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Diagrama esquemático de los componentes principales del transformador

Proceso de fabricación de transformadores

Núcleo del transformador

El contenido principal de la introducción al núcleo del transformador es el corte, apilamiento y fijación del núcleo del transformador, así como la última tecnología de apilamiento para reducir las pérdidas en vacío.

2. Núcleo del transformador

El núcleo es el componente básico del transformador. Consta de un conductor magnético y un dispositivo de sujeción. Cumple dos funciones: en principio, el conductor magnético del núcleo de hierro constituye el circuito magnético del transformador, que convierte la energía eléctrica del circuito primario en energía magnética y, a su vez, transforma esta energía magnética en energía eléctrica para el circuito secundario, que actúa como medio de conversión de energía. Estructuralmente, el núcleo de hierro soporta todos los componentes internos del transformador, como la carcasa y los conductores.

El núcleo de hierro del transformador es una estructura cerrada con forma de marco. La parte que contiene la bobina se denomina columna del núcleo. La parte que no cubre la bobina y cuya única función es cerrar el circuito magnético se denomina núcleo de hierro.

Tipos de núcleos de hierro

Según la posición relativa del devanado y el núcleo de hierro, este último se puede clasificar en dos categorías: núcleo rígido y núcleo de alambrada. Por el momento, aquí solo se presenta el núcleo de hierro de tipo corazón. En los transformadores monofásicos, el núcleo de hierro presenta diversas configuraciones estructurales, como de dos columnas, de una columna y cuatro columnas, y de dos columnas y cuatro columnas.

En los transformadores trifásicos, el núcleo de hierro presenta diversas configuraciones estructurales, como dos columnas (trifásico de tres columnas), tres columnas y cuatro columnas (trifásico de cinco columnas). La elección de la estructura del núcleo se determina considerando factores como la disposición óptima de los devanados, el ahorro de material y el cumplimiento de la altura de transporte. El uso de derivaciones permite reducir la quinta y séptima onda en el flujo de dispersión y la corriente de magnetización.

fleje de acero eléctrico (chapa de acero al silicio):

El material utilizado para el conductor magnético con núcleo de hierro es una tira de acero eléctrico con alto contenido de silicio, también conocida como chapa de acero al silicio.

Existen dos tipos de láminas de acero al silicio: laminadas en frío y laminadas en caliente, de las cuales las láminas de acero al silicio laminadas en frío se dividen en dos tipos: no orientadas y orientadas.

Las propiedades magnéticas de las láminas de acero al silicio laminadas en caliente son deficientes; la densidad de flujo magnético solo alcanza 1,5 T y la pérdida unitaria es demasiado grande, por lo que ya no se utilizan. La lámina de acero al silicio laminada en frío con orientación de grano presenta una direccionalidad definida, una alta densidad magnética de saturación, baja pérdida unitaria y baja capacidad de excitación unitaria, y actualmente se utiliza ampliamente.

El espesor de la chapa de acero al silicio de grano orientado laminada en frío tiene varias especificaciones, como 0,35 mm, 0,3 mm, 0,27 mm, 0,23 mm, etc. La más utilizada es de 0,3 mm, y su tamaño se está reduciendo cada vez más, y su principal objetivo es disminuir la pérdida transversal en vacío.

·Actualmente, las principales zonas productoras de láminas de acero al silicio son Japón, Europa Occidental, Rusia, Corea del Sur y la empresa nacional Wuhan Iron and Steel.

Las especificaciones de las láminas de acero al silicio de grano orientado laminadas en frío están representadas principalmente por el espesor y la pérdida unitaria (W/kg) cuando la densidad de flujo magnético de 50 Hz es de 1,7 T, por ejemplo:

• Lámina de acero al silicio de reciente desarrollo mediante irradiación láser y tecnología de grabado mecánico.

Corte de la lámina de acero al silicio del núcleo del transformador:

Cuando la chapa de acero al silicio llega a la fábrica, se presenta en forma de bobina de aproximadamente 1000 mm de ancho. Es necesario cortarla con la forma requerida mediante equipos de corte especiales (como la máquina de corte de alambre Georger alemana). La rebaba de corte de cada chapa no debe ser superior a 0,02 mm.

