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TENDENCIAS EN LA COMBINACIN DE MATERIALES EN NCLEOSDE TRANSFORMADORES

Salvador Magdaleno Adame1, Enrique Melgoza Vzquez1, Juan C. Olivares Galvn2,Eduardo Campero Littlewood2, Felipe de J. Gonzlez Montaez2

1Instituto Tecnolgico de Morelia, Av. Tecnolgico 1500, Col. Lomas de Santiaguito, 58120,

Morelia, Michoacn, Mxico. e-mail:[email protected] Autnoma Metropolitana, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas,

Azcapotzalco, 02200, Ciudad de Mxico, DF. Mxico. e-mail:[email protected]

RESUMEN. Este artculo presenta una revisin completa de los mtodos utilizados para combinar diversos materiales enncleos de transformadores, abarcando trabajos realizados en el periodo de 1928 a 2013. De los trabajos revisados seencontraron cuatro diferentes tipos de combinaciones de materiales: 1) combinaciones de aceros elctricos con diversasaleaciones, 2) combinaciones de aceros elctricos con aceros amorfos, 3) combinaciones de aceros orientados y no orientados,4) combinaciones de aceros elctricos de alta y baja permeabilidad magntica. Se encontr que los mtodos utilizados paracombinar materiales son empleados en transformadores de distribucin, en transformadores de potencia y entransformadores de medicin. La combinacin de materiales pretende disminuir las prdidas en los ncleos, disminuir la

temperatura de los ncleos, disminuir corrientes de excitacin, disminuir el ruido del transformador, mejorar lascaractersticas de los transformadores de medicin, disminuir la vibracin de los ncleos, reducir costos de manufactura y demateriales, aumentar la eficiencia del transformador, alargar la vida til del transformador, etc.

Palabras Claves- Acero elctrico, acero amorfo, anisotropa, mtodo de elemento finito, nanocristales, ncleo enrollado,ncleo toroidal, supermalloy.

ABSTRACT.This paper presents a review of methods utilized to combine several materials in transformer cores, includingpublications made in the period 1928-2013. From the reviewed publications, the authors found four different materialcombinations: 1) combinations of electrical steels with various alloys, 2) combinations of electrical steels with amorphoussteels, 3) combinations of oriented and non-oriented steels 4) combinations of electrical steels of high and low magneticpermeability. Authors found that the methods used to combine materials are applied in distribution transformers, powertransformers, and instrument transformers. Combinations of materials are intended to reduce core losses, decreasingtemperature, reduce exciting currents, decrease transformer noise, improving the characteristics of instrument transformers,reducing core vibration, reducing manufacturing costs and materials, increasing transformer efficiency, extending the life ofthe transformer, etc.

Key WordsElectrical steel, amorphous steel, anisotropy, finite element method, nanocrystals, wound core, toroidal core,supermalloy.

1. INTRODUCCINActualmente los ncleos magnticos de lostransformadores son construidos utilizando materialesferromagnticos, los cuales deben tener una altapermeabilidad magntica y una baja resistividadelctrica. Los materiales ferromagnticos se utilizanpara maximizar el acoplamiento magntico entre lasbobinas y para disminuir las corrientes de excitacin,necesarias para la operacin del transformador.

Estos materiales son altamente no lineales y sonrepresentados por una curva de magnetizacin.Adems, los materiales ferromagnticos tienen unacurva de histresis estrecha con altos valores dedensidad de flujo magntico y valores bajos decorrientes de magnetizacin. Los ncleos de lostransformadores son laminados para disminuir lascorrientes de remolino, disminuir prdidas y evitarcalentamiento. Actualmente, para construirtransformadores se utilizan lminas de acero al silicio.Existen actualmente dos tipos principales de acero al

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|CONGRESO ALTAE 2013

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silicio: de grano orientado y de grano no orientado. Losaceros al silicio de grano orientado normalmente tienenun nivel de concentracin de silicio de 1.2 a 3%. Esteacero es procesado de tal manera que las propiedadesptimas se desarrollan en la direccin de rolado, debido

a un control estricto de la orientacin de los cristalescon respecto a la lmina. Este acero tiene importantespropiedades anisotrpicas. Tiene una altapermeabilidad y bajas prdidas en la direccin derolado y tiene una baja permeabilidad y altas prdidasen la direccin transversal. Al acero al silicio se leconoca en 1930 como acero rolado en fro. Por otra

parte, el acero al silicio de grano no orientado tiene unaconcentracin de silicio de 1.2 a 3.5%. Algunos acerosno orientados utilizados para fines de investigacinllegan a tener altas concentraciones de silicio quepueden llegar a 6.5%. Los aceros no orientados tienenuna baja permeabilidad y altas prdidas en la direccin

de rolado y tienen una alta permeabilidad y bajasprdidas en la direccin transversal. El acero noorientado es de menos calidad que el acero orientado,por lo cual tiene un menor costo y es apropiado para suutilizacin en aplicaciones donde la direccin del flujomagntico no es rectilnea (o en direccin trasversal).Este acero se utiliza principalmente en ncleosmagnticos con simetra cilndrica como los rotores yestatores de mquinas elctricas rotatorias. Tambin seutiliza cuando la eficiencia es menos importante ocuando la geometra de construccin no deja espaciosuficiente para alinear apropiadamente loscomponentes y as poder aprovechar las propiedades

