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El Transformador

 El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctricaalterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladasde acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado, de menor tensión que el secundario.

Un poco de Historia

Transformador
Transformer.filament.agr.jpg
Pequeño transformador eléctrico
Tipo Pasivo
Principio de funcionamiento Inducción electromagnética
Invención Zipernowsky, Bláthy y Deri (1884)
Primera producción En 1886
Símbolo electrónico
Transformer Centre-tap Iron Core-2.svg
Terminales Dos terminales para el bobinado primario y dos para el bobinado secundario o tres si tiene tap o toma central

 

 

Transformador de núcleo laminado mostrando el borde de las laminaciones en la parte superior de la unidad.

Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

La primera “bobina de inducción” fue inventada por el sacerdote Nicholas Joseph Callan en la Universidad de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la tensión eléctrica.

Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un “do&break” mecanismo vibrador que regularmente interrumpía el flujo de la corriente directa (DC) de las baterías.

Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de las Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfaron sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces.

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el cual el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas de arco, de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”.

En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría. En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecía un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.

En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro llamado “generador secundario” en Londres, luego vendieron la idea a la compañía estadounidense Westinghouse Electric. También este sistema fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptado para el sistema de alumbrado eléctrico.

El nacimiento del primer transformador

Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Károly ZipernowskyOttó Bláthy y Miksa Déri, de la compañía Ganz, de ese país, crearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:

{\displaystyle {\frac {V_{s}}{V_{p}}}={\frac {N_{s}}{N_{p}}}}

donde Vs es la tensión en el secundario y Ns es el número de espiras en el secundario; Vp y Np se corresponden al primario.

Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra transformador, que había sido acuñada por Bláthy Ottó.

En 1885, George Westinghouse compró las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso comercial. Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

Otra información de interés

 

Transformador de tres fases.

El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores se puso en operación en 1886 en Great Barington, Massachusetts, en los Estados Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se transmitió a 2000 voltios en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeña aplicación inicial, la industria eléctrica en el mundo ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador. El aparato que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas concéntricas. A una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería, conmutada por medio de un ruptor movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al compás de las interrupciones, y en el otro bobinado, llamado secundario y con muchas más espiras, se inducía una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un chispómetro conectado a sus extremos.

También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford T, que poseía una por cada bujía, comandadas por un distribuidor que mandaba la corriente a través de cada una de las bobinas en la secuencia correcta.

Transformador trifásico

 

Diagrama fasorial de un transformador trifásico con conexionado Dy5.

Los transformadores trifásicos son muy importantes ya que están presentes en muchas partes del sistema eléctrico. Este tipo de transformadores se ocupa de la elevación y reducción de la tensión en diversas partes del sistema eléctrico: En generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en las líneas de transmisión y, por último, en distribución en donde se distribuye la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercios e industrias. Todos los transformadores desde el generador hasta la entrada a nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos.

Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados eléctricos, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna.

Las diferentes formas de conexión de los bobinados trifásicos de un transformador, recibe el nombre de grupo de conexionado. Además de identificar las conexiones de los bobinados primario y secundario (estrella, triángulo o zig-zag), el grupo de conexionado indica el desfasaje entre las tensiones de línea primaria y secundaria, de los sistemas trifásicos vinculados por el transformador. Los grupos de conexionado más comúnmente utilizados en la distribución de energía eléctrica son Dy5 (primario en triángulo, secundario en estrella, desfasaje 150 grados) y Dy11 (triángulo, estrella, 330 grados), Yy0 (estrella, estrella, 0 grados), Yd11 (estrella, triángulo, 330 grados), entre otros. El concepto práctico de grupo de conexionado adquiere relevancia para realizar una operación segura, durante la puesta en paralelo de transformadores.

Componentes

El núcleo

El núcleo está formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre laminas, indeseadas pues favorecen las perdidas.

Bobinas

Las bobinas son simplemente alambres generalmente de cobre enrollado en las piernas del núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.

