¿Por qué son más eficientes los transformadores con núcleo bobinado 3D?

 -La física detrás de los circuitos magnéticos simétricos y la reducción de pérdidas en el hierro

En el mundo actual, donde la eficiencia energética es una prioridad global, los transformadores con núcleo bobinado 3D están redefiniendo los estándares de la industria eléctrica gracias a su comprobada reducción del 35 % al 50 % en las pérdidas en vacío (certificación IEC 60076-20) en comparación con los núcleos laminados tradicionales. El diseño revolucionario de estos transformadores reside en su circuito magnético continuo tridimensional, que resuelve de raíz el problema de las excesivas pérdidas en el hierro de los transformadores convencionales. Este artículo revela la física subyacente y explica por qué los núcleos bobinados 3D representan la solución definitiva para la mejora de la eficiencia energética.

Contenido

1. La trampa energética de los núcleos laminados tradicionales: El defecto fatal de los circuitos magnéticos discontinuos

Los núcleos de transformadores tradicionales se fabrican apilando y ensamblando láminas de acero al silicio cortadas. Su principal defecto radica en las roturas físicas y los daños en el grano del circuito magnético. Cuando las láminas de acero al silicio se ensamblan en ángulos rectos de 90° entre el yugo (parte horizontal) y la pata (parte vertical), las líneas de flujo magnético se ven obligadas a realizar giros bruscos. Esto provoca que la densidad de flujo local en las juntas aumente a más de 1.5 veces el valor de diseño, lo que equivale a forzar el tráfico en una autopista a tomar una curva en ángulo recto, lo que inevitablemente conduce a la congestión y al aumento de la fricción.

Peor aún, el proceso de corte altera la orientación uniforme del grano en las láminas de acero al silicio. Durante el laminado, estas láminas desarrollan una estructura de grano altamente direccional que permite que el flujo magnético circule con mínima resistencia. Sin embargo, los bordes creados por el corte presentan una disposición caótica del grano. Cuando el flujo magnético se desplaza de una región ordenada a una desordenada, la resistencia al cambio de dominio magnético (los imanes microscópicos dentro del material) aumenta drásticamente. Esto es como obligar a soldados bien organizados a marchar a través de una selva espinosa.

●Tres pérdidas de energía importantes causadas por circuitos magnéticos discontinuos:

(1) Pérdida por histéresis disparada:La altísima densidad de flujo en las juntas multiplica la fricción del cambio de dominio magnético. Dado que la pérdida por histéresis es proporcional al cuadrado de la densidad de flujo máxima (P_h ∝ B_max²), las pérdidas medidas en estas zonas pueden ser tres veces mayores que en las regiones normales.

(2) Pérdidas incontroladas por corrientes parásitas:Los campos magnéticos distorsionados inducen intensas corrientes de remolino en las juntas. Según la ley de Faraday, la pérdida por corrientes parásitas es proporcional al cuadrado de la tasa de variación del campo magnético (P_e ∝ (dB/dt)²). Estas zonas presentan un aumento de temperatura superior a 25 °C con respecto al cuerpo principal del núcleo.

(3) Aparición de pérdidas anómalas:Las estructuras de grano caóticas obligan a los dominios magnéticos a colisionar y frotarse entre sí, generando calor adicional (P_ex ∝ B^1.5).

Estudio de caso industrial:En un transformador tradicional de 315 kVA,      articulaciones que representan Tan solo el 15% del volumen contribuyó con el 42% de las pérdidas sin carga, lo que las convierte en el cuello de botella crítico para las mejoras de eficiencia.

2. La revolución de los núcleos bobinados 3D: La física de los circuitos magnéticos continuos

● Avance estructural: Trayectoria magnética tridimensional sin fisuras

Los núcleos enrollados 3D se forman enrollando continuamente tiras de acero al silicio en una estructura tridimensional (Figura 1). Las tiras se enrollan a lo largo de tres ejes a ángulos de 120°, creando un diseño espacialmente simétrico.Este enfoque ofrece dos mejoras fundamentales:

--Transición suave de 120°: Las líneas de flujo magnético pasan de giros bruscos de 90° a ángulos obtusos suaves, evitando la concentración de flujo.

--Continuidad total sin cortes: Todo el circuito magnético está libre de interrupciones inducidas por el corte, manteniendo una orientación de grano uniforme en todo momento.

Figura 1: Comparación de la estructura del circuito magnético

●La física detrás de la reducción de pérdidas

Los núcleos de heridas 3D logran una eficiencia revolucionaria gracias a tres características clave:

(1) Reducción del 38-45% en la pérdida por histéresis

–         Característica clave: Transiciones suaves de 120° + diseño impecable

–         El flujo magnético fluye completamente a lo largo de la dirección de laminación del acero al silicio, evitando la distorsión local del flujo. La fluctuación de la densidad de flujo disminuye de ±25% a ±8%, reduciendo significativamente el área del bucle de histéresis (P_h ∝ B²).

