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Desarrollos tecnolgicosMateriales
Hernan Escarria, PTI, Customer Day - Santiago - June 2014

ABB Group June 30, 2014 | Slide 2
MaterialesIntroduccin

Introduccin a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
1882 Primer circuito magntico cerrado (transformador) Gaulard - Gibbs.

1885 Transformador con circuito magntico en H, I y luego en E.
Stanley y Westinghouse

1896 Adicin de silicio al hierro para reducir la velocidad de envejecimiento del ncleo : Kelly
1905 Desarrollo del hierro silicio para uso comercial: Hadfield
1924 Desarrollo del Hipernick: Aleacin nquel-hierro de alta permeabilidad
1930 Desarrollo del proceso cold rolled: Steckel.
Permiti producir acero al silicio en rollos sin perjudicar sus propiedades.
1941 Desarrollo del Hipersil: Aleacin de hierro al silicio de grano orientado entre ARMCO (American Rolling Mill Corporation) y Westinghouse

1942 Ncleo tipo C para transformadores pequeos de distribucin: C.C. Hortsman
1942 Ncleo tipo D para transformadores mayores de distribucin H.V. Putnam

1949 Desarrollo del aislamiento Carlite (Inorgnico) Para resistir las temperaturas de recocido
1957 Desarrollo del hierro al silicio con texturizado cbico (100) (001)
1961 Ncleo Wescor: B.B Ellis

1964 Ncleo traslapado a pasos (Step-Lap): Burkhardt y B.B. Ellis

1968 Material Orient Core Hi-B: Nippon Steel Corporation.
Organizacin superior de cristales
1970 Introduccin del Tran-Cor H: Material de alta permeabilidad:
Armco Steel Corporation.
1976 Acero Amorfo. H. Liebermann y C. Graham - MetGlass
1978 Inscripcin con plasma
1984 Inscripcin con laser
2014 Se continan utilizando las laminas desarrolladas desde 1957

MaterialesAluminio

Introduccin
METALES PUROS MAS CONDUCTIVOSMATERIALES
UNA CONDUCTIVIDAD DEL 100%(100 IACS) A 20C EQUIVALE A
0.15328 OHMS gr/m2
0.017241 OHMS mm2 /m
1.72410 MICROOHM - cm
0.67870 MICROOHM - PULGADA
IACS (International Annealed Copper Standard)
+ RESISTIVIDAD
+ CONDUCTIVIDAD

El debate sobre los pros ylos contras de aluminio vscobre se ha discutidodurante muchos aos.Muchas de laspreocupaciones se basanen la informacin antigua ytambin en la faltainformacin. Estasinquietudes se centran enlas propiedades muydiferentes de los dosmateriales y su idoneidadpara su aplicacin en laindustria de equiposelctricos.
Introduccin

Caracterstica Aluminio Cobre Tema
Conductividad elctrica
W-1m-1
36.6 x 106 59.6 x 106 Es usual pensar que debido a la conductividad menor del aluminio, esta causar prdidas ms altas en el trasformador.
Para garantizar la caracterstica trmica del material seutiliza conductores con un rea aproximadamente 63%mayor que la de los conductores en cobre.
Con el aumento en la seccin transversal, las prdidasresistivas sern las mismas que para una bobina en cobre.
Tecnologa en fabricacin de bobinasComparacin aluminio x cobre

Tecnologa en fabricacin de bobinasPropiedades
Los factores que los diseadores deben sopesar al decidir entre el uso de estos dos materiales se dividen en cuatro categoras principales:
Propiedades mecnicas
Las propiedades elctricas
Consideraciones sobre la fiabilidad
Consideraciones econmicas

Tecnologa en fabricacin de bobinasPropiedades Mecnicas
Las propiedades mecnicas que se deben considerar son resistencia a la tensin y el alargamiento. El Al tiene una resistencia a la tensin inferior que el Cu para la misma seccin transversal del material - 18ksi de 1350-H16 aluminio vs 38ksi de cobre recocido. Como se discutir ms adelante, una mayor seccin transversal de Al (64% para el Al 1350) es necesario para llevar la misma cantidad de corriente para la equivalente capacidad de corriente del conductor de Cu, por lo que la resistencia de la seccin transversal ms grande de Al se aproxima a la resistencia a la tensin del Cu para una capacidad de corriente indicada.

