Funciones y clasificación de núcleos de transformadores.

1. Funciones de los núcleos de los transformadores

Los transformadores prácticos siempre funcionan en condiciones de corriente alterna (CA). Las pérdidas de potencia ocurren no sólo en la resistencia de los devanados sino también en el núcleo debido a la magnetización de CA. La pérdida de potencia dentro del núcleo se conoce comúnmente como 'pérdida de hierro' (o pérdida del núcleo), y es causada por dos factores principales: 'pérdida por histéresis' y 'pérdida por corrientes parásitas'. La pérdida por histéresis es la energía disipada durante el proceso de magnetización debido al fenómeno de histéresis. La magnitud de esta pérdida es proporcional al área encerrada por el bucle de histéresis del material. Debido a que el acero al silicio tiene un bucle de histéresis estrecho, usarlo como material del núcleo reduce significativamente la pérdida de histéresis y minimiza sustancialmente la generación de calor.

Dado que el acero al silicio tiene estas ventajas, ¿por qué el núcleo no se fabrica a partir de un bloque sólido de acero al silicio, sino que se procesa en láminas delgadas? Esto se debe a que un núcleo laminado reduce otro tipo de pérdida de hierro: la pérdida por corrientes parásitas. Durante el funcionamiento, la corriente alterna en los devanados genera un flujo magnético alterno. Este flujo magnético cambiante induce corrientes dentro del núcleo. Estas corrientes inducidas circulan en planos perpendiculares a la dirección del flujo magnético y por eso se denominan corrientes parásitas. La pérdida de corrientes de Foucault también hace que el núcleo se caliente. Para minimizar esta pérdida, el núcleo del transformador se construye apilando láminas de acero al silicio aisladas entre sí. Esto obliga a las corrientes parásitas a fluir a través de bucles estrechos con un área de sección transversal más pequeña, aumentando así la resistencia eléctrica del camino de las corrientes parásitas. Además, el silicio del acero aumenta la resistividad eléctrica del material, lo que ayuda aún más a reducir las corrientes parásitas. Para los núcleos de transformadores, generalmente se seleccionan láminas de acero al silicio laminadas en frío de 0,35 mm de espesor. Se cortan en tiras rectangulares de acuerdo con las dimensiones del núcleo requeridas y luego se apilan para formar una 'figura de ocho' o un marco rectangular. En teoría, cuanto más delgadas sean las láminas de acero al silicio y más estrechas las tiras, mejor será el efecto para reducir las corrientes parásitas. Esto no sólo reduce la pérdida por corrientes parásitas y reduce el aumento de temperatura, sino que también ahorra material. Sin embargo, en la fabricación real, estos factores favorables no son las únicas consideraciones. Hacer las láminas demasiado delgadas y estrechas aumentaría significativamente las horas de trabajo y reduciría el área transversal efectiva del núcleo. Por lo tanto, al fabricar núcleos de acero al silicio, se deben sopesar los pros y los contras en función de circunstancias específicas para seleccionar las dimensiones óptimas.

Los transformadores se fabrican según el principio de inducción electromagnética. Dos devanados se enrollan alrededor de una rama central cerrada: el devanado primario y el devanado secundario. Cuando se aplica un voltaje de CA al devanado primario, una corriente alterna fluye a través de él, estableciendo una fuerza magnetomotriz (MMF). Bajo la influencia de este MMF, se genera un flujo magnético principal alterno en el núcleo. Este flujo magnético principal atraviesa y une los devanados primario y secundario. Debido a la inducción electromagnética, en ambos devanados se generan fuerzas electromotrices (EMF). La razón por la que puede aumentar o disminuir el voltaje se explica por la Ley de Lenz: el flujo magnético generado por la corriente inducida siempre se opone al cambio en el flujo magnético original. Cuando el flujo magnético original aumenta, el flujo magnético producido por la corriente inducida se opone a él. En otras palabras, el flujo magnético inducido en el devanado secundario es opuesto al flujo magnético principal producido por el devanado primario, lo que resulta en un voltaje alterno de nivel inferior a través del devanado secundario. Así, el núcleo sirve como circuito magnético del transformador, mientras que los devanados constituyen su circuito eléctrico.

2. Clasificación de las configuraciones del núcleo del transformador.

Núcleos tipo Shell y tipo núcleo

La parte del núcleo alrededor de la cual se enrollan los devanados se llama 'rama del núcleo', mientras que la parte que no tiene devanados pero sirve únicamente como camino magnético se llama 'yugo'. Un núcleo se denomina 'tipo cáscara' cuando el núcleo rodea los devanados, y 'tipo de núcleo' cuando los devanados rodean la rama del núcleo. Las configuraciones de tipo carcasa y tipo núcleo tienen cada una sus características distintas, pero los procesos de fabricación que dictan son significativamente diferentes. Una vez seleccionada una estructura específica, es difícil cambiar a otra. En China, la mayoría de los núcleos de transformadores utilizan un diseño de tipo núcleo apilado.

Las láminas de acero al silicio se utilizan para transformadores de baja frecuencia y vienen en varios tipos. Según el proceso de fabricación se pueden dividir en:
A: Recocidos (láminas negras)
N: No recocidos (láminas blancas)

Según su forma, se pueden clasificar en: tipo EI, tipo UI, tipo C y tipo cuadrado (boca).

