El documento describe las características de los materiales ferromagnéticos y su uso en reactores y transformadores. Explica que los materiales ferromagnéticos como el hierro-silicio se usan para maximizar el acoplamiento magnético y minimizar las pérdidas. Describe las pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault, y cómo laminar el núcleo reduce estas pérdidas.

1. INFORME N°1
EL REACTOR CON EL NÚCLEO DE HIERRO
I.
OBJETIVO
Determinar a partir de pruebas experimentales en un reactor con
núcleo de hierro. Las características de magnetización de un
material
ferro magnético
.
Observación de lazo de Histéresis dinámica y de la forma de onda
de la corriente de excitación. Así se presenta un método para
efectuar la separación de
pérdidas
de núcleo.
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Materiales
ferro magnéticos
Los materiales
ferro magnético
s
, compuestos de hierro y sus
aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales,
son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el
diseño y constitución de núcleos de los transformadores y
maquinas eléctricas. En un transfor
mador se usan para maximizar
el acoplamiento entre los devanados, así como para disminuir la
corriente de excitación necesaria para la operación del
transformador. En las maquinas eléctricas se usan los materiales
ferro magnéticos
para dar forma a los camp
os, de modo que se
logren hacer máximas las características de producción de par.
Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo
que implica
más
eficiencia, reducción de volúmenes y costo, en el
diseño de transformadores y maquinas eléct
ricas.
Los materiales
ferro magnéticos
poseen las siguientes
propiedades y características que se detallan a continuación.
Propiedades de los materiales
ferro magnéticos
.
Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo
magnético.
Permiten conc
entrar con facilidad líneas de campo magnético,
acumulando
-
densidad de flujo magnético elevado.
Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos
magnéticos en trayectorias bien definidas.
Permite que las maquinas eléctricas tengan
volúmenes razonables
y costos menos excesivos.
Características de los materiales ferromagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por uno o varios
de los siguientes atributos:
Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales.
Esta característica viene indicada por una gran
permeabilidad relativa m /m r.
Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muy
elevada.
-
Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el
valor del campo magnético. Este
atributo lleva una
relación no lineal entre los módulos de inducción magnética(B) y
campo magnético.
Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo
diferente de la variación que originaria una disminución igual de
campo magnético. Este
atributo indica que las relaciones que
expresan la inducción magnética y la permeabilidad (m ) como
funciones del campo magnético, no son lineales ni uniformes.
Conservan la imanación cuando se suprime el campo.
Tienden a oponerse a la inversión del sen
tido de la imanación una
vez imanados.
Materiales ferromagnéticos para transformadores:
La aleación ferromagnética
más
utilizada para el diseño de
núcleos de transformadores es
la aleación hierro
-
silicio, esta
aleación es la producida en
mayor cantidad y esta
compuesta por hierro
esencialmente puro con 1
-
6% de
silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se dest
ine el
material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado,
se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores

2. propiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, una
resistividad mayor y sufren perdidas totales menores en el
núcleo.
Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de
espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el
lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o
Chapa magnética.
Las chapas de mejor calidad presentan m
ayor contenido en silicio,
entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que
su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la
chapa. Para maquinas rotatorias el limite superior es
aproximadamente del 4%, teniendo en cuen
ta el peligro de la
fragilidad. También se prefieren chapas de menor contenido de
silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o
cuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las perdidas
en el núcleo y el coeficiente de envejecimie
nto aumentan al
disminuir el contenido de silicio.
La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar
normalizada en considerable extensión por lo que los datos
magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian,
calidad por calidad, exc
esivamente.
Aislamiento interlaminar
El aislamiento interlaminar se consigue formando una capa de
óxido natural sobre la superficie de la chapa magnética laminada
plana o aplicando un revestimiento superficial. Evidentemente este
tratamiento no reduce la
s corrientes parásitas en el interior de
las chapas. Generalmente se consigue una mejora en la resistencia
entre chapas recociendo la chapa bajo condiciones ligeramente
oxidantes que aumentan el espesor del óxido superficial y
cortando entonces las formas
acabadas para los núcleos.
Los revestimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarse
ampliamente en orgánicos o inorgánicos:
a) El aislamiento orgánico consiste, en general, en esmaltes o
barnices que se aplican a la superficie
del acero para propo
rcionar
una resistencia
interlaminar.
La chapa magnética laminada plana con revestimiento de tipo
orgánico no puede recibir un recocido de distensión sin perjudicar
el valor aislante de la capa. Esta, sin embargo, resiste las
temperaturas de funcionamiento
normales. Algunos aislamientos
orgánicos son apropiados sólo en núcleos refrigerados por aire,
mientras que otros pueden ser apropiados para núcleos de
transformadores tanto del tipo refrigerado por aire como los de
baño de aceite. El espesor de este tipo
de aislamiento es de
aproximadamente de 2,5m
b) El aislamiento inorgánico se caracteriza, en general, por una
elevada resistencia y por la capacidad de resistir las
temperaturas necesarias para el recocido de distensión. Esta
ideado para núcleos de trans
formadores refrigerados por aire o
en baño de aceite.
Pérdidas en los núcleos de los Transformadores
Las pérdidas en los núcleos de los transformadores pueden
dividirse en dos grupos, a saber: a) pérdidas en el cobre; b)
pérdidas en el hierro.
Las pérdida
s en el cobre son debidas a la resistencia. óhmica
presentada por el alambre, pérdidas estas que se incrementan
cuanto mayor es la corriente que los atraviesa.
Fig. 5
-
Pérdidas de potencia por corrientes de Foucault
producidas en un núcleo magnético de una sola pieza.
Las pérdidas en el hierro (núcleo) pueden subdividirse en dos
partes: las pérdidas por histéresis magnética y las pérdidas por
corrientes de Fouc
ault o corrientes parasitarias. En el primer caso
son debidas a que el núcleo del transformador se encuentra
ubicado dentro del campo magnético generado por el mismo y, en
consecuencia, se imanta. Pero, ocurre que la corriente aplicada al
transformador es
alternada y, por tanto, invierte constantemente
su .polaridad, variando con la misma frecuencia el sentido del
campo magnético. Luego, las moléculas del material que forma el
núcleo deben invertir en igual forma su sentido de orientación, lo
cual requiere
energía, que es tomada de la fuente que suministra
la alimentación. Esto representa, por tanto, una pérdida.
En la práctica, para disminuir al máximo las pérdidas por
histéresis magnética se recurre al uso de núcleos de materiales
capaces de imanarse y d
esimanarse fácil y rápidamente, tal como
el hierro silicio.
En cuanto a las pérdidas por corrientes de Foucault o corrientes
parasitarias, podremos tener una idea más precisa al respecto si
consideramos, la figura 5 , en la cual apreciamos un supuesto
núcl
eo magnético macizo
Si consideramos al mismo recorrido por un determinado flujo,
como éste es variable, se originarán en dicho núcleo corrientes
circulares que se opondrán en todo instante a la causa que las