anisotrpicas de las lminas de acero al silicio de granoorientado. El acero al silicio de grano no orientado seha utilizado desde el ao de 1950 y en esa poca seconoca como acero rolado en caliente.Actualmente, los ncleos de los transformadores estnformados por lminas de acero al silicio de granoorientado. Este acero fue patentado por el britnicoRobert Hadfield en 1886. Posteriormente, K. Beck en1918 y W.E. Ruder en 1925 lograron preparar cristalesde hierro al silicio donde analizaron la alta anisotropamagntica del acero, la cual sera demostradaposteriormente por N. P. Goss en 1934. Goss demostrque mediante una cuidadosa combinacin detratamiento trmico y rolado en fro se podan producirlminas de hierro-silicio con excelentes propiedadesmagnticas cuando eran magnetizadas en la direccinde rolado. El silicio es agregado al hierro paraaumentar la resistividad, reducir la anisotropa y parareducir la magnetostriccin. Al mismo tiempo el siliciodisminuye el nivel de saturacin y la permeabilidadmagntica del acero. La tecnologa propuesta por N. P.Goss se sigue utilizando en nuestros das para produciracero al silicio de grano orientado. Desde laintroduccin comercial de los aceros al silicio de granoorientado en 1941, el nivel de saturacin magntica delacero aument un 50%, las prdidas por histresisbajaron un 25% y la permeabilidad magntica del acerose increment cinco veces.

En este artculo daremos el nombre de acero elctrico

al acero al silicio, ya sea de grano orientado o de granono orientado. El trmino elctrico se refiere a laaplicacin de los aceros, ms que al mtodo utilizadopara su fundicin.

Actualmente se fabrican aceros al silicio de granoorientado trazados por lser. Utilizando unrefinamiento del grano por medio de lser se puedeaumentar considerablemente la permeabilidadmagntica y disminuir las prdidas del acero orientado.Los aceros orientados trazados por lser son ms carosque los aceros orientados y no orientadosconvencionales. Adems presentan mayor anisotropaque el acero al silicio de grano orientado.En la actualidad, existe otro tipo de acero que puedeemplearse en susitucin del acero elctrico,principalmente en transformadores de distribucin: elacero amorfo. El acero amorfo tiene una composicin

de 92% de hierro, 3% de boro y 5% de silicio. Es unmetal amorfo que se prepara vertiendo la aleacin deacero fundido en un enfriador rotativo, que enfra elmetal tan rpidamente que los cristales no tienentiempo de formarse. En los transformadores con ncleode acero amorfo, las prdidas debido al material delncleo llegan a ser de tan slo un tercio de las prdidasque ocurren en los ncleos de acero elctrico. Las tirasde acero amorfo se fabrican con espesores de 0.025 a0.05 mm y con anchos de 200 mm. Este acero presentauna muy alta resistividad elctrica pero bajo nivel desaturacin. La mayor desventaja del acero amorfo sonsus propiedades mecnicas, las cuales hacen que la

utilizacin de este acero sea rentable slo paratransformadores de distribucin y no se pueda utilizaren transformadores de potencia. Otra desventaja es sualto costo, el cual es aproximadamente del doble que eldel acero elctrico.Algunos fabricantes de aceros elctricos (incluyendoaceros orientados trazados por lser) son: Nippon Steel(Japn), AK Steel (antes ARMCO) (EUA), KawasakiSteel (Japn), POSCO (Corea del Sur), NovolipetskSteel (Rusia), ArcelorMittal (Luxemburgo),ThyssenKrupp Electrical Steel (Alemania), Mapes &Sprowl Steel (EUA), Szkysteel (China), TATA Steel(Reino Unido), ATI (EUA), Acesita (Brasil), Viz Stal(Rusia), EBG (India), Allegheny (EUA), Wuhan(China), etc. Algunos fabricantes de acero amorfo son:Metglas (EUA), Nakayama Steel Works, Ltd (Japn),AT&M International Trading CO., Ltd (China),NanoAmor (EUA), etc.En este artculo se presenta una revisin de mtodosutilizados para combinar diversos materiales enncleos de transformadores, abarcando trabajospublicados en un periodo de 85 aos (de 1928 a 2013).Se describen brevemente los trabajos revisados y se dauna explicacin de cada mtodo utilizado paracombinar materiales en los ncleos de transformadores.

2. MTODOS UTILIZADOS PARACOMBINAR MATERIALES ENNCLEOS DE TRANSFORMADORES

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Para Este artculo abarca la revisin de 29 trabajos,publicados en un periodo de 85 aos (de 1928 a 2013).Se encontraron algunos trabajos donde se proponecombinar algunas aleaciones con aceros elctricos [1]-

[8]. Tambin se encontraron trabajos donde secombinan lminas de acero elctrico con tiras de aceroamorfo [9]-[12]. De igual forma se encontrarontrabajos donde se combinan aceros orientados conaceros no orientados [13]-[16]. Adems, en otrostrabajos se combinan aceros elctricos de altapermeabilidad con aceros elctricos de bajapermeabilidad [17]-[28]. En los trabajos encontrados,las combinaciones han sido realizadas en ncleosmagnticos de transformadores de distribucin(transformadores cuya capacidad est entre 5 y 500kVA) y en ncleos de transformadores de medicin.Adems se encontraron algunos trabajos donde secombinaron materiales en ncleos de transformadoresde potencia (> 500 kVA). A continuacin se presentanlos trabajos revisados sobre los diversos mtodosutilizados para combinar materiales en ncleos detransformadores.

a) Combinaciones de acero elctrico condiversas aleaciones

El concepto de ncleo compuesto o ncleo

combinado fue propuesto por Johannesen en 1929 [1].

