núcleo |
corriente circulante |
sobrecalentamiento local |
Puesta a tierra y aislamiento de un solo punto |
Recubrimiento de laminación |
corriente interlaminar |
Pérdidas locales y puntos calientes |
Control de rebabas y condición del recubrimiento. |
Es por eso que los ingenieros que evalúan cotizaciones de transformadores no deben comparar sólo la capacidad, la impedancia y el precio.
Una cotización técnicamente más sólida también debería definir el material del núcleo, la garantía de pérdida sin carga, la frecuencia, la base de diseño magnético y las pruebas de fábrica relevantes.
El mismo núcleo de transformador puede comportarse de manera diferente cuando cambian las condiciones del proyecto.
Para instalaciones de alta temperatura en Medio Oriente, las menores pérdidas internas ayudan a preservar el margen de enfriamiento. La pérdida del núcleo no se puede considerar separadamente del diseño del radiador y del aumento de temperatura del devanado.
En las redes de distribución africanas aparece con frecuencia otra condición: alimentadores largos y variaciones de voltaje notables.
Un aumento en el voltaje aplicado aumenta la densidad de flujo del núcleo cuando la frecuencia permanece constante. Por lo tanto, un transformador diseñado con muy poco margen magnético puede mostrar un aumento más pronunciado en la corriente de excitación y pérdida sin carga durante una sobretensión sostenida.
La calidad de la forma de onda del voltaje también importa. Los componentes de voltaje armónico introducen componentes magnéticos de mayor frecuencia y la pérdida del núcleo generalmente se vuelve más sensible a medida que aumenta la frecuencia.
La respuesta correcta no es simplemente 'usar mejor acero al silicio'. Los ingenieros deben revisar las condiciones operativas completas: rango de voltaje del sistema, frecuencia, entorno armónico, temperatura ambiente y patrón de carga esperado.
El diseño del núcleo se verifica principalmente mediante control de fabricación y pruebas eléctricas.
Para el transformador terminado, la pérdida sin carga y la medición de la corriente sin carga son particularmente importantes. Estos valores proporcionan una verificación directa de si el circuito magnético fabricado se comporta cerca del cálculo de diseño.
Una corriente sin carga inesperadamente alta puede indicar una densidad de flujo excesiva, problemas en las uniones del núcleo, diferencias de materiales o desviaciones de fabricación.
Una pérdida sin carga inesperadamente alta merece una investigación en lugar de ser aceptada simplemente porque el transformador aún puede energizarse normalmente.
Dependiendo de los requisitos del proyecto, los ingenieros también pueden revisar el nivel de sonido, el aislamiento del núcleo, el comportamiento de excitación y las pruebas especiales relacionadas.
IEC 60076-1 sigue siendo el estándar IEC general para transformadores de potencia, y cubre clasificaciones, requisitos generales y marco de pruebas.
La eficiencia del transformador no puede crearse mediante la placa de identificación.
Mucho antes de FAT, el rendimiento del transformador ya estaba influenciado por la selección del acero eléctrico, el cálculo de la densidad de flujo, el corte de laminación, el diseño escalonado, la precisión del apilamiento, la sujeción y la conexión a tierra.
Para los ingenieros que trabajan en proyectos de Medio Oriente y África, recomendamos observar el núcleo del transformador junto con el aumento de temperatura, el enfriamiento y las condiciones reales de la red en lugar de evaluarlo como un componente aislado.
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