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CAPÍTULO 2 - MATERIALES ESTRUCTURALES 1

TRANSFORMADORES: SU CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN

Capítulo 2 : MATERIALES ESTRUCTURALES

Docentes:Ing. Juan Carlos SteccaMg. Claudio DimennaDr. Justo Roberts

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MATERIALES ESTRUCTURALES

Se trata de los materiales ferrosos usados con funciones mecánicas, y con funciones mixtas (mecánico-eléctricas o mecánico-magnéticas).

Se deben detectar eventuales sopladuras, anisotropías, oclusiones, fisuras, recurriendo a pruebas destructivas o no, como por ejemplo el uso de rayos X, rayos gamma, ultrasonido, tintas penetrantes, o partículas magnéticas, con el propósito de descartar materiales defectuosos que puedan comprometer la vida útil del transformador.

CAPÍTULO 2 - MATERIALES ESTRUCTURALES

Los materiales que tienen funciones exclusivamente mecánicas son generalmente los mismos empleados en las construcciones de cualquier otro tipo de máquina; constituyen elementos dimensionados teniendo en cuenta la naturaleza de las solicitaciones tanto estáticas como dinámicas.

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ACERO Y FUNDICIÓN Los aceros se emplean en las partes magnéticas en forma de laminados, como así también en partes exclusivamente mecánicas en forma de fundidos, y luego forjados para la construcción de la cuba, perfiles, tapa, cáncamos tanque expansión, bridas, tubos, aletas, radiadores, y tornillos.

Las piezas de acero fundido son, antes de ser mecanizadas, tratadas térmicamente para conferirle homogeneidad a la estructura y eliminar las tensiones internas.

MATERIALES MAGNÉTICOS

Propiedades magnéticas de los materiales

La cualidad de los materiales conductores se define mediante la resistividad, y los materiales magnéticos se caracterizan por la permeabilidad absoluta µ que es el factor de proporcionalidad entre los módulos de la fuerza magnética o intensidad de campo magnético H (causa) en A/v, y la inducción B (efecto) en Tesla


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B = µ . H

Habitualmente para caracterizar las propiedades magnéticas de los materiales se recurre no a la permeabilidad absoluta µ, sino a la

permeabilidad relativa µr que es igual a la relación entre la absoluta y la del

vacío que vale: Wb/Am .

60 10.256,1

r

La permeabilidad µr es por lo tanto un factor puramente numérico y es el

que normalmente se indica en las tablas y representa la cantidad de veces que μ es mayor a μ0


Se tiene por lo tanto en este caso, que la intensidad de campo magnético resulta aproximadamente igual a:

670 10256,1104

r 0 HB r 0

r

BH

6108,0 (Av/m) HB r 0

ro

BH

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B = µ . H

Habitualmente para caracterizar las propiedades magnéticas de los materiales se recurre no a la permeabilidad absoluta µ, sino a la

permeabilidad relativa µr que es igual a la relación entre la absoluta y la del

vacío que vale: Wb/Am .

60 10.256,1

r

La permeabilidad µr es por lo tanto un factor puramente numérico y es el

que normalmente se indica en las tablas y representa la cantidad de veces que μ es mayor a μ0


Se tiene por lo tanto en este caso, que la intensidad de campo magnético resulta aproximadamente igual a:

670 10256,1104

r 0 HB r 0

r

BH

6108,0 (Av/m) HB r 0

ro

BH

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Los materiales ferromagnéticos tienen una permeabilidad μ muy superiora la del vacío μ0 (del orden de miles de veces mayor) y por lo tanto μr es muy grande. Por ello, para una cierta intensidad de campo magnético (H) se obtienen inducciones (B) notablemente más grandes.

6CAPÍTULO 2 - MATERIALES

ESTRUCTURALES

Los circuitos magnéticos se fabrican chapas de hierro superpuestas, formando el apilado de laminación, que provienen del corte de bobinas o flejes de acero magnético. Es preciso conocer las pérdidas de energía en la excitación de estos circuitos magnéticos, que en las máquinas eléctricas se conocen como "pérdidas en el hierro” y están compuestas por:

Pérdidas por Histéresis

Se pueden considerar como la energía consumida en el circuito magnético para orientar los vectores magnéticos elementales que hay en su estructura cristalina, en una dirección paralela a las líneas de campo magnético que se establecen en el material.

