La evolución de los materiales del núcleo del transformador: del acero al silicio a las aleaciones amorfas

Impulsada por la transición energética global y los objetivos de neutralidad de carbono, la innovación en los materiales para núcleos de transformadores se ha vuelto fundamental para mejorar la eficiencia energética. Este artículo explora la evolución del acero al silicio, el acero al silicio de grano orientado laminado en frío y las aleaciones amorfas, abarcando su historia, sus ventajas y desventajas de rendimiento y sus aplicaciones.

Contenido

1. Acero al silicio (1903-presente)

● Antecedentes históricos:
A principios del siglo XX, la expansión de los sistemas eléctricos generó un aumento repentino de la demanda de transformadores eficientes. En 20, el metalúrgico británico Robert Hadfield inventó el acero al silicio con un contenido de silicio del 1903% al 3%. Al dopar átomos de silicio, se modificaron las propiedades electromagnéticas del hierro puro, convirtiéndolo en el primer material industrializado para núcleos.

●Ventajas:
La adición de silicio aumentó la resistividad a 0.5 μΩ·m (en comparación con los 0.1 μΩ·m del hierro puro). Esta mayor resistividad suprimió significativamente el efecto de las corrientes de Foucault, reduciendo las corrientes circulares (corrientes de Foucault) en campos magnéticos alternos en un 60 %.

Además, los átomos de silicio redujeron la resistencia al movimiento de la pared del dominio magnético, disminuyendo la pérdida por histéresis de 5-8 W/kg (hierro puro) a 2-3 W/kg (a B=1.5 T, 50 Hz). Esto mejoró la eficiencia inicial del transformador de menos del 95 % al 97 %, convirtiéndose en una tecnología clave para la expansión de la red.

●Desventajas:
Sin embargo, la anisotropía magnética del acero al silicio (variación de la permeabilidad magnética >30 % en diferentes direcciones) provocó una densidad de flujo magnético desigual en el núcleo, lo que generó puntos calientes localizados (diferencias de temperatura de hasta 20 K) y aceleró el envejecimiento del aislamiento. Además, las láminas de acero al silicio son relativamente gruesas (0.3-0.5 mm), lo que requiere procesos de laminación complejos y laboriosos, lo que se traduce en mayores costos de producción.

2. Acero al silicio de grano orientado laminado en frío (1958-presente)

● Antecedentes históricos:
En la década de 1950, el aumento de la demanda de electricidad puso de manifiesto las limitaciones de eficiencia del acero al silicio tradicional. En 1958, Allegheny Technologies (EE. UU.) desarrolló el acero al silicio de grano orientado laminado en frío (CRGO), utilizando el laminado en frío para alinear los granos a lo largo de la dirección de fácil magnetización (orientación cristalina), logrando un avance en la permeabilidad.

●Ventajas:
El proceso de laminación en frío permitió una orientación de grano altamente alineada, lo que redujo la resistencia al movimiento del dominio magnético y aumentó la permeabilidad en un 50 %. Un recubrimiento aislante de fosfato-silicato (de 3 a 5 μm de espesor) redujo aún más las pérdidas por corrientes de Foucault entre laminaciones en un 30 %. La pérdida de núcleo (P1.5/50) se redujo de 3 W/kg (acero al silicio tradicional) a 1.2 W/kg, lo que redujo las pérdidas en vacío en un 40 %.

Según las estadísticas del IEEE, CRGO aumentó la eficiencia de los transformadores de distribución más allá del 99%, reduciendo las emisiones globales de carbono en 120 millones de toneladas al año.

●Desventajas:
El procesamiento de CRGO requiere equipos de corte de precisión, y las rebabas inducidas por cizallamiento (>20 μm) pueden causar descargas parciales, lo que aumenta el riesgo de rotura del aislamiento. Además, su coste es un 30 % superior al del acero al silicio laminado en caliente, lo que limita su adopción en mercados de bajo coste.

3. Aleaciones amorfas (1976-presente)

● Antecedentes históricos:
En 1976, AlliedSignal (EE. UU.) produjo en masa aleaciones amorfas a base de hierro (Fe₄₋₁₂Si₄) mediante tecnología de solidificación rápida (velocidad de enfriamiento: 80⁶ °C/s). Su estructura atómica desordenada superó los límites de rendimiento electromagnético de los materiales cristalinos tradicionales.

●Ventajas:
La estructura amorfa elimina la resistencia del límite de grano al movimiento del dominio magnético, reduciendo la pérdida por histéresis a 1/4 de la del acero al silicio (P1.3/50 ≈ 0.2 W/kg). Su alta resistividad (1.3 μΩ·m) reduce las pérdidas por corrientes parásitas en un 80% en comparación con el acero al silicio. Los transformadores de aleación amorfa reducen las pérdidas en vacío en un 70%, ahorrando 1,500 kWh al año (para un transformador de 500 kVA). El Departamento de Energía de EE. UU. los clasifica como de "ultra alta eficiencia" (≥99.5%).

●Desventajas:
Las cintas de aleación amorfa son extremadamente delgadas (25 μm) y mecánicamente frágiles, lo que provoca fracturas durante el procesamiento (tasa de fluencia: 70-80%). Los costos iniciales son de 2 a 3 veces superiores a los del acero al silicio, y su reciclaje es difícil (requiere refundición a alta temperatura, lo que aumenta el consumo de energía en un 30%).

● Aplicaciones:

Transformadores de distribución (obligatorios según la Directiva de Diseño Ecológico de la UE).

Filtrado de alta eficiencia en inversores fotovoltaicos y convertidores de energía eólica.

● Medidas de optimización:

(1)Diseños compuestos:El recubrimiento de cintas amorfas con resina epoxi y capas de fibra de vidrio (0.1 mm de espesor) aumenta la resistencia a la flexión en un 0.1%, solucionando la fragilidad.

(2)La colada continua de dos rodillos aumenta la velocidad de producción de 20 m/min a 100 m/min, reduciendo los costos a 1.5 veces el acero al silicio.

4. Materiales del futuro: aleaciones nanocristalinas y acero al silicio de pérdida ultrabaja

Después de 2010, la empresa japonesa TDK desarrolló aleaciones nanocristalinas (Fe-Si-B-Cu-Nb) con pérdidas de núcleo de tan solo 0.1 W/kg (1.5 T a 50 Hz) y una permeabilidad >10,000 1 a 5,000 MHz (en comparación con 500 para aleaciones amorfas). El recocido preciso (5 °C ± 20 °C) controla el tamaño de grano por debajo de 10 nm, lo que previene la degradación magnética. Sin embargo, la producción requiere ultra alto vacío (<10⁻⁵Pa), con costos de equipo diez veces superiores a los de las líneas de acero al silicio, lo que eleva los precios a entre 5 y 8 veces. El espesor de 20 μm también complica los procesos de bobinado.

Tabla de comparación de materiales del núcleo

En resumen

Desde el acero al silicio hasta las aleaciones amorfas, cada avance en los materiales de núcleo ha impactado profundamente la eficiencia de la industria eléctrica. La AIE predice que para 2030, las aleaciones amorfas dominarán el 60 % del mercado mundial de transformadores de distribución, reduciendo las emisiones de CO₂ en 500 millones de toneladas anuales. Mientras tanto, las aleaciones nanocristalinas abren un nuevo potencial para la electrónica de potencia de alta frecuencia. Esta revolución silenciosa de los materiales es fundamental para un futuro sin emisiones de carbono de la humanidad.

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