Este concepto se refiere a la combinacin de dos o msmateriales en un ncleo magntico. En ese mismo ao,Johannesen, McRell y Troy propusieron el uso delminas de acero al silicio de grano orientado y delminas de una aleacin de hierro-nquel para construirncleos de transformadores [1]-[3], como se aprecia enla Fig. 1. Las aleaciones de hierro-nquel tienen altapermeabilidad y bajas prdidas por unidad de volumen,pero son materiales costosos. Aun as, Johannesen,Morell y Troy decidieron combinar estas aleaciones dehierro-nquel con aceros elctricos (Fig. 1). En el aode 1929 las aleaciones de hierro-nquel eran muycostosas comparadas con los aceros al silicio de grano

orientado. En los trabajos de Johannesen y Morell laslminas de aleacin de hierro-nquel y las lminas deacero elctrico son alternadas para formar los ncleosmagnticos. Al combinar las aleaciones y los aceroselctricos se aumenta la permeabilidad del ncleo y sereducen las prdidas en los ncleos.

Sunohara et al. (1982) propusieron construir untransformador toroidal de medicin con ncleocompuesto [4]. La idea es combinar una aleacin dealta permeabilidad con un material ferromagntico debaja permeabilidad. El propsito de este desarrollo

tecnolgico es mejorar la calidad de deteccin decorrientes del transformador. Los ncleos de estostransformadores convencionales estn formados de un

material especial llamado supermalloy, que es unaaleacin compuesta de nquel, molibdeno y hierro. Estaaleacin tiene una alta permeabilidad magntica comose muestra en la curva F de la Fig. 2(b). En este

desarrollo tecnolgico se utiliz como material de bajapermeabilidad y bajas prdidas lminas de aceroelctrico (curva G en la Fig. 2(b)). Para formar elncleo toroidal compuesto se utilizan cinco lminas desupermalloy y una sola lmina de acero elctrico (Fig.2 (a)). La curva de histresis con la letra H mostrada enla Fig. 2 (b), es la curva obtenida para el ncleocompuesto. Los inventores presentaron resultadosexperimentales utilizando un transformador toroidalconvencional y el transformador toroidal con ncleocompuesto. Se obtuvieron mejores mediciones decorriente utilizando el transformador con ncleocompuesto. Sin embargo, se puede observar que lacurva de histresis con la letra H es la que encierra unamayor rea (Fig. 2 (b)). Por lo tanto, el ncleocompuesto por estos dos materiales presenta altasprdidas por histresis comparado con un ncleoformado completamente de acero elctrico o desupermalloy.Attarian et al. (2005) presentaron un transformador decorriente que tiene un ncleo en forma de C con un

entrehierro fsico [5], como se aprecia en la Fig. 3. Laidea era mejorar los transformadores de corriente

combinando diferentes materiales en ncleos de bajocosto y de pequeo tamao. Los autores combinaronaleaciones de nquel-hierro dentro de un ncleo condiferentes porcentajes de nquel. Los autores utilizaroncomo primer material una aleacin de nquel-hierro con80% de nquel. Como segundo material utilizaron otraaleacin de nquel-hierro con 50% de nquel. Ambasaleaciones tienen precios muy parecidos en el mercado.Mediante estas dos combinaciones se mejor la calidadde la medicin de corriente realizada por eltransformador de medicin. Dentro de los entrehierrosfsicos se localiza un sensor de flujo magntico (unsensor de efecto Hall). El flujo disperso que se origina

en el entrehierro activa dicho sensor.

Figura 1:Combinacin de aceros y aleaciones dehierro-nquel en un ncleo tipo acorazado monofsico

[1], [2].

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(a)

(b)Figura 2:a)Ncleo toroidal compuesto de aceroorientado y de supermalloy, b) curva de histresis de:supermalloy (F), de acero elctrico (G), de ncleocompuesto por supermalloy y acero elctrico (H) [4].

Attarian et al. (2005) presentaron un transformador decorriente que tiene un ncleo en forma de C con un

entrehierro fsico [5], como se aprecia en la Fig. 3. Laidea era mejorar los transformadores de corrientecombinando diferentes materiales en ncleos de bajo

costo y de pequeo tamao. Los autores combinaronaleaciones de nquel-hierro dentro de un ncleo condiferentes porcentajes de nquel. Los autores utilizaroncomo primer material una aleacin de nquel-hierro con80% de nquel. Como segundo material utilizaron otraaleacin de nquel-hierro con 50% de nquel. Ambasaleaciones tienen precios muy parecidos en el mercado.Mediante estas dos combinaciones se mejor la calidadde la medicin de corriente realizada por eltransformador de medicin. Dentro de los entrehierrosfsicos se localiza un sensor de flujo magntico (unsensor de efecto Hall). El flujo disperso que se originaen el entrehierro activa dicho sensor.

