UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS Proyecto Curricular de Ingeniería Eléctrica
ANÁLISIS FISICOQUÍMICO DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN UN TRANSFORMADOR ASIGNATURA: MATERIALES PARA INGENIERÍA PRESENTADO AL DOCENTE: DIEGO JULIAN RODRIGUEZ PATARROYO
PRESENTADO POR LOS ALUMNOS: JUAN CARLOS ESTUPIÑAN BARRERA (20112007052) YERSSON ESTEBAN VACA ORTIZ (20112007053)
TRANSFORMADORES TRIFASICOS CONTENIDO CONCEPTOS GENERALES DE LOS TRANSFORMADORES. INTRODUCCIÓN. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. MATERIALES QUE COMPONEN UN TRANSFORMADOR. o Conductores o Aislantes y sus propiedades eléctricas o La influencia de la temperatura en los materiales. o Como se clasifican los materiales aislantes o Materiales ferromagnéticos.
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN EL TRANSFORMADOR. GENERALIDADES EL NÚCLEO DEL TRANSFORMADOR. o Elementos que conforman el núcleo o Tipos de núcleos
TANQUE DEVANADOS o Los devanados de los transformadores
LÍQUIDOS REFRIGERANTES Y AISLANTES
CONCEPTOS GENERALES DE LOS TRANSFORMADORES. INTRODUCCIÓN. El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la energía eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de inducción electromagnética.
Figura 1: Transformador de alta Potencia.
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. La electricidad produce magnetismo en un electro imán, ya que el campo magnético se produce solo cuando las espiras de alambre enrollado alrededor del núcleo magnético, transportan corriente eléctrica. El proceso de inducción electromagnéticas se puede explicar de manera más simplificada en la siguiente figura, en donde se muestra como se induce un voltaje en una bobina cuando un imán permanente se mueve alternativamente hacia adentro y hacia afuera dela bobina.
Figura 2: Inducción Electromagnética.
MATERIALES QUE COMPONEN UN TRANSFORMADOR. o Conductores. Los materiales usado como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras máquinas eléctrica, deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores, son los siguientes: • La más alta conductividad posible. • El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica. • Una adecuada resistencia mecánica. • Deben ser dúctiles y maleables. • Deben ser fácilmente soldables. • Tener una adecuada resistencia a la corrosión.
Los materiales mas usados como conductores son: Aluminio. En seguida del cobre, como propiedades de material conductor, el aluminio esta ganando cada vez mas terreno en el campo de la aplicación para un gran numero de aplicaciones a la ingeniería. Otra razón es la gran demanda de conductores que no se puede satisfacer solo con conductores de cobre y asociado a esto, se tiene el problema de los costos. El aluminio puro es mas blando que el cobre y se puede hacer o fabricar en hojas y rollos laminados delgados. Debido a sus características mecánicas, el aluminio no se puede fabricar siempre en forma de alambre.
Cobre. El cobre es probablemente el material mas ampliamente usado como conductor, ya que combina dos propiedades importantes que son: alta conductividad con excelentes condiciones mecánicas ya que es altamente maleable y dúctil.
Características
Cobre
Aluminio
Densidad (gramos/cm^3)
8.94
2.7
Punto de fusión ºC
1083
657
Conductividad térmica (watt/m^3*·ºC)
350
200
Resistividad (ohm·m/mm^2)
0.01724
0.0287
Coeficiente de resistencia por temperatura a 20ºC
0.00393
0.035
o Aislantes y sus propiedades eléctricas. Las principales propiedades que determinan la factibilidad de uso de un material aislante son: La resistividad o resistencia especificas, la tensión disruptiva, la permitividad y la histéresis dieléctrica en adición a las propiedades dieléctricas se deben considerar también las propiedades mecánicas y su capacidad para soportar la acción de los agentes químicos, el calor y otros elementos presentes durante su operación.
