Núcleo amorfo vs acero al silicio: comparación de estructura, pérdidas y diseño

Núcleo amorfo vs acero al silicio es una comparación clave al seleccionar transformadores de distribución más eficientes. En las redes eléctricas urbanas y rurales, los transformadores tradicionales suelen utilizar núcleos de acero al silicio orientado laminado en frío, mientras que los transformadores de núcleo amorfo ofrecen una solución más eficiente para reducir las pérdidas en vacío y mejorar el ahorro energético a largo plazo.

En la actualidad, el núcleo de los transformadores de distribución utilizados en redes eléctricas urbanas y rurales se fabrica básicamente con láminas de acero al silicio orientado laminado en frío.

Este tipo de transformador con núcleo de acero al silicio seguirá consumiendo electricidad y generando calor siempre que esté conectado a la red, incluso si no hay carga en el lado posterior. Por lo tanto, sus pérdidas en vacío son relativamente altas.

Sin embargo, en los transformadores de aleación amorfa, el núcleo utiliza un nuevo tipo de material de aleación amorfa. En comparación con los transformadores convencionales con núcleo de acero al silicio, su consumo eléctrico en vacío después de energizarse se reduce significativamente.

Para reducir el consumo energético de los transformadores y mejorar su eficiencia operativa, las ideas de mejora más importantes se concentran principalmente en dos aspectos:

▪️ Primero, sustituir el núcleo por materiales magnéticos de mayor calidad;

▪️ Segundo, optimizar la estructura interna del núcleo y de las bobinas para aprovechar al máximo las ventajas de los nuevos materiales, como la alta permeabilidad magnética y las bajas pérdidas. A largo plazo, esto puede ahorrar una cantidad considerable de costos eléctricos y generar mejores beneficios económicos.

¿Qué es una aleación amorfa?

Los metales que vemos comúnmente en la vida diaria son materiales cristalinos. Su estado físico se caracteriza por una disposición de los átomos en forma de cristales según determinadas reglas. En cambio, en los materiales de aleación amorfa, los átomos internos se distribuyen de manera irregular, sin una estructura cristalina ordenada. Cuando los metales se calientan y se funden, los átomos internos se vuelven activos; si luego se enfrían rápidamente, los átomos no tienen tiempo suficiente para ordenarse y cristalizar de forma regular, formando así lo que se conoce como aleaciones amorfas.

Las aleaciones amorfas se producen principalmente mediante técnicas de enfriamiento ultrarrápido y temple rápido. Su estructura interna presenta átomos libres desordenados a largo alcance, sin granos ni límites de grano, lo que favorece el movimiento de los dominios magnéticos. Este tipo de aleación amorfa posee muchas propiedades físicas únicas, como excelentes características magnéticas blandas, alta resistencia a la corrosión y elevada resistencia mecánica.

¿Cómo mejoran las aleaciones amorfas la eficiencia de los transformadores de potencia?

(1) Los materiales de aleación amorfa procesados y fabricados mediante métodos como el enfriamiento y la solidificación ultrarrápidos no presentan red cristalina ni límites de grano, tienen bajas pérdidas por corrientes parásitas y buena estabilidad térmica.

(2) Due to the short-range ordered distribution of atoms and weak coercive force in amorphous alloys, magnetic domain ionization is not affected. Therefore, the hysteresis loss performance of amorphous alloys is far superior to that of silicon steel sheets.

(3) The magneto strictive degree of amorphous alloys is higher than that of oriented silicon steel. At present, the theoretical thermal noise control index of amorphous alloy core transformers is much higher than that of ordinary silicon steel transformers. Through the design optimization and structural adjustment of the overall structure characteristics of this series of transformers, appropriate processing technologies and advanced assembly techniques are adopted, and physical noise reduction methods such as buffering are added. The noise level can reach or even be lower than that of silicon steel sheet core transformers.

Núcleo amorfo vs acero al silicio

Características estructurales

Los segmentos del núcleo de los transformadores de aleación amorfa suelen tener forma rectangular, mientras que los devanados primario y secundario se procesan en forma de rectángulo redondeado, lo que mejora la fiabilidad y la tasa de utilización de los conductores. En comparación con el núcleo tradicional de sección circular multicapa, este diseño no solo permite ahorrar eficazmente una gran cantidad de materiales necesarios para el núcleo y las bobinas electromagnéticas del transformador, sino que también mejora considerablemente el aprovechamiento del espacio dentro del tanque de aceite.

