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UNIVERSIDAD DISTRITALFRANCISCO JOS DE CALDASProyecto Curricular
de Ingeniera Elctrica
ANLISIS FISICOQUMICO DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN UN
TRANSFORMADOR
ASIGNATURA:MATERIALES PARA INGENIERA
PRESENTADO AL DOCENTE:DIEGO JULIAN RODRIGUEZ PATARROYO
PRESENTADO POR LOS ALUMNOS:JUAN CARLOS ESTUPIAN BARRERA
(20112007052)YERSSON ESTEBAN VACA ORTIZ
(20112007053)TRANSFORMADORES TRIFASICOSCONTENIDOCONCEPTOS GENERALES
DE LOS TRANSFORMADORES.INTRODUCCIN.INDUCCIN
ELECTROMAGNTICA.MATERIALES QUE COMPONEN UN
TRANSFORMADOR.ConductoresAislantes y sus propiedades elctricasLa
influencia de la temperatura en los materiales.Como se clasifican
los materiales aislantesMateriales ferromagnticos.
PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN EL
TRANSFORMADOR.GENERALIDADESEL NCLEO DEL TRANSFORMADOR.Elementos que
conforman el ncleoTipos de ncleosTANQUEDEVANADOSLos devanados de
los transformadores
LQUIDOS REFRIGERANTES Y AISLANTES2CONCEPTOS GENERALES DE LOS
TRANSFORMADORES.INTRODUCCIN.El transformador, es un dispositivo que
no tiene partes mviles, el cual transfiere la energa elctrica de un
circuito u otro bajo el principio de induccin electromagntica.
Figura 1:Transformador de alta Potencia.INDUCCIN
ELECTROMAGNTICA.
La electricidad produce magnetismo en un electro imn, ya que el
campo magntico se produce solo cuando las espiras de alambre
enrollado alrededor del ncleo magntico, transportan corriente
elctrica. El proceso de induccin electromagnticas se puede explicar
de manera ms simplificada en la siguiente figura, en donde se
muestra como se induce un voltaje en una bobina cuando un imn
permanente se mueve alternativamente hacia adentro y hacia afuera
dela bobina.
Figura 2:Induccin Electromagntica.MATERIALES QUE COMPONEN UN
TRANSFORMADOR. Conductores.Los materiales usado como conductores en
los transformadores, al igual que los usados en otras mquinas
elctrica, 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 ms alta conductividad posible.El menor coeficiente posible de
temperatura por resistencia elctrica.Una adecuada resistencia
mecnica.Deben ser dctiles y maleables.Deben ser fcilmente
soldables.Tener una adecuada resistencia a la corrosin.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 aplicacin para un gran numero de aplicaciones a la
ingeniera. Otra razn 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 caractersticas mecnicas, el
aluminio no se puede fabricar siempre en forma de alambre.
CaractersticasCobreAluminioDensidad (gramos/cm^3)8.942.7Punto de
fusin C1083657Conductividad trmica (watt/m^3*C)350200Resistividad
(ohmm/mm^2)0.017240.0287Coeficiente de resistencia por temperatura
a 20C0.003930.035Cobre.El cobre es probablemente el material mas
ampliamente usado como conductor, ya que combina dos propiedades
importantes que son: alta conductividad con excelentes condiciones
mecnicas ya que es altamente maleable y dctil.Aislantes y sus
propiedades elctricas.Las principales propiedades que determinan la
factibilidad de uso de un material aislante son:La resistividad o
resistencia especificas, la tensin disruptiva, la permitividad y la
histresis dielctrica en adicin a las propiedades dielctricas se
deben considerar tambin las propiedades mecnicas y su capacidad
para soportar la accin de los agentes qumicos, el calor y otros
elementos presentes durante su operacin.
Figura 3:Tipos de Aislantes.La influencia de la temperatura en
los materiales.Uno de los factores que ms afectan la vida de los
aislamientos, es la temperatura de operacin de las mquinas
elctricas, esta temperatura est producida principalmente por las
prdidas y en el caso especfico de los transformadores, durante su
operacin, estas prdidas estn localizadas en los siguientes
elementos principales:
El ncleo o circuito magntico, aqu las prdidas son producidas por
el efecto de histresis y las corrientes parasitas en las
laminaciones, son dependientes de la induccin, es decir, que
influye el voltaje de operacin.
Los devanados, aqu las prdidas se deben principalmente al efecto
joule y en menos medida por corrientes de Foucault, estas prdidas
en los devanados son dependientes de la carga en el
transformador.La histresis:Esta es una anomala que se presenta en
los materiales ferromagnticos y es producida cuando la magnetizacin
del material no solo depende del campo magntico actual, sino tambin
de los momentos magnticos anteriores a este. Figura 4:Curva de
histresis.