Figura 3: Tipos de Aislantes.
o La influencia de la temperatura en los materiales. Uno de los factores que más afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operación de las máquinas eléctricas, esta temperatura está producida principalmente por las pérdidas y en el caso específico de los transformadores, durante su operación, estas pérdidas están localizadas en los siguientes elementos principales: • El núcleo o circuito magnético, aquí las pérdidas son producidas por el efecto de histéresis y las corrientes parasitas en las laminaciones, son dependientes de la inducción, es decir, que influye el voltaje de operación. • Los devanados, aquí las pérdidas se deben principalmente al efecto joule y en menos medida por corrientes de Foucault, estas pérdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador.
• La histéresis: Esta es una anomalía que se presenta en los materiales ferromagnéticos y es producida cuando la magnetización del material no solo depende del campo magnético actual, sino también de los momentos magnéticos anteriores a este.
Figura 4: Curva de histéresis.
• Corrientes de Foucault. Sabemos que en un material conductor existe cierta cantidad de electrones libres que al ser sometidos a un campo magnético generan una corriente eléctrica, como en los transformadores este campo magnético es variable se evidencia el mismo efecto observado cuando un imán ejerce una fuerza normal a la trayectoria de una carga en movimiento por un conductor, y en consecuencia a esta fuerza aplicada las cargas se curvan produciendo las llamadas corrientes de Foucault, las cuales se manifiestan en aumentos de la temperatura sobre los materiales en consecuencia. Cabe resaltar que estas corrientes de Foucault se presentan siempre que un material conductor sea expuesto a un campo magnético en movimiento o de manera inversa.
• Efecto Joule. Básicamente es la energía en forma de calor que se manifiesta en un material conductor por una circulación de corriente eléctrica a través de este.
Figura 5: Efecto Joule en un Conductor.
• Temperatura de Curie. La temperatura de Curie es básicamente el paso de un material ferromagnético a paramagnético, es decir que al alcanzar cierta temperatura en la cual las propiedades magnéticas de los ferromagnéticos desaparecen completamente, de este modo el material pasa a ser paramagnético. En la siguiente gráfica se muestra el efecto de la temperatura vs la magnetización
Figura 6: Efecto Temperatura de Curie.
o Como se clasifican los materiales aislantes La clasificación de los materiales aislantes para máquinas eléctricas con relación a su estabilidad terminal, cubre básicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son los siguientes:
CLASE
TEMPERATURA ºC
Y
90
A
105
E
120
B
130
F
155
H
180
C
MAYOR A 180
o Materiales ferromagnéticos Son materiales como el hierro el níquel y el cobalto donde los campos electromagnéticos externos pueden alinear los espines del átomo en forma paralela y esto ocasiona o permite una magnetización permanente. Los materiales ferromagnéticos se dividen de la siguiente manera: Por su composición: • Metales puros y aleaciones Por sus propiedades magnéticas: • Los magnéticamente blandos • Los magnéticamente duros
PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN EL TRANSFORMADOR. GENERALIDADES. Un transformador consta de dos partes esenciales: El núcleo magnético y los devanados, estos están relacionados con otros elementos destinados a las conexiones mecánicas y eléctrica entre las distintas partes al sistema de enfriamiento, al medio de transporte y a la protección de la máquina en general.
Figura 7: Transformador 750KVA.
EL NÚCLEO DEL TRANSFORMADOR. o Elementos que conforman el núcleo. El núcleo consiste en un paquete de laminaciones realizadas con hojas de acero de silicio muy delgadas, aisladas en ambas caras con un recubrimiento inorgánico, libre de envejecimiento. Minimizando los entrehierros (espacios de aire en las uniones entre láminas de acero), mediante el intercalado de las columnas yugos durante el proceso de armado del núcleo, se disminuye la disipación de potencia reactiva y las perturbaciones de flujo magnético. Estas laminaciones se realizan para evitar corrientes de Foucault con lo cual se evita perdidas en el sistema debido a ellas y también se coloca material aislante entre las laminas con el mismo fin. Los núcleos se arman con “juegos” de laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de arreglos “pares” e “impares”.
HIERRO.
El hierro es el cuarto elemento de la tabla periódica más abundante e la corteza terrestre. Es un metal maleable , dúctil, buen conductor tanto de electricidad como de calor, se magnetiza de manera muy fácil. • La estructura cristalina del hierro es variable según su temperatura cristalizándose como BCC o FCC. • Es un metal activo , con le cual se pueden realizar muchas aleaciones , para mejorar sus propiedades tanto físicas como magnéticas dependiendo del material usado para alearse. • Posee un alto coeficiente de dilatación térmica. • Posee muy bajas perdidas por histéresis.