La potencia disipada por la histéresis en un kilogramo de material ferromagnético sometido a un campo variable se puede determinar por la siguiente expresión:

HB r 0r 0

XBfCiPh ).(. max W/Kg

Pérdidas de Foucault:

Es la segunda parte importante de pérdidas de energía, y se debe a los efectos de corrientes parásitas (corrientes de Foucault), que se establecen en las partes del circuito magnético y otras partes metálicas.

Se obtienen las pérdidas por unidad de peso con la expresión siguiente:

2max

2 ).(. BfCpPf en W/Kg

Cp es una cte. que resume las propiedades físicas y dimensionales de la laminación (espesor) y tiene además en cuenta la ley de variación en el tiempo de la inducción.

Cuando la inducción no varía con ley sinusoidal es fácil reconocer que las pérdidas totales en el hierro debidas a los armónicos, tiene una sensible influencia.


ESTRUCTURALES

Para distintos tipos de chapa magnética sometidos a un valor de inducción magnética y frecuencia dados, se tiene un valor de pérdida por unidad de peso que los caracteriza (W/kg de laminación).

En la “cifra de pérdidas” garantizada por el fabricante, están incluidas las de Histéresis y las de Foucault.

Siempre es conveniente hacer una medición de la cifra de pérdidas mediante un magnetómetro de Epstein para certificar la calidad del material magnético con la cual vamos a construir el transformador.

Las distintas calidades magnéticas de los materiales se consiguen con diferentes contenidos de silicio, que puede alcanzar hasta el 4,5%.

Un aumento del contenido de silicio da lugar a menores pérdidas, se satura a valores de inducción más bajos, el material se vuelve más frágil, y se tiene una mayor abrasión sobre los troqueles que se utilizan para el corte.

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LAMINACION DE GRANO ORIENTADO Y GRANO ORIENTADO (HI-BI)

Un decisivo progreso en el mejoramiento de las cualidades de los materiales magnéticos se llevó a cabo con el procedimiento de laminación en frío, según una invención americana que se remonta al año 1934.

Se obtienen de un pre-laminado en caliente de pocos milímetros de espesor, con un contenido de silicio de aproximadamente 3%, sometido a laminaciones en frío y recocidos intermedios en atmósfera neutra.


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PROPIEDADES MAGNETICAS DE ACUERDO A ESPECIFICACIONES AISI (American Iron Steel Institute)

Cada grado está caracterizado en términos de máximas pérdidas para un valor de inducción de 1,5 y 1,7 T y para una frecuencia de 50 ó 60 Hz.

Espesor mm GradoDensidad

g/cm3 Máximas pérdidas a 1.5 T W/kg

50 Hz 60 Hz

0.27 M-4 7.65 0.89 1.17

0.30 M-5 7.65 0.97 1.28

0.35 M-6 7.65 1.11 1.45

PROPIEDADES TIPICAS DEL GRANO ORIENTADO HI-BI

Espesor mm Grado Densidadg/cm3

Máximas pérdidas a 1.7 TW/kg

50 Hz 60 Hz

0.30 M-2H 7.65 1.17 1.54

0.30 M-3H 7.65 1.23 1.63

0.35 M-4H 7.65 1.37 1.79


ESTRUCTURALES

PROPIEDADES TIPICAS DEL GRANO ORIENTADO

Esto no implica que pueda

aplicarse mayor B

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Alta permeabilidad y bajas pérdidasMagnetostricción reducida Mínimo efecto de fabricación

Características importantes de la laminación Hi-Bi:

Curvas de Pérdidas – M5 – 0,30 mm

Este fabricante no cumple con las especificaciones AISI


ESTRUCTURALES

Muy caro y no se usa en trafos de distribución

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Este fabricante si cumple con las especificaciones AISI

Curvas de Pérdidas – M5 – 0,30 mm


ESTRUCTURALES

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LAMINACION DE GRANO NO ORIENTADO

Propiedades magnéticas de acuerdo a especificaciones AISI :