Corrientes de Foucault.Sabemos que en un material conductor
existe cierta cantidad de electrones libres que al ser sometidos a
un campo magntico generan una corriente elctrica, como en los
transformadores este campo magntico es variable se evidencia el
mismo efecto observado cuando un imn 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
magntico en movimiento o de manera inversa.Efecto Joule.Bsicamente
es la energa en forma de calor que se manifiesta en un material
conductor por una circulacin de corriente elctrica a travs de
este.
Figura 5:Efecto Joule en un Conductor.Temperatura de Curie.La
temperatura de Curie es bsicamente el paso de un material
ferromagntico a paramagntico, es decir que al alcanzar cierta
temperatura en la cual las propiedades magnticas de los
ferromagnticos desaparecen completamente, de este modo el material
pasa a ser paramagntico. En la siguiente grfica se muestra el
efecto de la temperatura vs la magnetizacin
Figura 6:Efecto Temperatura de Curie.Como se clasifican los
materiales aislantesLa clasificacin de los materiales aislantes
para mquinas elctricas con relacin a su estabilidad terminal, cubre
bsicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo
general y que son los siguientes:CLASETEMPERATURA
CY90A105E120B130F155H180CMAYOR A 180Materiales ferromagnticos
Son materiales como el hierro el nquel y el cobalto donde los
campos electromagnticos externos pueden alinear los espines del
tomo en forma paralela y esto ocasiona o permite una magnetizacin
permanente. Los materiales ferromagnticos se dividen de la
siguiente manera:Por su composicin:Metales puros y aleacionesPor
sus propiedades magnticas:Los magnticamente blandosLos
magnticamente duros
PROPIEDADES FSICAS Y QUMICAS DE LOS MATERIALES QUE COMPONEN EL
TRANSFORMADOR.GENERALIDADES.Un transformador consta de dos partes
esenciales: El ncleo magntico y los devanados, estos estn
relacionados con otros elementos destinados a las conexiones
mecnicas y elctrica entre las distintas partes al sistema de
enfriamiento, al medio de transporte y a la proteccin de la mquina
en general. Figura 7:Transformador 750KVA.EL NCLEO DEL
TRANSFORMADOR. Elementos que conforman el ncleo.El ncleo consiste
en un paquete de laminaciones realizadas con hojas de acero de
silicio muy delgadas, aisladas en ambas caras con un recubrimiento
inorgnico, libre de envejecimiento.Minimizando los entrehierros
(espacios de aire en las uniones entre lminas de acero), mediante
el intercalado de las columnas yugos durante el proceso de armado
del ncleo, se disminuye la disipacin de potencia reactiva y las
perturbaciones de flujo magntico. Estas laminaciones se realizan
para evitar corrientes de Foucault con lo cual se evita perdidas en
el sistema debido a ellas y tambin se coloca material aislante
entre las laminas con el mismo fin.Los ncleos 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 peridica ms
abundante e la corteza terrestre. Es un metal maleable , dctil,
buen conductor tanto de electricidad como de calor, se magnetiza de
manera muy fcil.La estructura cristalina del hierro es variable
segn su temperatura cristalizndose como BCC o FCC.Es un metal
activo , con le cual se pueden realizar muchas aleaciones , para
mejorar sus propiedades tanto fsicas como magnticas dependiendo del
material usado para alearse.Posee un alto coeficiente de dilatacin
trmica.Posee muy bajas perdidas por histresis.18Propiedades qumicas
del hierro.Smbolo qumicoFeNombreHierroNumero atmico 26Valencia2,
3Estado de oxidacin3electronegatividad1,8Radio covalente1.25Radio
inico0.64Configuracin electrnica(Ar)3d64s2Masa
atmica(g/mol)55.847Densidad(g/ml)7.86Punto de ebullicin(C)3000Punto
de fusin (C)1536Conductividad elctrica103.0(mOhm.cm)-1Conductividad
trmica72.80J/msC19Modificaciones para su uso industrial
En la construccin del ncleo del transformador se utiliza la
aleacin Hierro-Silicio la cual mejora la permeabilidad y reduce las
perdidas por histresis.Por otra parte el silicio hace que crezca la
resistencia elctrica del material. Al aumentar el contenido de
silicio , la fragilidad aumenta , por lo que se limita el
porcentaje a un 5% como mximo para aplicaciones elctricas como la
construccin de transformadores, laminas magnticas, al realizar esta
aleacin mejoran sus propiedades magnticas, disminuyen sus
corrientes parasitas .Tipos de ncleos.Cuando se ha mencionado con
anterioridad, laso ncleos para transformadores se agrupan
bsicamente en las siguientes categoras:Tipo ncleo o de columnasTipo
acorazadoTipo ncleo o de columnasExisten distintos tipos de ncleos
tipo columna , que estn caracterizados por la posicin relativa de
las columnas y de los yugos.