(2) Reducción del 50-60% en las pérdidas por corrientes parásitas

–         Característica clave: Orientación continua de la veta + tiras ultrafinas

–         La ausencia de discontinuidades transversales bloquea por completo las trayectorias de las corrientes parásitas. Combinado con acero al silicio ultrafino de 0.23 mm (frente a los 0.3 mm tradicionales), aprovechando el principio de que la pérdida por corrientes parásitas es proporcional al cuadrado del espesor (P_e ∝ d²): una reducción del 23 % en el espesor se traduce en una disminución del 41 % en la pérdida por corrientes parásitas.

(3) Reducción del 40-50% en la pérdida anómala

–         Característica clave: Consistencia del grano + densidad de flujo uniforme

–         Los dominios magnéticos se invierten sincrónicamente en un entorno de grano continuo, lo que reduce drásticamente las colisiones y la fricción. El consumo de energía medido para el movimiento de los dominios disminuye en un 52 %.

3. Validación de la eficiencia: Alineación perfecta entre teoría y práctica

●Interpretación de ingeniería de los modelos de pérdida de hierro

El modelo de separación de pérdidas de hierro Bertotti, reconocido internacionalmente:
 Pérdida total de hierro = Pérdida por histéresis + Pérdida por corrientes de Foucault + Pérdida anómala

PFe=khfBβ+ke(fB)2+kex(fB)1.5

Rendimiento medido de núcleos de heridas 3D:

Datos certificados por SGS Suiza (norma de ensayo IEC 60076-1)

Ventajas integrales de los transformadores con núcleo bobinado 3D

4. Proceso de fabricación: Control de precisión para materializar las ventajas teóricas

●El rendimiento excepcional de los núcleos enrollados en 3D se basa en la coordinación precisa de tres procesos de fabricación de núcleos:

(1) Control de bobinado de tensión constante

–         Los sensores de distancia láser monitorean y ajustan la tensión de la tira de acero al silicio en tiempo real, limitando las fluctuaciones a ±0.2 N/mm² (±1.5 % de precisión).

–         Impacto crítico: Previene la degradación de la permeabilidad magnética (que ocurre a tensiones >15N/mm²) y garantiza un error de simetría geométrica <0.3% en el circuito magnético trifásico, reduciendo la variación de las pérdidas en el hierro a <2%.

(2) Recocido por gradiente de atmósfera de hidrógeno

–         Realizado en hidrógeno puro, con un gradiente de calentamiento preciso de 3°C/min hasta 780°C±5°C, seguido de una retención de 2 horas.

–         Los átomos de hidrógeno penetran en los límites de grano para eliminar la tensión mecánica y restaurar la orientación del grano al 98% del material original, aumentando la permeabilidad en un 35% y reduciendo la pérdida de hierro en un 8-12%.

(3)Microsoldadura láser

–         Sustituye el atornillado tradicional (que provoca distorsión de la estructura) por soldaduras láser pulsadas de 0.3 mm de diámetro en zonas sin carga.

–           Logra una resistencia estructural un 40% mayor con zonas afectadas por el calor <50μm y una variación de permeabilidad <1%.

–         Este sistema de fabricación supera los estándares IEC 60076-20 Tier 1 en un 21%, cumpliendo con las certificaciones US DOE 2016 y China CQC Tier 1.

En resumen

Los transformadores con núcleo bobinado 3D logran una reducción del 35-50% en las pérdidas en vacío (certificado IEC 60076-20) gracias a su diseño de circuito magnético continuo tridimensional, que elimina la distorsión del flujo con 120°Giros suaves, bloqueo de corrientes parásitas gracias a su construcción impecable y reducción de la densidad de flujo en el yugo mediante enclavamiento magnético trifásico. Todo ello combinado con procesos de fabricación de precisión.-bobinado a tensión constante, recocido con hidrógeno y soldadura láser-Establecen estándares en la industria, como una pérdida de 375 W sin carga en unidades de 315 kVA, lo que supone un ahorro de 12 100 dólares en costes energéticos durante 30 años. Esta doble innovación en circuitos magnéticos y fabricación los convierte en el núcleo.

Contáctenos

lushan, est.1975Es un fabricante profesional chino especializado en transformadores y reactores de potencia con más de 50 años de experiencia. Nuestros productos líderes son...transformador monofásico, transformadores de aislamiento trifásicos, transformador eléctrico, transformador de distribución, transformador reductor y elevador, transformador de baja tensión, transformador de alta tensión, transformador de control, transformador toroidal, transformador de núcleo R; inductores de CC, reactores de CA, reactor de filtrado, reactor de línea y carga, estranguladores, reactor de filtrado y productos intermedios de alta frecuencia.

Nuestros transformadores y reactores de potencia se utilizan ampliamente en 10 áreas de aplicación: tránsito rápido, maquinaria de construcción, energía renovable, fabricación inteligente, equipos médicos, prevención de explosiones en minas de carbón, sistema de excitación, sinterización al vacío (horno), aire acondicionado central.

Conozca más sobre transformadores de potencia y reactores:www.lstransformer.com.

Si desea obtener soluciones personalizadas para transformadores o reactancias, póngase en contacto con nosotros.

WhatsApp:+86 13787095096
Correo electrónico: marketing@hnlsdz.com