Cambiador de taps

El cambiador de taps o derivaciones es un dispositivo generalmente mecánico que puede ser girado manualmente para cambiar la razón de transformación en un transformador, típicamente, son cinco pasos uno de ellos es neutral, los otros alteran la razón en más o menos el 2.5 %. Por ejemplo esto ayuda a subir el voltaje en el secundario para mejorar un voltaje muy bajo en alguna barra del sistema.

Relé de sobrepresión

Es un dispositivo mecánico que nivela el aumento de presión del transformador que pueden hacerlo explotar. Sin embargo existen varios equipos que explotan a pesar de tener este dispositivo. Existen el relé de presión súbita para presiones transitorias y el relé de sobrepresión para presiones más permanentes.

Tablero de control

Contiene las conexiones eléctricas para el control, relés de protección eléctrica, señales de control de válvulas de sobrepresión hacia dispositivos de protección.

Configuraciones

Las bobinas pueden ser conectadas de forma diferente en delta, estrella, o T. Se pueden hacer transformadores trifásicos de tres formas distintas:

  1. Conectando tres transformadores monofásicos
  2. Núcleo tipo acorazado
  3. Transformador tipo núcleo.

Clases de ventilación

Hay diferentes tipos de ventilación en un transformador. La ventilación puede ser por:

  • convección natural (N).
  • ventilación forzada (F).
  • ventilación forzada a través de un refrigerador (D)

El refrigerante al interior del estante del transformador es de varios tipos:

  • aceite, o líquidos aislantes con un punto de inflamación ≤ 300ºC (O del inglés Oil).
  • líquidos aislantes con un punto de inflamación > 300ºC (K).
  • líquidos aislantes con un punto de inflamación no medible (L).
  • agua (W, del inglés Water).
  • gas (G).
  • aire (A).

La nomenclatura que designa la ventilación es del tipo XYXY, donde X indica el tipo de refrigerante, y el Y la ventilación usada. Según esto existen:

  • ONAN
  • ONAF
  • ONWF
  • OFAF

Según sus aplicaciones

Transformador elevador/reductor de tensión

 

Un transformador con PCB, como refrigerante

Son empleados por empresas de generación eléctrica en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. La mayoría de los dispositivos electrónicos en hogares hacen uso de transformadores reductores conectados a un circuito rectificador de onda completa para producir el nivel de tensión de corriente directa que necesitan. Este es el caso de las fuentes de alimentación de equipos de audio, video y computación.

Transformadores variables

También llamados “Variacs”, toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión de salida variable ajustable, dentro de dos valores.

Transformador de aislamiento

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal “flotante”. Suele tener una relación 1:1 entre las tensiones del primario y secundario. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red y también para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en equipos de electromedicina y donde se necesitan tensiones flotantes.

Transformador de alimentación

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible térmico que corta su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles, no suelen ser reemplazables cuando se encuentran alojados en el interior de los devanados.

 

Transformador trifásico. Conexión estrella-triángulo.

 

Transformador Flyback moderno.

 

Transformador diferencial de variación lineal (LVDT).

Transformador trifásico

Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-ΔΔ-YY-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían.

  1. Delta estrella: Se usa especialmente en distribución (baja tensión) con delta en alta y estrella en baja con neutro accesible. Esto permite que la onda sinusoidal de tercera armónica se mantenga circulando por la delta, pero no se transmita a las estrella.

Transformador de pulsos

Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción) destinado a funcionar en régimen de pulsos. Su principal aplicación es transferir impulsos de mando sobre elementos de control de potencia como SCR, triacs, etc. logrando un aislamiento galvánico entre las etapas de mando y potencia.

Transformador de línea o Flyback

Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Suelen ser pequeños y económicos. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Además de poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios.

Transformador diferencial de variación lineal

El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo.

Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos.

Transformador con diodo dividido

Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para proporcionar la tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicador.

Transformador de impedancia

Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is = Z/n². Así, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n². Colocando el transformador al revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor .

Estabilizador de tensión

Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética.

Transformador híbrido o bobina híbrida

Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos, tarjetas de red, etc.

Balun

Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador.