La realidad es que para aplicaciones elctricas, las ms importantes reas mecnicas de inters para los conductores elctricos son:
Capacidad para soportar las fuerzas impuestas en condiciones de corto circuito
Los efectos de la expansin y contraccin trmica
El entorno de utilizacin, consideraciones ambientales

Las normas NEMA; IEEE, UL, IEC, etc.,identifican criterios de desempeo de soporte a la prueba de corto circuito y dictan para el peor de los casos que variaciones de producto son verificados.
Sobre esta base, los usuarios tienen la seguridad de que tanto los diseos con Cu o Al cumplen los mismos criterios de resistencia al corto.

Para masas iguales la capacidad de disipacin del devanado aluminioes un 16% superior con relacin al devanado de cobre.
Al aumentar su capacidad de disipacin el sistema de refrigeracin serms eficiente y de ms bajo costo.
Calor especficoCalor especfico Aluminio(cAl):0.220 cal/gCCalor Especfico Cobre(cCu): 0.092 cal/gC
167.1)092.0220.0(488.0
____
Cu
Al
Cu
Al
cc
mm
CucapacityHeatAlcapacityHeat
El aluminio tiene 2.3 vecesmayor capacidad de calorespecfico comparado con elcobre.
Capacidad calrica = M x c

Caracterstica Aluminio Cobre Tema
Conductividad trmica
237 W/(m.K) 401 W/(m.K) El cobre conduce mejor el calor, reduciendo el punto ms caliente del devanado.
Para que la conductividad sea equivalente es necesariousar solo la mitad en peso del aluminio comparado con elcobre (transformador ms ligero en su parte activa).
A fin de igualar la eficiencia trmica, nuestra tecnologapermite disear la parte activa de manera que se puedagarantizar la misma conductividad que los devanados encobre (mejora en el rea superficial, geometra deldevanado, ductos de refrigeracin).

El coeficiente de expansin trmica de Al puro es 23,6 x 10-6 / C frente de Cu de 16,5 x 10-6 / C. Esto lleva a los usuarios a creer que el Al se expande y contrae ms durante el ciclo trmico que el Cu en conexiones elctricas - lo cual es correcto, sin embargo, los fabricantes de equipos tienen mtodos para hacer frente a este problema. Una tcnica comn es la utilizacin de arandelas cnicas de resorte en las uniones atornilladas para prever las presiones de contacto adecuadas y dar cabida a la diferencia por expansin trmica.

Tanto el cobre como el aluminio estn sometidos a la oxidacin cuando se exponen a la atmsfera. Cuando se utilizan para devanados en transformadores y motores, los conductores estn soldados, o apilados para penetrar a travs de la oxidacin de la superficie del conductor. La preocupacin con el Al por mantener la oxidacin de la superficie lejos de las reas de unin no es un problema, ya que cuando est en contacto con el aire, un recubrimiento de xido de aluminio duro transparente se forma rpidamente, que protege el conductor de la corrosin adicional en la mayora de los entornos.

Aunque la conductividad del Cu es mayor que la del Al sobre la base de la igualdad de volumen, el aluminio es el doble de bueno como conductor que el cobre sobre la base de igual peso. Cuando el peso es la consideracin de diseo, el Al es una excelente opcin. Cuando el espacio es una limitacin crtica, el Cu puede ser requerido.
Caracterstica Aluminio CobreDensidad Volumtrica 2.7 8.9
Conductividad elctrica 61% 100%
Area requerida para misma capacidad de corriente 164% 100%
Masa requerida para misma capacidad de corriente 4.43 8.90

Caracterstica Aluminio Cobre
Densidad kg/dm3
Resistividad *mm/m @ 20C
Conductividad Elctrica @ 20C
Calor Especifico Cal/g/C
Punto de Fusin
Conductividad trmica W/(m.K)
2.7
0.028
61%
0.220
660
237
8.9
0.017
100%
0.092
1083
401

Tecnologa en fabricacin de bobinasConsiderac

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