Kwiczala y Kasperczyk (2007) y Lesniewska yRajchert (2010) realizaron un anlisis con elementofinito para estudiar transformadores de corriente conncleos toroidales compuestos en forma axial. Los dosmateriales utilizados para las combinaciones fueron: unacero orientado convencional y un material hecho denanocristales formados por una aleacin de hierro,silicio, cobre, niobio y boro [6], [7]. La idea eramejorar la calidad de medicin de los transformadores

de corriente mejorando las caractersticas magnticasde los ncleos. Los autores usaron dos ncleostoroidales como prototipos; en el primer ncleo usaron

solamente lminas de acero orientado. El segundoncleo fue dividido en dos secciones axiales: una de lassecciones del ncleo estaba compuesta de lminas deacero orientado y la otra seccin estaba compuesta de

nanocristales. Los ncleos hechos de nanocristalestienen altas permeabilidades relativas, cuyos valoresvan de 300,000 a 500,000 [7]. Los nanocristales tienenuna permeabilidad diez veces mayor que lapermeabilidad de los aceros elctricos convencionales.Adems, los nanocristales presentan estabilidadtrmica con temperaturas superiores a 200 C ypequeas prdidas [7]. La desventajas de usar este tipode ncleos de nanocristales es que se saturan con bajosvalores de densidad de flujo (de 1.15 a 1.2 T) y ademses un material costoso. Por otra parte, las prdidas quepresentan los nanocristales estn en el orden de mW/kgy las prdidas que presentan los aceros elctricosconvencionales estn en el orden de W/kg. En lassimulaciones de elemento finito el acero orientado fuemodelado usando su curva de magnetizacin y losnanocristales fueron modelados con una altapermeabilidad relativa constante. Los autoresrealizaron varias simulaciones de elemento finito yluego comprobaron los resultados con pruebasexperimentales usando prototipos. Los autoresencontraron que la inclusin de los nanocristales en elncleo toroidal mejoraba las propiedades de medicin

del transformador, pero el costo total de los materialesutilizados se increment significativamente.

(a)

(b)Figura 3: Combinacin de aleaciones de hierro-nquelen ncleos en forma de C [5].

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Lesniewska y Rajchert (2013) realizaron nuevosanlisis electromagnticos a los ncleos toroidalescompuestos en forma axial y radial usando el mtododel elemento finito y posteriormente realizaron pruebas

de laboratorio para comparar con los resultadosobtenidos en las simulaciones de elemento finito [8]. Adiferencia de los trabajos mostrados en [6] y [7], eneste trabajo se combina el material hecho denanocristales y el acero orientado convencional enforma radial. El material hecho de nanocristales escolocado en la seccin del ncleo localizada cerca deldimetro interno del ncleo toroidal, mientras que elacero orientado se coloca en la regin externa delncleo toroidal. Los resultados obtenidos mostraronque la forma de colocar los materiales en el ncleo noinfluye en las caractersticas de medicin deltransformador. Las caractersticas de medicin fueronsimilares para las dos combinaciones de los materiales:radial y axial. Tambin los autores encontraron que lascantidades de acero orientado y de materialnanocristalino influyen y son de gran importancia enlas propiedades de medicin de los transformadores decorriente. Los autores encontraron que al incrementarla cantidad de nanocristales se mejoran las propiedadesde medicin del transformador de corriente pero elcosto total del material aumenta considerablemente.Adems, las prdidas en el ncleo del transformador

disminuyen con la combinacin de nanocristales yacero orientado convencional.

b) Combinaciones de acero elctrico con aceroamorfo

Rauch y Krause (1985), Hayase (1986) y Boenitz(1987) propusieron combinar acero orientado con aceroamorfo [9]-[11]. La idea era combinar ambos acerosdentro de los ncleos con la finalidad de reducir lasprdidas debido a las diferentes caractersticas de

saturacin y de prdidas que presentan ambos aceros.Las ventajas que tienen ambos aceros fueroncombinadas para tales propsitos. Diferentes tcnicasde colocacin de ambos aceros fueron presentadas de[9]-[11], como se muestra en la Fig. 4.

Mohan y Singh (2012) presentaron un trabajo en elcual combinaron un acero orientado convencional y unacero amorfo dentro del ncleo de un transformadortrifsico tipo columna de 250 kVA [12]. En el trabajolos autores presentaron el diseo y los resultados detres ncleos distintos. Uno de los ncleos estaba hechocompletamente de acero orientado, otro ncleo estabahecho completamente de acero amorfo y el ltimoncleo estaba formado por acero orientado y por acero

amorfo. Los autores encontraron que el ncleo hechode acero amorfo tena las prdidas ms bajascomparadas con las prdidas del ncleo hecho de aceroorientado y con las prdidas del ncleo combinado. Por

otra parte, el ncleo combinado tena menos prdidasque el ncleo de acero orientado. La presencia delacero amorfo redujo las prdidas en el ncleocombinado. Finalmente se concluy que el ncleocombinado era menos costoso que el ncleo de aceroamorfo y ms caro que el ncleo de acero orientadoconvencional. Adems se obtuvo la ms alta eficiencia(98.5%) con el ncleo de acero amorfo yposteriormente el ncleo combinado present lasegunda mejor eficiencia (98.3%).