Apilamiento de núcleos de hierro:

●Dado que la bobina del transformador de núcleo es circular, la sección del núcleo también debería ser circular, pero esto dificulta su fabricación y resulta antieconómico. Por ello, se opta por una estructura escalonada (cilíndrica graduada). Cada escalón forma un rectángulo, cuyo límite exterior se sitúa sobre la circunferencia circunscrita. El número de escalones tiene un límite determinado, que debe considerarse detenidamente en función de la rentabilidad.

●Cuando se apilan los núcleos de hierro, la columna del núcleo y las piezas del núcleo de hierro del yugo se solapan alternativamente mediante una o varias piezas, de modo que las juntas a tope de las capas superior e inferior de láminas de acero al silicio se escalonan alternativamente y se cubren entre sí. De esta forma, se reducen la corriente de excitación y las pérdidas en vacío, al tiempo que se mejora la resistencia.

Junta solapada de la pieza central de hierro:

Actualmente, el núcleo del transformador adopta una configuración de unión oblicua completa, es decir, la unión entre la columna del núcleo y el yugo de hierro es de 45°. Esta configuración se adapta perfectamente a las características de la chapa de acero al silicio orientado de alta permeabilidad magnética que se utiliza habitualmente, lo que permite lograr un circuito magnético lo más uniforme posible.

• Para núcleos de transformadores grandes con juntas a inglete completas, el apilamiento generalmente se realiza mediante juntas de dos etapas. Para mejorar aún más las características en vacío del núcleo del transformador, se forma una configuración de costura multinivel, es decir, el núcleo StepLap.

En el núcleo laminado, las uniones de las láminas de acero al silicio están escalonadas. Cuando el flujo magnético de una pieza incide en el entrehierro de la unión, la resistencia magnética de este entrehierro es miles de veces mayor que la de la lámina de acero al silicio. La mayor parte del flujo atraviesa las láminas de acero al silicio adyacentes que unen ambas uniones. El flujo magnético original de las laminaciones en las uniones se superpone al flujo magnético de estas uniones. La densidad puede alcanzar la saturación, lo que provoca un aumento brusco de las pérdidas y la corriente en vacío en la zona de unión (es decir, localmente), incrementando así las pérdidas totales en vacío.

La laminación por pasos es una nueva tecnología adoptada este año que mejora la densidad magnética de la lámina de acero al silicio en la zona de unión, reduciendo así eficazmente las pérdidas en vacío y el ruido de la parte central.

Aislamiento del núcleo:

El aislamiento del núcleo de hierro influye directamente en la calidad del producto. Este aislamiento se divide en dos partes: el aislamiento entre las láminas y el aislamiento entre las laminaciones y las partes estructurales.

El aislamiento entre chips se logra principalmente a través de dos aspectos: uno es el recubrimiento en la superficie de la lámina laminada, y el otro es colocar una capa de cartón aislante de cierto grosor en cada pila durante el proceso de apilamiento, que también actúa como un canal de aceite para la disipación del calor.

En los transformadores de gran capacidad, para que el aceite circulante disipe el calor generado en el núcleo de hierro, se incorporan conductos de aceite refrigerante en la columna del núcleo y en el yugo. Estos conductos pueden estar fabricados mediante el troquelado de láminas de acero al silicio para formar placas corrugadas, o bien consistir en barras de acero soldadas a dichas láminas. En los núcleos de transformadores con juntas oblicuas completas, para reducir las pérdidas, se utilizan listones de material no metálico para separar los canales de aceite.

Conexión a tierra del núcleo de hierro:

Durante el funcionamiento del transformador, debido a las diferentes posiciones del núcleo de hierro y sus estructuras metálicas en el campo eléctrico, los potenciales generados también varían. Cuando la diferencia de potencial entre ambos puntos alcanza un valor determinado, se produce una descarga. Como consecuencia de la descarga, el aceite del transformador se descompone o el aislamiento sólido se daña. Para evitar este fenómeno, el núcleo de hierro y sus componentes metálicos deben estar conectados a tierra de forma eficaz.