Propiedades químicas del hierro. Símbolo químico
Fe
Nombre
Hierro
Numero atómico
26
Valencia
2, 3
Estado de oxidación
3
electronegatividad
1,8
Radio covalente
1.25
Radio iónico
0.64
Configuración electrónica
(Ar)3d64s2
Masa atómica(g/mol)
55.847
Densidad(g/ml)
7.86
Punto de ebullición(ᵒC)
3000
Punto de fusión (ᵒC)
1536
Conductividad eléctrica
103.0(mOhm.cm)-1
Conductividad térmica
72.80J/msᵒC
• Modificaciones para su uso industrial
En la construcción del núcleo del transformador se utiliza la aleación Hierro-Silicio la cual mejora la permeabilidad y reduce las perdidas por histéresis. Por otra parte el silicio hace que crezca la resistencia eléctrica del material. Al aumentar el contenido de silicio , la fragilidad aumenta , por lo que se limita el porcentaje a un 5% como máximo para aplicaciones eléctricas como la construcción de transformadores, laminas magnéticas, al realizar esta aleación mejoran sus propiedades magnéticas, disminuyen sus corrientes parasitas .
o Tipos de núcleos. Cuando se ha mencionado con anterioridad, laso núcleos para transformadores se agrupan básicamente en las siguientes categorías: • Tipo núcleo o de columnas • Tipo acorazado • Tipo núcleo o de columnas Existen distintos tipos de núcleos tipo columna , que están caracterizados por la posición relativa de las columnas y de los yugos.
Figura 8: Núcleo tipo columnas para transformador Trifásico.
• Tipo Acorazado Este tipo de núcleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, su uso es mas común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central, y cuando se trata de transformadores pequeños, las laminaciones se hacen en troqueles, las formas de construcción pueden ser distintas y varían de acuerdo con la potencia. 1
6 2
4
5
4
3 5 3
Figura 9: Núcleo tipo Acorazado.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Núcleo montado Columna central Piernas laterales Yugos superior e inferior Ventana Devanado
o Dispersión Magnética.
Este fenómeno se produce en los transformadores, cuando algunas líneas de campo siguen una trayectoria por el aire, y se pierden al no poder cerrar el circuito magnético sobre si mismas este efecto de perdida se hace mas notable en transformadores con núcleo tipo columnas. Se sabe que un material ferromagnético permiten que una mayor cantidad de líneas de campo circulen por este, o dicho otra forma, permite que una mayor cantidad de líneas de campo cierren su circuito magnético.
TANQUE. El tanque es elaborado en acero al carbón de alta resistencia, para esfuerzos tanto internos como externos. Ahora explicaremos con más detalle el material utilizado . El acero al carbón es una aleación de hierro-carbono , esta aleación tiene propiedades magnéticas al ser un material magnéticamente blando por lo que su ciclo de histéresis no es muy grande. Como ya habíamos mencionado las características del hierro, solo hablaremos de su aleación hierro-carbono: La adición de carbono al hierro mejora sus capacidades resistivas con lo cual disminuye su permeabilidad y ductilidad, posee una gran resistencia a la oxidación.
DEVANADOS. o Los devanados de los transformadores. Los devanados de los transformadores esta compuesto en su totalidad por cobre electrolítico y aleaciones a fines, para mejorar sus características físicas.
Figura 10: Tipos de Devanados En Transformadores de Baja, Media y Alta Potencia.