(a)

(b)

(c)Figura 4: Combinaciones de acero orientado y aceroamorfo, a) ncleo tipo columna monofsico, b) ncleotipo columna, c) ncleo toroidal [9]-[11].

c) Combinaciones de aceros orientados yaceros no orientados

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En 1949 Granfield propuso combinar aceros rolados enfro (acero orientado) y aceros rolados en caliente(acero no orientado) en ncleos de transformadores depotencia [13]. El desarrollo tecnolgico propuesto por

Granfield fue aplicado a transformadores de potenciatipo columna, con construccin tipo cruciforme o deseccin transversal cruciforme, como se muestra en laFig. 5. En el ao de 1949 los transformadores eranfabricados de lminas de acero no orientado, pero enestos aos se empezaba a utilizar el acero orientado elcual tiene una mayor permeabilidad y menos prdidas(en la direccin de rolado) comparado con el acero noorientado. Granfield menciona en su trabajo que existeun mayor flujo magntico en las lminas situadas en laparte ms externa del ncleo. En las lminas situadasen la parte ms interna del ncleo el flujo magntico esmenor. En base a estas supuestas distribuciones deflujo magntico, Granfield decidi combinar acerosorientados y no orientados en los ncleos detransformadores de potencia. Las lminas de aceroorientado son colocadas en los primeros pasos delaminacin ms externos del ncleo y las lminas deacero no orientado son colocadas en los pasos delaminacin ms internos del ncleo del transformador.Con esta combinacin de aceros se disminuyen lasprdidas en el ncleo y se reduce el nivel de ruidoproducido por el ncleo. Granfield aclara que si los

aceros se combinan en el orden contrario se obtienenefectos negativos sobre las prdidas y ruido en elncleo del transformador.

Figura 5: Combinacin de acero orientado y noorientado en ncleo tipo columna monofsico con

seccin transversal tipo cruciforme [13].

Yamada et al. (1994)propusieron combinar aceros noorientados y aceros orientados para formar un ncleomagntico de un transformador tipo columna y un

ncleo enrollado convencional [14]. Los ncleosestaban formados de tres secciones mostradas en la Fig.6. La seccin central del ncleo tipo columna estaba

formada por acero orientado, cuyas lminas tienen un3% de silicio. Las dos secciones que comprimen laseccin central estn hechas de lminas de acero noorientado, cuyas lminas tienen una concentracin de

silicio del 6.5%. El ncleo enrollado convencionaltiene en su seccin externa acero no orientado, cuyaslminas tienen una concentracin de silicio del 6.5% ytiene en su seccin interna acero orientado, cuyaslminas tienen una concentracin de silicio del 3%. Laidea de este desarrollo tecnolgico era la de reducir elnivel de ruido y las vibraciones del ncleo a diferentesfrecuencias de operacin.

(a)

(b)

Figura 6: Combinacin de acero orientado y noorientado, a) en un ncleo tipo columna monofsico, b)

en ncleo enrollado convencional columna [14].

En 2009 Muelleman propuso construir ncleoscompuestos por aceros orientados y no orientados [15].Los ncleos estn formados por dos secciones, unaseccin con un acero orientado y una seccin con unacero no orientado. Uno de los aceros debe ser mseconmico que el otro acero. Los dos aceros debentener el mismo nivel de saturacin. Si el parmetroeconmico y el parmetro de saturacin se cumplen en

ambas partes del ncleo, entonces el ncleo completotendr la misma densidad de prdidas que un ncleoconvencional en el que no existe combinacin de

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aceros elctricos. El propsito de estas combinacionesera la de reducir el costo total del ncleo deltransformador.

En 2010 Pytlech present un estudio muy completosobre la combinacin de aceros orientados y noorientados en varios ncleos para transformadores depotencial, incluyendo ncleos enrollados octagonales,como se ilustra en la Fig. 7 [16]. Se examinaron laspropiedades magnticas que tienen estascombinaciones de acero elctrico dentro de los ncleos.Tambin se analizaron los beneficios econmicos y demanufactura de estas combinaciones de acero elctrico.Se combinaron dos aceros elctricos diferentes en losncleos: el acero M150-30S y el acero M330-35A. Elacero M150-30S es un acero elctrico orientado

convencional mientras que el acero M330-35A es unacero elctrico no orientado. Las lminas de aceroM150-30S tienen un espesor de 0.30 mm mientras quelas lminas de acero M330-35A tienen un espesor de0.35 mm.

Figura 7: Combinacin de acero orientado y noorientado en ncleo enrollado octagonal [16].

d) Combinaciones de aceros elctricos de altay baja permeabilidad magntica

En 1975 Thomas propuso construir un ncleomagntico laminado tipo columna de cuatro y cincopiernas [17]. Este ncleo estaba formado por grupos delminas que tienen diferentes permeabilidades. Laslminas de baja permeabilidad eran colocadas en laspiernas externas del ncleo o en porciones de losyugos. Las lminas de alta permeabilidad erancolocadas en las piernas internas del ncleo donde vandevanadas las bobinas del transformador. Medianteeste arreglo la permeabilidad efectiva de las piernasexternas se reduce y la densidad de flujo a travs del

ncleo es substancialmente balanceada. El objetivo deeste desarrollo tecnolgico era reducir las prdidas en

el ncleo ocasionadas por las componentes armnicasdel flujo magntico.