Transformador electrónico

Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente eléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente su tamaño. También pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la tensión de salida en un valor prefijado sin importar la variación en la entrada, llamados fuente conmutada.

Transformador de frecuencia variable

Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrónicos para comunicaciones, medidas y control.

Transformadores de medida

Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de alta tensión o de elevada corriente. Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés, permitiendo una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés.

 

Tres transformadores de corriente: De izquierda a derecha: De 150/5Amperes, 200/5Amperes, 300/5Amperes

Otras variantes de transformadores

 

Pequeño transformador con núcleo toroidal.

 

Transformador de grano orientado.

Autotransformador

El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario.

Transformador con núcleo toroidal o envolvente

El núcleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

Transformador de grano orientado

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.

Bobina de núcleo de aire

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Transformador de núcleo envolvente

Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión.

Transformador piezoeléctrico

Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar las lámparas fluorescentes de los monitores de led y TFT usados en computación y en televisión.

admin_semallanos

Un Voltio por metro, una sencilla regla del pulgar para transmisión y distribución eléctrica

 

220px-Manoderecha.svgLa guerra de los Sistemas Eléctricos en Corriente Directa o Alterna (DC o AC) Vale decir, entre Tesla y Edison terminó hace ya más de un siglo cuando se impuso latransmisión en AC. Sin embargo, para algunos esta guerra no terminaría con vencedores ni vencidos sino mas bien con dispositivos cada vez mas económicos y eficientes que pudieran interconectar ambos.

Aún cuando la transmisión y Distribución en DC sigue siendo incorporada cada vez más en los Sistemas Eléctricos a nivel global, y teniendo en cuenta que se hacen investigaciones para la Transmisión de energía sin cables (Otra idea de Tesla por cierto) Para los Sistemas Eléctricosen su mayoría la transmisión y generación se sigue realizando en AC. En este sentido, existe una suerte de Regla del pulgar para la transmisión y distribución de Energía Eléctrica que planteamos sin pretender darle un basamento mas allá de la observación y la práctica de años en el ramo. Es una regla muy sencilla:

Para transportar energía eléctrica, se debe
usar un voltaje aproximadamente igual (numéricamente) a la distancia
en metros a la que se quiere enviar la energía.

Tomemos algunos ejemplos:

– La electricidad se distribuye dentro de grandes Centros Comerciales
480/277 V AC. Es posible hacerlo a 208/120 V, pero eso es mucho mas
costoso.
– Caracas está rodeada por un anillo de líneas de transmisión a 115 kV
– la electricidad de Guri viene a 800 kV
– la electricidad dentro de las urbanizaciones se distribuye a 13800 V
– los sistemas eléctricos de los automóviles operan a 12 V DC. Los de
los camiones a 24 V o incluso 48V.

Analizando estos ejemplos, vemos que las distancias que deben ser cubiertas por el cableado están el el orden de los cientos de metros a través de todo el Centro comercial. Es decir, que para una transmisión eficiente y económica un buen punto de partida es esta regla. En el caso de Caracas, y su anillo de transmisión encontramos que los mismos cubren distancias de varias decenas de kilómetros y si observamos las principales subestaciones están ubicadas a unos cien kilómetros de la ciudad.

En el caso de las líneas que vienen de Guri, las principales subestaciones están a aproximadamente 800 km de distancia. Los niveles de distribución a nivel residencial van desde 7.200 a 13.800 V ya que los mismos deben cubrir algunos kilómetros entre las subestaciones y los clientes finales residenciales. En el caso de los automóviles, la distancia que deben cubrir los cables está en el orden de varios metros.

En conclusión, tomar en cuenta esta regla puede ser un buen punto de partida a la hora de establecer el Nivel de tensión del sistema que se desea planificar, a fin de alcanzar un nivel aceptable de confiabilidad, eficiencia y economía.

admin_semallanos

Cobre Vs. Aluminio algunos mitos y realidades.

aluminum-wiringDurante años, se han debatido las ventajas y desventajas del uso deconductores de aluminio o cobre. La mayoría de las preocupaciones por parte de los usuarios se debe a que no cuentan con información correcta o la que tienen es antigua.