3. origina. Siendo el núcleo de una sola pieza, la
resistencia que
ofrecerá a dichas corrientes circulares será baja, lo cual
provocará el incremento de tales corrientes. Debido a su efecto
contrario a la fuerza magnetizante, debilitará a esta última y, en
consecuencia, provocará un incremento en la corrie
nte que circula
por el primario. Esto, en si, representa pues, una pérdida en la
potencia que disipará el primario, para un correcto funcionamiento
del transformador.
Para contrarrestar el efecto de estas corrientes parasitarias, es
posible llegar a una so
lución muy interesante, basada en ofrecer
máxima resistencia transversal a las mismas. Esto se consigue
integrando el núcleo magnético mediante un conjunto de láminas
delgadas de hierro, superpuestas una sobre la otra y aisladas
entre sí mediante un baño d
e goma laca o barniz. En la figura 6
podemos apreciar en forma somera el efecto de reducción de las
corrientes circulares. Naturalmente, que estas se producen lo
mismo, pero debido a que el hierro tiene ya menor sección, el valor
alcanzado por las corrient
es de Foucault es sensiblemente más
reducido, disminuyendo en consecuencia las pérdidas. En la
práctica, los transformadores se construyen con gran número de
láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y
fuertemente comprimidas.
Fig. 6
-
Nú
cleo magnético laminado utilizado en los
transformadores a fin de reducir las pérdidas de potencia por
corrientes de Foucault .
Núcleos y Formas.
Para la construcción de transformadores se utilizan núcleos
constituidos por chapas de hierro silicio que
adoptan diversas
formas convencionales. El tipo de chapas utilizado más
frecuentemente es el que adopta la forma de E, tal como se puede
apreciar en la figura 7 .
Fig. 7
-
Izquierda: Forma d
e laminación de núcleo tipo "E"
, cerrado
, empleada en la constr
ucción de transformadores.
Derecha
: Forma de intercalación de las chapas a fin de reducir el
entrehierro y au
mentar el rendimiento magnético
.
Este núcleo tiene la particularidad de aprovechar casi al máximo el
flujo magnético, evitándose las pérdidas por
dispersión. La forma
correcta de armar un transformador , particularmente un
transformador de potencia
-
consiste en montar las chapas, en
forma invertida, una con respecto a la siguiente, según se observe
en dicha figura 7 . De esta forma se evita el ent
rehierro o espacio
de aire que tanto contribuye a disminuir la permeabilidad
magnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en la
intensidad o densidad del campo magnético, que. en caso de
unidades de potencia, resulta un inconveniente.
En este
tipo de núcleo se efectúa el bobinado de primario y
secundario en forma de "galleta", montándose sobre la barra
central de la forma como puede observarse en la figura 8 .
La disposición más usual y conveniente es la de disponer el
primario próximo al núcle
o, bobinándose sobre éste los restantes
devanados. Tratándose de transformadores de potencia, la
sección del núcleo es factor primordial para determinar la
potencia que ha de disiparse.
Para el caso de transformadores con una disipación máxima de
300 vati
os, puede calcularse la sección del núcleo de hierro
necesario mediante la fórmula :
donde A es la sección en centímetros cuadrados, y 1,16 un valor
constante,
Además de considerar la sección del núcleo, es necesario también
tener en cuenta las
dimensiones de la ventana, la superficie
ocupada por los bobinados, etcétera.
Fig. 8
-
Construcción típica de un transformador de potencia.