Lin et al. (1980) propusieron construir ncleosmagnticos seccionados usando dos tipos de aceroorientado [18]. Los autores pretendan dividir el ncleoen dos secciones de diferente tamao, como se muestraen la Fig. 8. En estas dos secciones se pretendacombinar diferentes tipos de aceros orientados parareducir las prdidas en los ncleos. Por ejemplo, losautores propusieron construir ncleos toroidales,ncleos tipo columna y ncleo acorazados, donde laslminas de acero ms cercanas a la ventana deltransformador eran de un acero orientado de altacalidad, mientras que las lminas que estn msalejadas de la ventana del ncleo eran de un acero

orientado de baja calidad. Un ejemplo que los autorespropusieron es que las lminas ms cercanas a laventana del ncleo pueden ser de acero orientado dealta permeabilidad, alto costo unitario y bajas prdidas,como el acero trazado por lser TRAN-COR H (acerodenominado por AK Steel como TRAN-COR HCARLITE) y las lminas ms alejadas de la ventanadel ncleo pueden ser de un acero orientadoconvencional con mayores prdidas y bajo costounitario como el acero orientado M5 de AK Steel.Mediante estas combinaciones de aceros se disminuyen

las prdidas en el ncleo del transformador.

Figura 8: Combinacin de aceros de baja y altapermeabilidad en un ncleo tipo columna monofsico

con seccin transversal rectangular [18].

Kladas et al. (2008) realizaron combinaciones deaceros orientados de diferente permeabilidad en unncleo magntico de distribucin monofsico tipoenrollado convencional (ncleo con esquinasredondeadas) [19]-[21]. En este estudio los autoresdividieron el ncleo en tres secciones, como se muestraen la Fig. 9. La seccin exterior y la seccin msinterna del ncleo estn formadas por lminas deespesor de 0.27 mm de acero convencional M4,

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mientras que la parte intermedia del ncleo estformado por lminas de espesor de 0.27 mm de aceroM-OH de alta permeabilidad. Ambos aceros sonfabricados por Nippon Steel. El acero M4 es un acero

elctrico convencional con excelentes propiedadesmagnticas en la direccin de rolado (acerodenominado por Nippon Steel como ORIENTCORE)mientras que el acero M-OH tambin es un aceroelctrico pero con una mejorada orientacin del grano,aumentando la permeabilidad y disminuyendo lasprdidas (acero denominado por Nippon Steel comoORIENTCORE HI-B). El acero M-OH tiene unamenor prdida que el acero M4 para el mismo nivel deinduccin. Los autores realizaron un estudio deprdidas en el ncleo usando un programa propio deelemento finito. El programa de elemento finito fuecombinado con un algoritmo de optimizacin. De estamanera se trata de calcular cul de todas lascombinaciones ayuda a minimizar las prdidas y loscostos de manufactura del ncleo. Los autoresrealizaron simulaciones de elemento finito donde sevariaron las cantidades de aceros combinados en elncleo. En las simulaciones de elemento finito elncleo magntico fue modelado con propiedadesanisotrpicas en dos dimensiones. Con lassimulaciones de elemento finito se calcularon lasdistribuciones de densidad de flujo y se calcularon las

prdidas en el ncleo para las diferentes combinacionesde aceros. Posteriormente se midieron las prdidas enel laboratorio y se compararon con las prdidascalculadas en las simulaciones de elemento finito. Seencontraron porcentajes de error de menos del 5% entrelas prdidas calculadas en las simulaciones y lasprdidas medidas en laboratorio. Finalmente losautores calcularon con el algoritmo de optimizacin lacombinacin que presenta menor costo de manufacturay menores prdidas.

Hernndez et al. (2010) realizaron un estudio decombinacin de aceros elctricos en ncleos enrolladosconvencionales y ncleos enrollados octagonales(ncleo con esquinas planas) [22]. Los autores usarontres tipos de aceros orientados del fabricante ARMCO(ahora AK Steel) para combinar en los ncleos. Usaronlos aceros convencionales M4 y M5 y el acero de altapermeabilidad M5H2, como se aprecia en la Fig. 10.Los aceros M4 y M5 son aceros elctricosconvencionales con excelentes propiedades magnticasen la direccin de rolado, mientras que el acero M5H2

tambin es un acero elctrico pero con una orientacindel grano mejorada, aumentando la permeabilidad ydisminuyendo las prdidas. Actualmente el aceroM5H2 ya no es fabricado por AK Steel, pero se ofrece

el acero TRAN-COR H que sustituye al acero M5H2.Las lminas de los aceros M4 y M5H2 son colocadosen la parte interna de los ncleos donde la densidad deflujo magntico es alta. Las lminas del acero

convencional M5 son colocadas en la parte externa delncleo donde la densidad de flujo magntico es mspequea, como se muestra en la Fig. 10. Los autorescombinaron los aceros en varias proporciones,concluyendo que la corriente de excitacin disminuyepara los dos ncleos en todos los casos donde existecombinacin de aceros, lo mismo que las prdidas enlos ncleos.

Figura 9: Ncleo enrollado convencional concombinacin de aceros orientados [19].

Figura 10: Combinacin de aceros orientados, a)ncleo enrollado convencional, b) ncleo enrollado

octagonal [22].