El aluminio tiene una expansión térmica mayor que el cobre y el acero; pero, es importante saber cuál aleación de  aluminio se utiliza.

Por  Óscar Alvarado.

Para entender las diferencias en la utilización de estos dos materiales, es importante conocer sus características mecánicas y eléctricas. Existen tres materiales que son utilizados como conductores en los tableros de distribución eléctrica: el cobre, el aluminio y la plata.

Debido a que el cobre cada vez es más escaso y a que su demanda es mayúscula, su costo ha ido en aumento a durante los últimos años; por ello, la utilización del aluminio ha sido más frecuente. En el caso de la plata, debido a su alto costo, solamente es utilizada en el recubrimiento de uniones y superficies de contacto.

El cobre es utilizado en su condición pura, pues tiene una conductividad comercial de 98 por ciento, basado en el International Annealed Copper Standard (IACS). Por otro lado, el aluminio puro no puede emplearse como conductor eléctrico, debido a que es muy suave para los ensambles mecánicos, por lo que siempre se utiliza en aleación con otros materiales. Hasta 1975, se utilizaba la aleación de aluminio 1350; aunque tenía 61 por ciento de conductividad respecto del cobre, no contaba con una resistencia mecánica adecuada para utilizarse en equipos eléctricos.

La aleación Al 6101 es el material predominante para barras de distribución (bus bar) y es más fuerte que la aleación Al 1350, ya que se ha endurecido por un tratamiento de calor, pero sólo tiene el 56% de la conductividad del cobre. La menor conductividad de la aleación 6101 no significa que el conductor de Al conducirá más energía que el de Cu, sino que el conductor de Al deberá tener un área mayor en la sección transversal para la misma capacidad de corriente.

Para la conducción de corriente se pueden tomar en consideración dos criterios de diseño: elevación de temperatura del conductor o densidad de corriente en amperes por pulgada cuadrada.

El método de diseño establecido para conductores dentro de un equipo eléctrico es el de elevación de temperatura (temperature rise). Los estándares industriales, como UL y ANSI, proveen los requerimientos de diseño para diferentes productos; por ejemplo, UL permite elevación de temperatura de 55 °C para switchboards y 50 °C de elevación para panelboards; por otro lado, ANSI C37.20 permite una elevación máxima de 65 °C para switchgears sobre una temperatura ambiente de 40 °C.

Independientemente del material que se utilice, se debe considerar el tamaño de conductor adecuado para cumplir con los requerimientos anteriores. En el caso del aluminio, su sección transversal tendrá que ser mayor para alcanzar niveles de conductividad similares a los del cobre.

Mito 1
Los equipos fabricados con bus de aluminio son más grandes con respecto a los de bus de cobre.

Realidad

Realmente, las dimensiones externas de los equipos  son las mismas, tanto para cobre como para aluminio; lo que cambia es el tamaño de las barras internas.

Mito 2
El aluminio no conduce igual que el cobre y, por lo tanto,  trabaja a mayor temperatura.

Realidad
Si los equipos están diseñados por el método de elevación de temperatura y cumplen con los requerimientos de UL o ANSI (según aplique), los niveles de temperatura se mantendrán por debajo de lo indicado, aun utilizando barras de aluminio.

Características físicas
Otra de las preocupaciones de los usuarios es que las propiedades de resistencia a la tensión y la expansión térmica de los materiales no es la misma para cobre y aluminio, por lo que la capacidad de soportar los efectos térmicos durante variación de corriente o eventos de cortocircuito en las terminales es menor en equipos fabricados con barras de aluminio. Para analizar ésta situación utilizaremos la información de la Tabla 1.