Propiedades químicas del cobre Símbolo Químico Numero Atómico Grupo Periodo Aspecto Densidad Masa Atómica Configuración Electrónica Estados de Oxidación Oxido Estructura Cristalina Estado Punto de Fusión Punto de Ebullición Electronegatividad Conductividad Eléctrica Conductividad Térmica Radio Medio Radio Atómico Radio Covalente Radio de Van der Waals
Cu 29 11 4 Metálico, Rojizo 8960 Kg/m^3 63.536 u [Ar]--3d^10--4s^1 +1, +2 Levemente Básico Cubica Centrada en las Caras Sólido 1357,77 K 3200 K 1,9 58,108*10^6 S/m 400 W/(K-m) 135 [3]pm pm 145 [3] pm (radio de bohr) 138 [3] pm pm 140 [3] pm pm
Por la manipulación física del alambre que componen los devanados, se pueden producir rupturas por deformaciones, estas deformaciones las podemos evidenciar mas fácilmente por ejemplo sobre líneas de transmisión, principalmente aquellas que se ven sometidas a modificaciones continuas en su ubicación y u posición. PROPIEDADES MECÁNICAS DE RESISTENCIA DEL COBRE
Características Mecánicas del Cobre Estado Resistencia a Limite Elástico la Tracción, kg/mm2 kg/mm2 Fundido 15-22 Recocido 21-24 9 Templado 37-41 36
LIQUIDOS REFRIGERANTES Y AISLANTES.
El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien líquido. La transmisión del calor se hace por un medio en forma más o menos eficiente, dependiendo de los siguientes factores: • • • • •
La más volumétrica. El coeficiente de dilatación térmica. La viscosidad. El calor específico La conductividad térmica.
En condiciones geométricas y térmicas idénticas, el aceite es mejor conductor térmico que el aire, es decir resulta más eficiente para la disipación del calor.
Características
Aceites para transformadores
Aceites para Aceites para interruptores condensadores
Aceites para cables
Peso específico (gr/cm3)
0,88
-
0,91
0,90
Punto de inflamación mínimo en ᵒC
130
180
149
280
Punto de combustión mínimo en ᵒC
149
210
170
-
Punto de congelación mínimo en ᵒC
-15
-5
-15
-
Punto de fluidez mínimo en ᵒC
-40
-10
-40
-50
Rigidez dieléctrica en (kV/mm a 25ᵒC)
30
30
30
25-30
Constante dielectrica
2,2
2,2
2,2
2,25
Los aislantes en aceite se emplean de diversas maneras en los transformadores.
Los aceites aislantes mas utilizados son los siguientes: Aceites vegetales. Aceites minerales. Ahora daremos una breve explicación de estos aceites: Aceites vegetales. Estos aceites se utilizan para la impregnación de papeles, telas aislantes y como secantes de barnices. • Aceite de linaza: • Aceite de tung: Aceites minerales: se extraen de los petróleos brutos , los cuales están constituidos por mezclas en diferentes proporciones de varios hidrocarburos.
REFERENCIAS. • Gilberto Enrique Harper, (2003). El ABC de las maquinas: Transformadores. 1 ª ed. México: Limusa. • D. José Ramírez Vásquez, (1983). Materiales electro-técnicos. 3rd ed. Barcelona (España): CEAC. • D. Rodríguez, (2003). diseño de un sistema para captura de voltajes simultanea vía un puerto paralelo de un pc aplicado a la medida de histéresis magnética. Revista colombiana de física . 35 (1), pp.4 • D. Pedro Dagá Gelabert, (1982). Transformadores convertidores. 4 ª ed. Barcelona (España): CEAC. • Charles Kingsley, Jr, (1992). Maquinas eléctricas. 5 ª ed. EE.UU. McGraw-Hill. • Luis Ortiz Berrocal, (2007). Resistencia de Materiales. 3 ª ed. España: McGraw-Hill. • Gilberto Enrique Harper, (2005). Experimentos con máquinas eléctricas. 2nd ed. México: Limusa. • Edward M. Purcell, (2001). Electricidad y magnetismo. 2 ª ed. Barcelona (España): McGraw-Hill. • Harry S. Parker, (2002). Mecánica y Resistencia de Materiales. 3 ª ed. México: Limusa. • (). Perdidas Magnéticas Por efecto de histéresis . [En línea] Disponible en: http://www.uco.es/grupos/giie/cirweb/teoria/tema_11/tema_11_17.pdf. [Último acceso 22/11/2013]. • Desconocido (2005). Magnetismo-Histéresis . [En línea] Disponible en: http://www.ifent.org/lecciones/cap07/cap07-06.asp. [Último acceso 22/11/2013]
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GRACIAS POR LA ATENCIÓN PRESTADA!