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Parte II. Bobinado del transformador

El contenido principal de la sección sobre el bobinado del transformador es el tipo de cable y el método de bobinado del mismo.

La bobina es el circuito eléctrico de entrada y salida de energía eléctrica del transformador, y es el componente básico del mismo. Las bobinas deben diseñarse para cumplir con los siguientes requisitos básicos:

1. Fuerza eléctrica

tensión de resistencia al impulso de rayo

Tensión de resistencia al impulso de funcionamiento

Tensión de resistencia a la frecuencia de potencia

2. resistencia al calor

Debido al calor generado por la corriente de funcionamiento prolongada, la vida útil del aislamiento de la bobina no debe ser inferior a 20 años.

En las condiciones de funcionamiento del transformador, si se produce un cortocircuito repentino en cualquier extremo de la línea, la bobina debe ser capaz de soportar el calor generado por la corriente del cortocircuito sin sufrir daños.

3. Resistencia mecánica

tipo de bobina;

El tipo de bobina se selecciona principalmente en función de su capacidad de relajación, como la tensión de la bobina, y también se consideran la rigidez dieléctrica, la resistencia mecánica, la disipación de calor y la viabilidad del proceso de fabricación. La elección de la estructura de la bobina no es única, y a veces existen varias formas estructurales para elegir. Esto también está relacionado con las prácticas tradicionales de los distintos fabricantes de transformadores.

Las bobinas de transformador se pueden dividir a grandes rasgos en dos tipos: de capas y de tipo torta. Las bobinas de pines se pueden dividir en espiral, continuas, entrelazadas, entrelazadas continuas, continuas con blindaje interno y escalonadas.

Alambre de bobina:

El alambre de bobinado se puede clasificar en cobre y aluminio según el material conductor, alambre redondo y alambre plano según la forma del conductor, y alambre de papel, pintura y vidrio según el material aislante. Los transformadores de potencia suelen utilizar cable plano de acero recubierto de papel.

El alambre de acero plano recubierto de papel se puede dividir en alambre recubierto de papel ordinario, alambre combinado, alambre transpuesto y otros tipos. Según la resistencia a la tracción del alambre de acero, se puede dividir en alambre ordinario (00, ≤ 120 MPa), alambre de cobre semiduro (120 MPa < 00,2 ≤ 210 MPa). Entre ellos, también hay un alambre transpuesto autoadhesivo en el alambre transpuesto, es decir, un solo alambre plano en el alambre transpuesto está recubierto con una capa de resina epoxi (el espesor de la película de pintura en ambos lados es

(0,06 ± 0,02 mm), el objetivo es unir todos los cables pequeños después del curado térmico de la película de pintura, para así mejorar la resistencia a cortocircuitos de la bobina. Actualmente, se ha implementado el último cable de transposición de encapsulado de malla, y también se han introducido en China las líneas de producción de procesamiento correspondientes.

Los cables de bobinado se pueden dividir en cobre y aluminio según los diferentes materiales conductores, cables redondos y cables planos según las formas de los conductores, y cables de papel, pintura y vidrio según los materiales aislantes. Los transformadores de potencia suelen utilizar cable plano de cobre envuelto en papel.

El alambre de cobre plano recubierto de papel se puede dividir en alambre recubierto de papel común, alambre combinado, alambre transpuesto y otros tipos. Según la resistencia a la tracción del alambre de cobre, se puede dividir en alambre común (02≤120Mpa) y alambre de cobre semiduro (120Mpa<00, ≤210Mpa). Entre ellos, también hay un alambre transpuesto autoadhesivo, es decir, un solo alambre plano en el alambre transpuesto está recubierto con una capa de resina epoxi (el espesor de la película de pintura en ambos lados es de 0,06±0,02 mm), el propósito es calentar la película de pintura. Después del curado, se pegan todos los pequeños alambres entre sí para aumentar la resistencia al cortocircuito de la bobina. Actualmente, se ha aplicado el alambre transpuesto de paquete de red más reciente, y también se han introducido líneas de producción de procesamiento correspondientes en China.