Tipos de núcleos de aleación amorfa

La estructura de los núcleos de aleación amorfa puede clasificarse en cinco tipos: tipo anillo superpuesto, tipo anillo simple, tipo con distribución de entrehierros, tipo placa superpuesta y tipo de unión a tope.

Método de conexión del núcleo

El método de conexión comúnmente utilizado para los núcleos es la mejor opción cuando se consideran de forma integral factores como el esfuerzo del núcleo, la resistencia del núcleo, la estructura de fijación del núcleo y los devanados. Sin embargo, el tipo de unión a tope requiere una longitud adicional de acoplamiento, tanto en la parte superior como en la inferior. La tasa de aprovechamiento del material en esta estructura no es alta. Además, aumentar el espesor del núcleo puede incrementar el tamaño del tanque de aceite y el peso del aceite.

Configuración típica del núcleo

La estructura del núcleo de los transformadores de aleación amorfa suele ser trifásica de cinco columnas. Está compuesta por cuatro núcleos magnéticos de bobina simple y dos bobinas laterales.

Diseño estructural

Los transformadores de aleación amorfa no utilizan la aleación amorfa como componente principal de soporte estructural. En su lugar, adoptan un sistema de contracción del devanado para reducir la compresión que los devanados y el propio transformador ejercen sobre el núcleo.

Características de la sección transversal del núcleo

Bajo la misma capacidad, el área de sección transversal de los núcleos de aleación amorfa es mayor que la de los núcleos de transformadores de acero al silicio. Esto se debe principalmente a que la densidad magnética de trabajo de las cintas de aleación amorfa es menor que la de las láminas de acero al silicio.

Comparación de la geometría del devanado

Bajo las mismas condiciones de sección transversal, el perímetro de un rectángulo es mayor que el de un círculo. Por lo tanto, para un transformador con núcleo de acero al silicio de la misma capacidad, el perímetro principal de la ranura de los devanados de alta y baja tensión es menor que el de un transformador de aleación amorfa.

Requisitos de aislamiento

Bajo el nivel máximo de requisitos de aislamiento estipulado en la norma de garantía de calidad del rendimiento del producto, la distancia máxima nominal de aislamiento principal de los transformadores de aleación amorfa no debe superar la de los transformadores de acero al silicio.

Diseño de transformadores con núcleo amorfo

Al seleccionar transformadores de aleación amorfa, el ahorro de energía se logra principalmente mediante la reducción de las pérdidas en vacío del transformador. Por lo tanto, reducir las pérdidas en vacío de los transformadores de aleación amorfa es el aspecto más importante que debe considerarse durante el diseño. Debido a las numerosas propiedades inherentes de las aleaciones amorfas, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos en el diseño y la fabricación de este tipo de materiales:

(1) Para minimizar el corte y el uso del núcleo, el núcleo de todo el producto está compuesto por cuatro bastidores de núcleo independientes, y cada fase del devanado se coloca en un circuito magnético independiente formado por dos bastidores.

(2) Teniendo en cuenta que cada lámina de aleación amorfa es relativamente delgada y que la superficie del material de aleación amorfa no es lo suficientemente lisa, el coeficiente de llenado del núcleo utilizado en este tipo de transformador no requiere un valor excesivamente alto.

(3) Los materiales de aleación amorfa presentan un excelente rendimiento de bajas pérdidas y una buena capacidad de disipación térmica por aire caliente. Después del recocido, los materiales de aleación amorfa pueden lograr un mejor rendimiento de bajas pérdidas.

(4) Los materiales de aleación amorfa tienen una alta dureza y no son fáciles de cortar con herramientas de corte comunes. Al diseñar y utilizar este tipo de material de aleación amorfa, se debe reducir al máximo la cantidad de corte.

(5) Los materiales de aleación amorfa son muy sensibles al esfuerzo mecánico. Al diseñar su estructura y seleccionar los componentes de soporte, se recomienda evitar, en la medida de lo posible, que el núcleo de hierro actúe como elemento principal de soporte.