Características Cobre Aluminio
• Resistencia a la tensión (lb/in2) 50,000 32,000
• Resistencia a la tensión para la misma conductividad (lb/in2) 50,000 50,000
• Peso para la misma conductividad 100 54
• Sección transversal para la misma conductividad 100 156
• Resistencia específica (ohms-cir/mil ft) (20 ºC ref) 10.6 18.52
• Coeficiente de expansión (por ºCx10-6) 16.6 23
Tabla 1.  Nota. La información fue obtenida de los boletines de material y propiedades B12H60 para aluminio de GE

Como se observa, la resistencia a la tensión del aluminio es mucho menor que la del cobre. La realidad es que, al utilizarse para una aplicación de corriente específica, la sección transversal de la barra de aluminio será 56 por ciento mayor que la de cobre y la resistencia a la tensión para la misma conductividad será igual en ambos materiales. Esto implica que la resistencia a los esfuerzos mecánicos generados durante un cortocircuito es la misma para cobre o aluminio. Los estándares UL, IEEE y NEMA cuentan con publicaciones para establecer criterios de pruebas de cortocircuito para equipo eléctrico, y los equipos fabricados con éstos estándares deben cumplirlos, sin importar el material utilizado.

Mito 3
Los equipos con barras de aluminio no tienen la misma capacidad de soportar cortocircuitos  que los de barras de cobre.

Realidad
Al tener que incrementar el tamaño de las barras de aluminio para alcanzar la misma conductividad que las barras de cobre, la resistencia a la tensión también se incrementa, teniendo la misma capacidad de soportar los esfuerzos mecánicos generados durante un cortocircuito.

Otro punto interesante es el coeficiente de expansión térmica que, como se observa en la tabla, es 38% mayor en el aluminio. La preocupación principal del usuario radica en la seguridad de las uniones de barras. Comúnmente se utilizan tornillos de acero para realizar las conexiones entre barras; el acero tiene sólo el 50% de coeficiente de expansión con respecto al aluminio. Esto quiere decir que a la misma elevación de temperatura el aluminio se expande al doble que el acero. De esta manera, cuando existe un incremento de temperatura, el esfuerzo mecánico en las uniones se incrementa y puede llegar a deformarlas de modo permanente, creando una reducción en su nivel de torque; por tanto, aumentará su resistencia y provocará un incremento de temperatura en el siguiente período de carga, que deformará cada vez más la unión hasta que resulte en una falla. Esta situación puede presentarse con materiales que tienen una baja resistencia a la tensión, como la aleación de aluminio 1350, si no se utilizan los elementos adecuados en las conexiones. Estos elementos pueden ser arandelas de seguridad o arandelas Bellville para reducir los efectos de la expansión térmica en los materiales. Esta problemática no se presenta en materiales de alta resistencia a la tensión, como el cobre y las aleaciones de aluminio de alta resistencia, como la 6101T63 (27 mil psi), la cual opera tan satisfactoriamente como el cobre.

Mito 4
Las uniones se deforman más en el aluminio por la expansión térmica, lo cual provoca calentamientos excesivos y fallas.

Realidad
Es verdad que el aluminio tiene una expansión térmica mayor que el cobre y que el acero; sin embargo, es importante saber cuál es la aleación de aluminio que se utiliza. Si se usa una aleación de alta resistencia a la tensión, se puede tener un comportamiento térmico muy similar al de una barra de cobre. En el caso de una aleación diferente, se pueden utilizar arandelas de seguridad o Bellville en las uniones para reducir los efectos térmicos.

Terminales de conexión
Anteriormente, cuando se utilizaban conductores de aluminio casi puro, las conexiones se realizaban solamente con terminales de compresión para asegurar una correcta conexión. En la actualidad, las aleaciones de aluminio utilizadas permiten que las terminales sean prácticamente de cualquier tipo. En el caso de los interruptores, se utilizan terminales de conexión plateadas, clasificadas como ALCU, lo que quiere decir que aceptan conductores de cobre o aluminio sin problemas.

Mito 5
Si utilizo cableado de cobre para mis alimentadores, el tablero debe ser de barras de cobre.

Realidad
Las terminales de conexión en los interruptores que alimentan los circuitos derivados están clasificadas como ALCU, lo cual permite la conexión de conductores de cobre o aluminio, sin importar el material de las barras del tablero en cuestión.