Los devanados se suelen dividir en dos tipos: de capas y de tipo sectorial.

Las espiras del devanado están dispuestas y enrolladas de forma continua a lo largo del eje, lo que se denomina devanado en capas. Cada capa tiene forma de cilindro. Devanado de barril.

Las espiras del devanado se enrollan continuamente en dirección radial para formar una figura de pastel (segmento), y el devanado compuesto por muchas espiras dispuestas en dirección axial se denomina devanado de pastel. Incluye devanados capacitivos continuos, entrelazados e insertados.

Formas de bobinado comunes:

Los tipos de bobinado más comunes son cilíndrico, espiral, continuo y enmarañado.

El bobinado cilíndrico es el tipo más simple y generalmente se compone de una o varias vueltas. Al bobinarlo, se enrolla una vuelta cerca de la otra a lo largo del eje del molde, de forma similar a un muelle helicoidal circular de bobinado apretado. Se caracteriza por su bobinado sencillo, buena mano de obra y buena disipación del calor mediante conductos de aceite entre las capas, pero presenta pequeñas superficies de apoyo en los extremos y escasa resistencia mecánica.

El bobinado en espiral está hecho de alambre plano, y las espiras no están muy juntas, sino separadas por una cierta distancia (canal de aceite) con espaciadores aislantes, como un muelle helicoidal estirado. La ventaja es que el proceso de bobinado es sencillo y cuenta con un canal de aceite para la disipación del calor, pero no es adecuado para bobinados con un gran número de espiras.

El tipo espiral consiste en varios alambres enrollados en paralelo sobre la cámara de aire rígida del neumático, que pueden formar una hélice simple o doble o cuádruple cuando hay más alambres en paralelo. Cuando se conectan varios alambres en paralelo, estos deben estar invertidos; de lo contrario, se producirá una corriente circulante debido a la longitud desigual de los alambres.

El bobinado continuo se compone de uno o más alambres planos que se enrollan de forma continua en varios segmentos de alambre con forma de cuña sobre el cilindro aislante o los puntales del molde de alambre mediante un proceso especial. Las ventajas son su alta resistencia mecánica y su buena disipación de calor. Sin embargo, el proceso de bobinado es más complejo.

La conexión entre el haz de alambre continuo y el haz de alambre se realiza alternativamente en el interior y el exterior del bobinado, por lo que, siempre que la longitud del alambre sea suficiente, se puede enrollar en un bobinado continuo sin juntas de soldadura.

El devanado capacitivo insertado se forma insertando un hilo (hilo apantallado) con capacitancia longitudinal entre las espiras del lado exterior del haz de hilo continuo. El haz de hilo insertado y el número de espiras insertadas se pueden determinar según la capacitancia requerida. El hilo apantallado no tiene corriente de trabajo, por lo que generalmente se utilizan hilos muy delgados.

El devanado capacitivo insertado adopta un bobinado continuo, lo que reduce considerablemente la cantidad de puntos de soldadura en comparación con el bobinado enredado. Además, el número de vueltas del hilo de protección insertado se puede ajustar libremente, lo que permite regular la capacitancia longitudinal según sea necesario. Actualmente, se utiliza ampliamente en los devanados de transformadores de gran tamaño de 110 kV o superiores.

transposición de cables

Cuando la corriente del transformador es elevada, las espiras de la bobina están compuestas por múltiples conductores paralelos. Si no se toman medidas, el conductor cercano al eje central es más corto y el alejado del eje central es más largo. Debido a la diferencia de longitud y posición de los conductores en el campo magnético, la resistencia y la reactancia inductiva de los conductores se desequilibran, lo que provoca una distribución desigual de la corriente entre los conductores. Para asegurar una distribución uniforme de la corriente a lo largo de los conductores y reducir las pérdidas adicionales, es necesario intercambiar la posición de los conductores paralelos, un proceso conocido como "transposición".