¿Cómo reducir el flujo de fuga en los transformadores?
— Aplicaciones de laminación de acero al silicio, anillos de protección de cobre y rellenos de huecos magnéticos

En la transmisión de energía y los dispositivos electrónicos, los transformadores desempeñan un papel fundamental. Sin embargo, el flujo de fuga generado durante su funcionamiento no solo reduce la eficiencia, sino que también causa interferencias electromagnéticas (EMI), sobrecalentamiento localizado y ruido. Según estadísticas de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), las pérdidas en los transformadores de distribución global representan aproximadamente entre el 2 % y el 3 % de la generación total de energía, y el flujo de fuga contribuye significativamente. Este artículo explora tres técnicas de supresión de flujo de fuga probadas internacionalmente: laminación de acero al silicio, anillos de blindaje de cobre y aplicaciones de relleno de huecos magnéticos, lo que le ayudará a optimizar el diseño de transformadores para mejorar la eficiencia y la fiabilidad.

Contenido

1. Peligros y causas de las fugas de flujo

Los transformadores dependen del acoplamiento magnético para la transferencia de energía. Idealmente, el flujo magnético debería estar completamente confinado dentro del núcleo. Sin embargo, en la práctica, parte del flujo se "fuga" al espacio circundante, formando un campo magnético de fuga. Los peligros del flujo de fuga incluyen:

● Aumento de pérdidas:El flujo de fuga induce corrientes de Foucault en los componentes estructurales, lo que genera pérdidas significativas de eficiencia.

● Sobrecalentamiento localizado:Las corrientes de Foucault generan calor en las piezas metálicas (por ejemplo, abrazaderas, tanques), acelerando el envejecimiento del aislamiento.

● Interferencia electromagnética (EMI):El flujo de fuga de alta frecuencia altera los dispositivos electrónicos cercanos.

● Vibración mecánica y ruido: Las fuerzas de fuga alternas provocan vibraciones estructurales y del núcleo.

La causa principal del flujo de fuga es la reluctancia magnética en el circuito magnético. Cuando la permeabilidad del núcleo es insuficiente o el circuito magnético es discontinuo (p. ej., juntas del núcleo o extremos de bobinado), el flujo tiende a difundirse hacia el exterior. Normas internacionales como la IEC 60076 imponen requisitos estrictos sobre las pérdidas y el aumento de temperatura en los transformadores, lo que hace que el control del flujo de fuga sea esencial para el cumplimiento normativo.

2. Soluciones básicas: principios y aplicaciones

● Laminación de acero al silicio: optimización del circuito magnético principal
El núcleo es el portador principal del campo magnético. Circuito. El acero al silicio de grano orientado (CRGO) laminado en frío de alta calidad ofrece una permeabilidad extremadamente alta y bajas pérdidas unitarias (W/kg). Su recubrimiento aislante (p. ej., recubrimiento C5), formado durante el recocido a alta temperatura, bloquea eficazmente las corrientes de Foucault entre las capas.

●Implementación y efectos:

(1) Flujo de guías de alta permeabilidad:El acero CRGO de primera calidad (por ejemplo, grado 30QG120) tiene una permeabilidad inicial que supera los 1900 μ, mucho más alta que la del acero común (~200 μ), lo que reduce significativamente la reluctancia y confina más flujo dentro del núcleo.

(2) El recubrimiento de baja pérdida reduce las corrientes de Foucault:El revestimiento aislante interrumpe las vías conductoras entre las laminaciones, lo que limita las corrientes parásitas a las láminas individuales y reduce drásticamente las pérdidas. Los valores de pérdida cumplen con la norma ASTM A976.

(3) Técnicas de apilamiento de precisión: Paso-vuelta o 45° fuentes. Los sistemas de apilamiento automatizados garantizan costuras herméticas.

(4) Aplicaciones globales: Las redes eléctricas europeas utilizan ampliamente acero al silicio de alto grado (baja pérdida) (por ejemplo, 23ZDKH90) combinado con recocido de núcleo avanzado (por ejemplo, CAB), lo que aumenta la eficiencia en transformadores de potencia de gran tamaño.

● Anillos de protección de cobre: contrarrestan activamente las fugas en los extremos   

Los extremos de los devanados de los transformadores son zonas de alto flujo de fuga. El cobre, al ser altamente conductor, genera corrientes parásitas (ley de Faraday) bajo un flujo de fuga alterno. Estas corrientes parásitas producen un campo magnético contrario que compensa parcialmente la fuga original.

● Implementación y efectos:

(1) Colocación precisa:Los anillos se instalan cerca de devanados de alto voltaje o áreas de yugo (zonas de fuga más fuertes), con formas que coinciden con los extremos de los devanados y un espaciado optimizado a través de simulación EM (por ejemplo, ANSYS Maxwell).

(2) Blindaje contra corrientes de Foucault:Densidad de corrientes de Foucault    

 genera contraflujo ΔB∝J, reduciendo la densidad de flujo de fuga local en un 30%-50%.

(3) Pérdidas estructurales menores:Cortes de fugas suprimidos     Pérdidas por corrientes de Foucault en tanques y abrazaderas, cumpliendo con las normas IEC 61378 para pérdidas de accesorios.

● Rellenadores de huecos magnéticos: Sellado de huecos magnéticos

Los pequeños espacios de aire en las uniones del núcleo tienen una reluctancia mucho mayor que el acero al silicio (permeabilidad al aire μ0≈1.257×10−6H/m, acero al silicioμr>40,000). Los rellenos magnéticos unen estos espacios, creando caminos de baja reluctancia.

Implementación y efectos:

(1)  Rellenos de alta permeabilidad:

Los rellenos modernos combinan bases de epoxi/poliuretano con >80% de polvo ferromagnético (por ejemplo, hierro reducido, carboniliron), logrando

μr=50−100.

(2)  Reluctancia articular reducida: reluctancia del espacio de aire

(3) Supresión de ruido: Los rellenos curados mejoran la rigidez del núcleo, reduciendo las vibraciones de magnetostricción en 5-10 dB(A).

Tabla 1: Comparación de técnicas de supresión de flujo de fuga

En resumen

Un control eficaz del flujo de fuga es clave para aumentar la eficiencia, prolongar la vida útil y cumplir con las normas ecológicas globales (p. ej., la Directiva ErP de la UE). La laminación de acero al silicio refuerza el circuito magnético principal, los anillos de cobre neutralizan activamente las fugas en los extremos y los rellenos magnéticos sellan los puntos débiles. Estas técnicas pueden utilizarse de forma independiente o combinada para obtener resultados óptimos. Al aprovechar su física y cumplir con las normas IEC/IEEE, los diseñadores pueden mitigar los riesgos del flujo de fuga, creando transformadores eficientes, silenciosos y fiables que lideran la transición energética global.

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