Kefalas y Kladas (2012) propusieron el uso de ncleosque usan una combinacin de lminas de aceros de altay baja permeabilidad en ncleos enrollados dedistribucin trifsicos y monofsicos convencionales[23]. En este caso, los autores desarrollaron unprograma de elemento finito para resolver problemaselectromagnticos en tres dimensiones. El ncleo fuemodelado usando las propiedades anisotrpicas delacero elctrico. Mediante el programa de elementofinito los autores analizaron diferentes combinacionesde aceros en los ncleos, calcularon la distribucin de

densidad de flujo y las prdidas en los ncleos. Losautores propusieron usar el programa de elementofinito junto con un algoritmo de optimizacin para

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calcular cul de las combinaciones de aceros es la msbarata para fabricar y cual combinacin de aceros tienemenos prdidas. Finalmente, los autores propusieronintegrar su programa al proceso de manufactura y

diseo a la industria de los transformadores dedistribucin.

Tambin en 2012, Kefalas y Kladas propusieron usardos aceros elctricos en un ncleo enrollado trifsicode cinco piernas convencional [24]. Se usaron losmismos aceros elctricos de Nippon Steel descritos en[21]-[23]. El acero M-OH tiene una menor prdida queel acero M4 para el mismo nivel de induccin. Losncleos internos ms grandes del ncleo enrolladoestn hechos del acero M-OH y los ncleos externosms pequeos estn hechos de acero M4. La

distribucin de estos dos aceros en los ncleos externose internos fue deducida a partir de evidenciaexperimental de la distribucin no uniforme dedensidad de flujo en un ncleo formado completamentede acero M-OH. Con la evidencia experimental seencontr que la densidad de flujo es menor en losncleos externos que en los ncleos internos del ncleotrifsico completo. Debido a esto, se us el aceroelctrico convencional en los ncleos externos. Losautores realizaron mediciones en el laboratorio conprototipos. Mediante electrnica digital y la

programacin de medidores virtuales, los autoresmidieron en laboratorio las prdidas, corrientes deexcitacin, densidades de flujo magntico y contenidoarmnico de los ncleos enrollados trifsicos de cincopiernas. En este trabajo se usaron lminas de acero conel mismo espesor de lmina.

Hopkinson y Schwartz (2000) y Chandrasekaran et al.(2005) propusieron construir ncleos tipo columna congrupos de lminas de diferente permeabilidad [25],[26]. La idea general era combinar lminas de acerosde alta y baja permeabilidad para formar los ncleosmagnticos del transformador. La combinacin deestos aceros con diferente permeabilidad permiteconstruir transformadores con un menor costo, conbajas prdidas en vaco y con reducido nivel de ruido.

Moses y Hamadeh (1988) y Balehosur et al. (2011)publicaron un estudio experimental del efecto decombinar aceros elctricos convencionales con 3% desilicio en varias partes de un pequeo ncleo trifsicotipo columna (prototipo) [27], [28]. Los autoresmostraron en su trabajo que el factor de apilamiento

puede ser mejorado y que las prdidas en el ncleopueden ser reducidas usando combinaciones de aceroselctricos con diferente permeabilidad. Los resultados

del estudio experimental fueron utilizados por losautores para predecir las prdidas en variostransformadores de potencia y sus costos de operacinson comparados considerando el costo capital de

prdidas y el costo de los aceros elctricos utilizados enel ncleo del transformador de potencia. Los autoresmostraron que es posible reducir el costo de operacin,particularmente a niveles medios y bajos de densidadesde flujo mediante la combinacin de aceros elctricosde alta y baja permeabilidad en los yugos y piernas deltransformador.

En 2013 Magdaleno estudi combinaciones de aceroselctricos de baja y alta permeabilidad en un ncleo deun transformador de potencia monofsico tipo columnade 10 MVA. Magdaleno utiliz la metodologamostrada en [18]. Como acero de alta permeabilidadutiliz un acero elctrico orientado trazado por lser ycomo aceros de baja permeabilidad utiliz un aceroelctrico orientado y un acero elctrico no orientado.Mediante simulaciones de elemento finito en tresdimensiones, se realiz un estudio del comportamientode las diferentes combinaciones de aceros en el ncleodel transformador. Se encontr que el acero noorientado es el acero que ms prdidas present en elncleo en la direccin de rolado, mientras que losaceros orientados presentaron menos prdidas en esa

misma direccin. En general, se disminuyeron lasprdidas en el ncleo, las corrientes de excitacin y lascorrientes de magnetizacin en todas lascombinaciones de aceros realizadas en el ncleo deltransformador. Para los casos donde se combin elacero orientado trazado por lser y el acero noorientado la mxima disminucin de prdidas fue dealrededor del 54%, para los casos donde se combin elacero no orientado y el acero orientado convencional lamxima disminucin de prdidas fue de alrededor del31% y para los casos donde se combin el acero

orientado trazado por lser y el acero orientadoconvencional la mxima disminucin de prdidas fuede alrededor del 32%. De los resultados obtenidos enlas diferentes combinaciones de aceros, Magdalenoconcluy que no es recomendable utilizar aceros noorientados en ncleos de transformadores de potencia.Los aceros no orientados incrementanconsiderablemente las prdidas en el ncleo, lascorrientes de excitacin y las corrientes demagnetizacin. Adems la utilizacin de aceros noorientados incrementa considerablemente el costo total

de las prdidas en vaco del transformador e incrementaconsiderablemente el costo total del ncleo. A pesar deque el costo del material es relativamente bajo cuando