Figura 8:Ncleo tipo columnas para transformador Trifsico.Tipo
AcorazadoEste tipo de ncleo acorazado, tiene la ventaja con
respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersin magntica,
su uso es mas comn en los transformadores monofsicos. En el ncleo
acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central, y
cuando se trata de transformadores pequeos, las laminaciones se
hacen en troqueles, las formas de construccin pueden ser distintas
y varan de acuerdo con la potencia.
162334455Ncleo montadoColumna centralPiernas lateralesYugos
superior e inferiorVentanaDevanadoFigura 9:Ncleo tipo
Acorazado.Dispersin Magntica.
Este fenmeno se produce en los transformadores, cuando algunas
lneas de campo siguen una trayectoria por el aire, y se pierden al
no poder cerrar el circuito magntico sobre si mismas este efecto de
perdida se hace mas notable en transformadores con ncleo tipo
columnas.
Se sabe que un material ferromagntico permiten que una mayor
cantidad de lneas de campo circulen por este, o dicho otra forma,
permite que una mayor cantidad de lneas de campo cierren su
circuito magntico.TANQUE. El tanque es elaborado en acero al carbn
de alta resistencia, para esfuerzos tanto internos como externos.
Ahora explicaremos con ms detalle el material utilizado .El acero
al carbn es una aleacin de hierro-carbono , esta aleacin tiene
propiedades magnticas al ser un material magnticamente blando por
lo que su ciclo de histresis no es muy grande. Como ya habamos
mencionado las caractersticas del hierro, solo hablaremos de su
aleacin hierro-carbono:La adicin de carbono al hierro mejora sus
capacidades resistivas con lo cual disminuye su permeabilidad y
ductilidad, posee una gran resistencia a la oxidacin.DEVANADOS. Los
devanados de los transformadores.Los devanados de los
transformadores esta compuesto en su totalidad por cobre
electroltico y aleaciones a fines, para mejorar sus caractersticas
fsicas.
Figura 10:Tipos de Devanados En Transformadores de Baja, Media y
Alta Potencia.Propiedades qumicas del cobreSmbolo QumicoCuNumero
Atmico29Grupo11Periodo4AspectoMetlico, RojizoDensidad8960
Kg/m^3Masa Atmica63.536 uConfiguracin
Electrnica[Ar]--3d^10--4s^1Estados de Oxidacin+1, +2OxidoLevemente
BsicoEstructura CristalinaCubica Centrada en las
CarasEstadoSlidoPunto de Fusin1357,77 KPunto de Ebullicin3200
KElectronegatividad1,9Conductividad Elctrica58,108*10^6
S/mConductividad Trmica400 W/(K-m)Radio Medio135 [3]pm pmRadio
Atmico145 [3] pm (radio de bohr)Radio Covalente138 [3] pm pmRadio
de Van der Waals140 [3] pm pmPor la manipulacin fsica del alambre
que componen los devanados, se pueden producir rupturas por
deformaciones, estas deformaciones las podemos evidenciar mas
fcilmente por ejemplo sobre lneas de transmisin, principalmente
aquellas que se ven sometidas a modificaciones continuas en su
ubicacin y u posicin. Caractersticas Mecnicas del
CobreEstadoResistencia a la Traccin, kg/mm2Limite Elstico
kg/mm2Fundido15-22-Recocido21-249Templado37-4136PROPIEDADES
MECNICAS DE RESISTENCIA DEL COBRE LIQUIDOS REFRIGERANTES Y
AISLANTES.
El calor producido por las prdidas se transmite a travs de un
medio al exterior, este medio puede ser aire o bien lquido.
La transmisin del calor se hace por un medio en forma ms o menos
eficiente, dependiendo de los siguientes factores:
La ms volumtrica.El coeficiente de dilatacin trmica.La
viscosidad.El calor especficoLa conductividad trmica.
En condiciones geomtricas y trmicas idnticas, el aceite es mejor
conductor trmico que el aire, es decir resulta ms eficiente para la
disipacin del calor.CaractersticasAceites para
transformadoresAceites para interruptoresAceites para
condensadoresAceites para cablesPeso especfico
(gr/cm3)0,88-0,910,90Punto de inflamacin mnimo en
C130180149280Punto de combustin mnimo en C149210170-Punto de
congelacin mnimo en C-15-5-15-Punto de fluidez mnimo en
C-40-10-40-50Rigidez dielctrica en (kV/mm a
25C)30303025-30Constante dielectrica2,22,22,22,25Los 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 explicacin de
estos aceites:Aceites vegetales.Estos aceites se utilizan para la
impregnacin de papeles, telas aislantes y como secantes de
barnices.Aceite de linaza: Aceite de tung: Aceites minerales: se
extraen de los petrleos brutos , los cuales estn constituidos por
mezclas en diferentes proporciones de varios
hidrocarburos.REFERENCIAS.Gilberto Enrique Harper, (2003).El ABC de
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Materiales, Aplicaciones prrafo ingeniera.1 ed.EE.UU.:
Alfaomega.
GRACIASPOR LA ATENCINPRESTADA!