Oxidación de los materiales
Tanto las barras de aluminio como de cobre se oxidan. Para reducir el riesgo de oxidación, la mayoría de las uniones están recubiertas con plata o estaño que asegura una adecuada conductividad. La existencia de Sulfuro de Hidrógeno (H2S) en el ambiente genera corrosión en el cobre y los recubrimientos de plata, intensificándose en instalaciones donde el equipo trabaja a temperaturas elevadas cuando está energizado. En consecuencia, las barras comienzan a perder brillo y, en ocasiones, aparecen manchas oscuras en ellas. Para instalaciones con presencia de H2S, como refinerías, plantas químicas, industria del papel o plantas de tratamientos de agua, la utilización de recubrimiento con estaño es una buena protección ambiental para el problema de corrosión por H2S.

Mito 6
Las barras de aluminio se oxidan más que las de cobre.

Realidad
Es importante identificar la aplicación del equipo para utilizar el recubrimiento adecuado de las barras, ya sea plateado o estañado. El aluminio y el cobre se oxidan y en éste el daño es más severo en presencia de H2S.

Peso
Otro dato a favor de la utilización del aluminio es su bajo peso con respecto a las soluciones en cobre. Es un hecho que el aluminio es mucho más “suave” que el cobre, por lo que siempre se han tenido que utilizar aleaciones con otros materiales que le brinden una resistencia mecánica adecuada para ser utilizado en equipos eléctricos. A pesar de que se tiene que utilizar mayor cantidad de aluminio para alcanzar la conductividad del cobre, su peso es mucho menor. Por ejemplo, para conducir una corriente de 4 mil amperes en una barra de cobre en un sistema de 3fases-3hilos, se tiene un peso aproximado de 42 lb/ft; si utilizáramos barras de aluminio, el peso sería de 25 lb/ft  (aprox. 40 por ciento de diferencia). Esta diferencia es un factor determinante para el diseñador y  el instalador. El primero puede reducir la carga sobre las bases de los equipos y sobre las estructuras del edificio, y el segundo puede instalar de una forma más rápida al manejar equipos más ligeros. En ambos casos, se pueden presentar beneficios económicos en las estructuras y costos de mano de obra.

Mito 7
Al pesar menos los equipos con barras de aluminio son más frágiles.

Realidad
Las aleaciones de aluminio utilizadas en los equipos eléctricos tienen resistencias a la tensión similares al cobre. Adicionalmente, la estructura de los equipo aumenta la rigidez mecánica.

Costos En la actualidad, el cobre es cada vez más escaso y tiene mayor demanda, lo cual genera grandes incrementos en su precio. Por ello, el aluminio se ha convertido en una oferta más atractiva para los fabricantes de equipo eléctrico y los usuarios finales.

Mito 8
Si el precio es menor se debe a que la calidad del producto también es menor.

Realidad
Esta diferencia no radica en la calidad, sino en el reciente incremento en el costo del cobre, lo cual ha repercutido en aumentos para los fabricantes y para los clientes finales.

Equipos disponibles en el mercado
En la actualidad, cada vez más equipos son diseñados con conductores de aluminio, debido a la reducción de costos y pesos, lo cual representa un beneficio económico para los usuarios finales y los instaladores.

Mito 9
No existe una oferta variada de productos de calidad en aluminio.

Realidad
En el caso de GE, nuestra oferta de productos, en los cuales se tiene la posibilidad de escoger entre barras de aluminio o cobre, abarca electroducto, transformadores secos, tableros de alumbrado y contactos, tableros de montaje en pared y tableros auto-soportados de distribución.

Conclusión

  1. El aluminio es una buena opción para los equipos de distribución eléctrica.
  2. Utilizar conductores de aluminio reduce el peso de los equipos y, por tanto la carga mecánica a las instalaciones.
  3. Los equipos fabricados son conductores de aluminio normalmente son de menor costo que los fabricados con cobre.
  4. Los niveles de temperatura para cobre o aluminio en los equipos GE son los mismos indicados por ANSI o UL.
  5. Las terminales de conexión en el mercado son adecuadas para recibir conductores de cobre o aluminio.
  6. Existe una amplia gama de productos fabricados con conductores de aluminio.
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