Las láminas de acero al silicio de tipo cuadrado se utilizan comúnmente en transformadores de alta potencia. Ofrecen un excelente rendimiento de aislamiento, facilidad de disipación del calor y una trayectoria magnética corta. Se utilizan principalmente para transformadores con potencias superiores a 500-1000 W y transformadores de alta potencia. Un conjunto de láminas de acero al silicio compuesto por dos láminas tipo C se denomina núcleo tipo CD. Para transformadores de potencia fabricados con láminas tipo CD, bajo la misma sección transversal, cuanto mayor sea la ventana, mayor será la capacidad de potencia del transformador. Dado que las bobinas se pueden instalar por separado en ambos lados del núcleo, el número de vueltas de la bobina se puede distribuir en dos bobinas, lo que da como resultado una longitud de vuelta promedio más corta por bobina y una menor pérdida de cobre. Además, si se enrollan dos bobinas simétricas en bobinas separadas, se puede lograr una simetría perfecta.

Un conjunto de láminas de acero al silicio compuesto por cuatro láminas tipo C se denomina núcleo tipo ED. Los transformadores fabricados con núcleos tipo ED tienen un perfil plano y ancho. Bajo la misma potencia nominal, los transformadores tipo ED son más cortos y anchos que los transformadores tipo CD. Debido a que las bobinas están instaladas en el centro de las láminas de acero al silicio con una trayectoria magnética externa, exhiben un flujo de fuga bajo y una interferencia mínima con los componentes circundantes. Sin embargo, todas las bobinas están enrolladas en una sola bobina gruesa, lo que da como resultado una longitud de vuelta promedio más larga y una mayor pérdida de cobre.

Los núcleos tipo C ofrecen un rendimiento superior, lo que da como resultado transformadores compactos, livianos y altamente eficientes. Desde una perspectiva de ensamblaje, los núcleos tipo C requieren muy pocas piezas y tienen una gran versatilidad, lo que conduce a una alta eficiencia de producción. Sin embargo, el proceso de mecanizado de láminas de acero al silicio tipo C es complejo y requiere equipos especializados, lo que hace que su costo actual sea relativamente alto.

Las láminas de acero al silicio tipo E, también conocidas como láminas tipo carcasa o en forma de ocho, tienen la principal ventaja de compartir una sola bobina para los devanados primario y secundario, lo que produce un alto factor de espacio de ventana (factor de espacio Km: la relación entre el área de la sección transversal neta del alambre de cobre y el área de la ventana). Las láminas de acero al silicio forman una capa protectora alrededor de los devanados, evitando daños mecánicos. También proporcionan una gran área de disipación de calor y minimizan la dispersión del campo magnético. Sin embargo, exhiben una mayor inductancia de fuga entre los devanados primario y secundario y una mayor susceptibilidad a la interferencia magnética externa. Además, debido al perímetro promedio más largo de los devanados, los transformadores tipo E requieren más alambre de cobre para la misma cantidad de vueltas y área de sección transversal del núcleo.

Los espesores habituales de las láminas de acero al silicio son 0,35 mm y 0,5 mm. Hay dos métodos de ensamblaje para láminas de acero al silicio: entrelazado y apilamiento a tope. El método de entrelazado alterna los extremos abiertos de las hojas en lados opuestos. Este método es más tedioso pero da como resultado espacios de aire más pequeños y una menor reluctancia magnética, lo que es beneficioso para aumentar el flujo magnético; por lo tanto, se utiliza ampliamente en transformadores de potencia. El método de apilamiento a tope se usa comúnmente en aplicaciones con corriente continua (CC). Para evitar la saturación causada por la corriente continua, se debe dejar un espacio de aire entre las láminas de acero al silicio. En este método, las hojas E y I se colocan en lados opuestos y el espacio de aire entre ellas se puede ajustar usando cuñas de papel.

3. Tipos de núcleos de bobina

Se dividen en tres tipos:
A. NÚCLEO TOROIDAL: Se obtienen apilando laminaciones tipo O o enrollando láminas de acero al silicio. Es muy difícil enrollar alambre en este tipo de núcleo.
B. NÚCLEO DE VARILLA: Un núcleo de hierro en forma de varilla.
C. NÚCLEO DEL TAMBOR: Núcleo de hierro en forma de tambor.

4. Clasificación de los materiales del núcleo del transformador.

1. Categoría de alta frecuencia: núcleos de ferrita
Los núcleos de ferrita se utilizan en transformadores de alta frecuencia. Son imanes cerámicos con estructura cristalina de espinela, compuestos por óxido de hierro y otros compuestos metálicos divalentes, como kFe₂O₄ (donde k representa otros metales). Los metales más utilizados actualmente incluyen manganeso (Mn), zinc (Zn), níquel (Ni), magnesio (Mg) y cobre (Cu). Las combinaciones comunes incluyen la serie Manganeso-Zinc (MnZn), la serie Níquel-Zinc (NiZn) y la serie Magnesio-Zinc (MgZn). Estos materiales poseen características de alta permeabilidad e impedancia, con un rango de frecuencia de funcionamiento de 1 kHz a más de 200 kHz.
Rango de frecuencia del núcleo de ferrita: 18 kHz a más de 1 MHz.

2. Categoría de baja frecuencia: láminas de acero al silicio y aleaciones amorfas.
Rango de frecuencia del núcleo de acero al silicio: 5 Hz a 1 kHz.
Los transformadores que utilizan acero al silicio suelen funcionar a 50 Hz. Sin embargo, en términos de eficiencia, una frecuencia ligeramente más alta puede producir mejores resultados, dependiendo del índice de Gauss de la lámina de acero al silicio. Si bien las frecuencias de audio pueden alcanzar más de 20 kHz, esto no es práctico. Se recomienda operar a 50–60 Hz, aunque pueden funcionar normalmente dentro de un rango de frecuencia de 50–200 Hz.
Rango de frecuencia del núcleo amorfo: 2 kHz a 13 kHz.