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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 las maquinas: Transformadores.1 ed.Mxico: Limusa.D. Jos Ramrez Vsquez, (1983).Materiales electro-tcnicos. 3rd ed. Barcelona (Espaa): CEAC.D. Rodrguez, (2003).diseo de un sistema para captura de voltajes simultanea va un puerto paralelo de un pc aplicado a la medida de histresis magntica. Revista colombiana de fsica.35 (1), pp.4D. Pedro Dag Gelabert, (1982).Transformadores convertidores.4 ed.Barcelona (Espaa): CEAC.Charles Kingsley, Jr, (1992).Maquinas elctricas.5 ed.EE.UU. McGraw-Hill.Luis Ortiz Berrocal, (2007).Resistencia de Materiales.3 ed.Espaa: McGraw-Hill.Gilberto Enrique Harper, (2005).Experimentos con mquinas elctricas. 2nd ed. Mxico: Limusa.Edward M. Purcell, (2001).Electricidad y magnetismo.2 ed.Barcelona (Espaa): McGraw-Hill.Harry S. Parker, (2002).Mecnica y Resistencia de Materiales.3 ed.Mxico: Limusa.().Perdidas Magnticas Por efecto de histresis.[En lnea] Disponible en: http://www.uco.es/grupos/giie/cirweb/teoria/tema_11/tema_11_17.pdf.[ltimo acceso 22/11/2013].Desconocido (2005).Magnetismo-Histresis.[En lnea] Disponible en: http://www.ifent.org/lecciones/cap07/cap07-06.asp.[ltimo acceso 22/11/2013]31Mrquez H.A, (Abril 2005). Crecimiento y caracterizacin de pelculas delgadas ferroelctricas de Ba-Sr por la tcnica de RF-Sputtering. Instituto Politcnico Nacional. 1 (1), pp.69D. Juan Mara Ortega Plana, (1994).Mquinas de Corriente Alterna.1 ed.Espaa: CEAC.Hebert Nessler, (1990).Constitucin y funcionamiento del transformador. 1st ed. Espaa: Siemens.D.Jose Ramirez Vasquez, (1972).Estaciones de transformacin y distribucin. 5th ed. Barcelona (Espaa): CEAC.Luis Vargas Dia, (2008).Los sistemas electricos de potencia. 1st ed. Mxico: Pearson.James Newell, (2009).Ciencia de Materiales, Aplicaciones prrafo ingeniera.1 ed.EE.UU.: Alfaomega.

GRACIASPOR LA ATENCINPRESTADA!