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se combinan aceros orientados y aceros no orientados,la presencia del acero no orientado incrementasignificativamente el costo total del ncleo, lo cual noes conveniente. Adems los aceros no orientados

generan problemas de saturacin en los ncleos. Porotra parte, Magdaleno recomienda el uso de acerosorientados en ncleo de transformadores de potencia.Los aceros orientados no incrementan las prdidas enel ncleo, las corrientes de magnetizacin y lascorrientes de excitacin. El uso de aceros orientadostampoco incrementa el costo de las prdidas en vacodel transformador y tampoco incrementa el costo totaldel ncleo. Adems cuando se combinan acerosorientados no se presentan problemas de saturacin.Las combinaciones de aceros orientados no ponen enriesgo la integridad del transformador e incrementan eltiempo de vida del mismo. Finalmente se demostr quelas combinaciones de aceros impactan de manera muyimportante a los sistemas elctricos de potencia. Sedemostr que las combinaciones de aceros puedenproducir un importante impacto sobre el ahorro decostos y de energa en los sistemas elctricos depotencia.

3. CONCLUSIONES

Se present una revisin completa de trabajos sobre

mtodos para combinar diversos materiales en ncleosde transformadores. Se analizaron un total de 29trabajos de investigacin sobre este tema, publicadosen el periodo de 1928 a 2013 (85 aos). De los trabajosrevisados se encontraron combinaciones de materialesen ncleos de transformadores de distribucin, demedicin y de potencia. Entre los materiales empleadosen las combinaciones estn los aceros elctricos (acerosal silicio de grano orientado y no orientado), aceroselctricos trazados por lser, aceros amorfos y algunasaleaciones de materiales no magnticos y magnticos.La finalidad de los mtodos utilizados en los trabajosrevisados es la de mejorar la tecnologa actual del

transformador mediante la combinacin de diversosmateriales en los ncleos magnticos.

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Conference 2011, 2011.29. MAGDALENO ADAME, Salvador. Metodologa

para combinar aceros elctricos en transformadoresde potencia, Tesis de Maestra, InstitutoTecnolgico de Morelia, Morelia, Mxico, 2013.

SOBRE LOS AUTORESSalvador Magdaleno Adame (La Piedad, Mich., 1983).En 2008 obtuvo el grado de Ingeniero Electricista de laUniversidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo.En 2013 obtuvo el grado de Maestro en Ciencias en elInstituto Tecnolgico de Morelia. Del 2008 al 2010trabaj en la Industria como Ingeniero en Investigacin

y Desarrollo en el Departamento de Tecnologa enIndustrias IEM S.A. de C.V. Tiene 10 aos deexperiencia en la simulacin de camposelectromagnticos en transformadores de potenciautilizando el Mtodo de Elemento Finito. Tiene ms de

30 artculos publicados en conferencias y en revistas dearbitraje. Tambin cuenta con una patente Mexicanaaplicada a transformadores de potencia tipo acorazado.Actualmente es un consultor activo y trabaja para lacompaa Pennsylvania Transformer Technology Inc,(PTTI) ubicada en Canonsburgh, Pennsylvania, EUA.

Enrique Melgoza-Vzquez. Realiz estudios deingeniera industrial en elctrica y maestra en cienciasen ingeniera elctrica (1996), en el InstitutoTecnolgico de Morelia, Mxico. Asimismo, obtuvo eldoctorado en la Universidad de Bath (2002), ReinoUnido. Miembro del Sistema Nacional de

Investigadores. Sus reas de inters son el clculo decampo electromagntico aplicado a mquinas elctricasy fenmenos transitorios.

Juan C. Olivares Galvn (Zamora, Mich., 1969). En1993 obtuvo el grado de Ingeniero Electricista delInstituto Tecnolgico de Morelia. En 1997 y 2003obtuvo el grado de maestro en ciencias y el de doctoren el Instituto Tecnolgico de Morelia y CINVESTAV,unidad Guadalajara respectivamente. Trabaj duranteocho aos en la industria como diseador detransformadores de distribucin. En 2007 ingres comoprofesor investigador en la Universidad Autnoma

Metropolitana-Azcapotzalco. Es miembro del SistemaNacional de Investigadores (Nivel I) y Senior Memberdel IEEE.

E. Campero-Littlewood (Mxico D.F., 1947). En 1969obtuvo el grado de Ingeniero Mecnico Electricista dela Facultad de Ingeniera, UNAM. Trabaj en laindustria hasta 1975, ao en el que inici sus estudiosde maestra en el Imperial College de la Universidad deLondres. En 1977 ingres como profesor de tiempocompleto en la Universidad Autnoma Metropolitana,donde es profesor Titular C desde 1991. Sus reas deinters en investigacin son mquinas elctricas y usoeficiente de la energa. Actualmente realiza estudios dedoctorado en la Facultad de Ingeniera de la UNAM.

F. de J. Gonzlez M. (Mxico, D.F., 1985). En 2009obtuvo el grado de Ingeniero Electricista en laUniversidad Autnoma Metropolitana. En 2011 obtuvoel grado de maestro en ciencias en el CINVESTAVZacatenco. Actualmente se encuentra trabajando comoprofesor-investigador de tiempo completo en laUniversidad Autnoma Metropolitana. Est interesadoen el modelado y control de mquinas elctricas ytransformadores.

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