Espesormm

Grado Densidadgr/cm3

Máximas pérdidas a 1.5 TW/kg

50 Hz 60 Hz

0.36 M-15 7.65 2.53 3.20

0.36 M-19 7.65 2.75 3.48

0.36 M-22 7.65 2.93 3.70

0.36 M-27 7.65 3.13 3.97

0.36 M-36 7.65 3.31 4.19

0.47 M-15 7.65 2.93 3.70

0.47 M-19 7.65 3.03 3.83

0.47 M-22 7.65 3.22 4.08

0.47 M-27 7.65 3.31 4.19

0.47 M-36 7.65 3.57 4.52

0.47 M-43 7.65 4.01 5.07

0.47 M-45 7.65 5.31 6.72


ESTRUCTURALES


Estos materiales son ampliamente utilizados para realizar las estructuras magnéticas de las máquinas rotantes, pequeños transformadores y otros equipos eléctricos y tienen propiedades magnéticas uniformes en todas las direcciones

Tienen buenas características de elaboración (facilidad de maquinado al no tener sentidos preferidos de magnetización, y ser mas dúctiles que los aceros de grano orientado) y factores de laminación del orden de 0,93

TRATAMIENTO TÉRMICO

Los aceros para uso eléctrico son especialmente sensibles a las tensiones internas. Toda deformación origina una distorsión de la red o malla cristalina, que afecta a la relación entre H y B, y afecta por lo tanto, a todas las características del material.

Las tensiones se generan en el material especialmente por un almacenamiento defectuoso, golpes, etc. y por el proceso de fabricación (punzonado, cizallado) de las laminaciones de las máquinas eléctricas.


Temperatura del tratamiento

Para la laminación de grano orientado (H-B) y la de grano orientado de alta inducción (HI-BI), se realizara el tratamiento a una temperatura de 800 °C con una máxima variación de ± 20°C.Para laminaciones de grano no orientado la temperatura es de 720 a 750 °C

Tiempo de enfriamiento

Para evitar distorsión de las superficies de las laminaciones y núcleos, se requiere que las caras se enfríen lentamente hasta una temperatura de alrededor de 350°C a razón de 25 °C por hora como máximo, particularmente para cargas del horno de algunas pocas toneladas.

Con el objeto de eliminar estas tensiones y recuperar las propiedades magnéticas se realiza un tratamiento térmico donde se debe prevenir la contaminación con carbono y la oxidación de la laminación.

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METALES AMORFOS PARA NUCLEOS DE TRANSFORMADORES

Son aleaciones metálicas donde la estructura atómica no es cristalina

La ventaja esencial es el valor excepcionalmente bajo de pérdidas comparada con otros materiales magnéticos.

A 50 Hz las pérdidas en el hierro resultan 1/3 a 1/5 de las que se tienen con los aceros al silicio de grano orientado actuales.

El único defecto es el valor relativamente bajo de su inducción de saturación que es del orden de 1,5 T. Para un transformador realizado con metal amorfo el límite de inducción nominal está alrededor de 1,4T

Debido al método de fabricación por solidificación rápida, el metal amorfo se presenta en forma de angostas cintas delgadas


ESTRUCTURALES

Fe-Si Fe-amorfo

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Año 1982 Actualmente

Ancho (mm)Espesor (mm)Factor apilado

1750.025 a 0.050

85%

sin límiteHasta 1

90% o más

Pérdidas fijas y variablesNúcleo Acero -Si

Núcleo Amorfo

Pérdidas en el núcleo (Watts) 1200 310

Pérdidas en el cobre (Watts) 4800 3750

Tabla comparativa transformador de 400 kVA


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Actualmente por la tecnología necesaria para su fabricación no se produce en nuestro país. EEUU, China, Japón lideran los países con mayor utilización de núcleos de transformadores con hierro amorfo.

La ventaja esencial es el valor excepcionalmente bajo de pérdidas comparada con otros materiales magnéticos, y depende de la pequeña superficie del ciclo de histéresis y de su pequeño espesor debido al proceso de fabricación, reduciendo notablemente las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas.



ESTRUCTURALES

Metglas 2605 HB1

www.metglas.com

https://www.hitachi-metals.co.jp/e/products/item/sm/


65000

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Laminaciones normalmente no

utilizadas en transformadores de distribución

por ser costosa y el ahorro en potencia de

pérdidas no es sustancial.


M3 0,23 mm1 W/kg

1,7 T

M4 0,27 mm1,05 W/kg

1,7 T

Grano orientado

https://www.aksteel.com/


ESTRUCTURALES

M6 0,35 mm

1,3 W/kg

1,7 T

M5 0,30 mm

1,1 W/kg

1,7 T

Grano orientado

Laminaciones normalmente utilizadas en

transformadores de distribución.


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