Los transformadores monofásicos se construyen con una bobina y dos núcleos o dos bobinas y un núcleo, y los trifásicos se construyen con tres bobinas y tres o cuatro núcleos. EI propósito es cerrar los circuits eléctricos y magnéticos en el núcleo y la bobina, respectivamente, siendo éste el tipo de transformador más usado en la industria.

El núcleo de los transformadores se construye de acero magnético que es usualmente acero al silicio de grano orientado, de diferentes espesores, recubrimiento y calidades. A mayor calidad de los materiales del núcleo las pérdidas eléctricas son menores.

Las pérdidas en el núdeo son conocidas como pérdidas"en vacío"o"sin carga"ya que siempre están presentes mientras este conectado el transformador a tas lineas eléctricas, sin importar si hay carga o no. Dichas pérdidas son medidas en watts.

Ei proceso de fabricación de las bobinas consiste en enrollar desde varias hasta miles de vueltas de conductores de cobre o aluminio, ya sea en forma de lámina, de secci6n rectangular o de sección redonda, todos con o sin aislamiento. La práctica común consiste en enrollar primero un conductor de baja tensión y posteriormente uno de alta tensión, observando siempre las leyes y principios tradicionales del calcul de transformadores y máquinas eléctricas. Los arreglos

tradicionales de bobinas incluyen esquemas tales como el de baja tensión-alta tensión y baja-tensión-alta tensión-baja tensón, dependiendo de las necesidades de transformación requeridas por el usuario.

En el diseño de los transformadores se utilizan fórmulas y criterios tradicionales de la electricidad y el magnetismo tales como : La relación de transformación resulta del número de vueltas de la sección de alta tensión (primario) al numero de veultas de la sección de baja tensión (secundario); La capacidad de corriente de los conductores, en amperios por milímetro cuadrado; La inducción electromagnética causada por las vueltas de los conductores sobre la sección del núcleo, medida en teslas; La impedancia en % causada por la resistencia en ohms de los conductores; y La corriente de excitación del transformador, que es una característica del material y forma de construcción del núcleo.

Por otra parte, los transformadores son fabricados con una sección de regulación de voltaje para ajustar la tensión de las lineas de transmisión al voltaje que requiera el usuario, conocida como sección del cambiador de derivaciones (taps), que puede cambiar el voltaje de salida en un 5% o algún otro porcentaje especificado.

Los transformadores son colocados dentro de un tanque de acero siguiendo la geometría de cada construcción, de manera que para transformadores monofásicos el tanque es generalmente de sección redonda y para los transformadores trifásicos la sección del tanque es generalmente rectangular. Adicionalmente, los tanques son equipados con una serie de accesorios tales como aisladores de alto voltaje, aisladores de bajo voltaje, cambiador para ajustar las derivaciones, placa o perno de tierra, válvula de drenaje y muestreo para el aceite aislante, válvula de sobrepresión y

alivio, conexión superior para prueba de hermeticidad, ganchos de levante o izaje del transformador, placa de datos con el numero de serie y radiadores de enfriamiento, como es bien conocido en la técnica.

Dependiendo de las necesidades del usuario existen transformadores autoprotegidos, tanto en alta como en baja tensión, por lo que se agregan accesorios como fusibles, interruptores, luces indicadores de falla, etc.

Otro tipo de transformadores conocido es el tipo pedestal, los cuales contienen los mismos componentes anteriormente descritos. La diferencia básica de estos transformadores es la forma del tanque y los accesorios adicionales de protección y control que normalmente son adicionados. Generalmente estos transformadores son utilizados en la terminación de las lineas (tipo radial) y en redes con continuación de linea (tipo de anillo).

Los transformadores requieren cumplir con una serie de pruebas de laboratorio y criterios de construcción, es decir, deben satisfacer o cumplir con diversas normas mexicanas e intemacionales. Dentro de las principales normas aplicables a este campo se pueden mencionar las normas Mexicanas NMX J 116, <BR> <BR> NMX J 285, NMX J 284, NMX J 169; de los Estados Unidos ANSI C 57 12.00 (1993),<BR> <BR> NEMA MW 1000; de Canadá CSA : CS M91, C 227.1, C227.2, C 227. 3, C 227.4, C e internacional IEC publicación 76 (1993).

Con el fin de realizar comparaciones económicas entre transformadores, se debe tomar en cuenta el precio de venta del transformador y los indices de las compañías generadoras de electricidad del costo de la generación de electricidad por kilowatt(kW), De esta manera, se tiene que el Precio Evaluado se obtiene al sumar el precio de venta del transformador más el costo de las pérdidas en vacío y la pérdidas debidas a la carga, según la fónnula :

Precio Evaluado = Precio del Transf. + $ Pérididas en Vacío + $ Pérdidas Carga en donde : $ Pérdidas Vacío = Indice v x Pérdidas de Vacío $ Pérdidas Carga = Indice c x Pérdidas de Carga Los indices que comúnmente se utilizan en el mundo son $2.00 USD por watt de carga, indice c, y $4.00 USD por watt de pérdida en vacío, indice v.

La adquisición de transformadores por parte de las compañías eléctricas se hace generalmente por medio de concursos, en donde el fabricante que tenga el menor precio evaluado es seguramente quien deba designarse como proveedor.

Desde hace muchos años, los desarrollos en la ingenieria de construcción de transformadores se han encaminado a la mejora de los materiales de construcción en si mismos únicamente. Respecto de los núcleos, existen mejores láminas de acero al silicio, en cuanto a aislamientos eléctricos se han mejorado las características de pruebas de factor de potencia y de resistencia al voltaje por medio de aditivos y resinas.

AI dia de hoy, el desarrollo más sobresaliente en cuestión de materiales ha sido la invención del acero amorfo, el cual disminuye hasta en un 80% las pérdidas normales de vacio, sin embargo esta gran ventaja se ve disminuida por las siguientes razones : El espesor dificilmente alcanza 0.10 mm (0.004") por lo que la manufactura del núcleo constituye uno de los problemas más importantes por resolver; El factor de apilamiento es de 82% máximo, mientras que en el acero al silicio es de 97% aproximadamente; El limite máximo de saturación magnética es de 13.5 teslas contra 17 teslas del acero al silicio;

Tiene menor densidad que el acero al silicio, es decir 7.18 gr/cm3 contra 7.65 gr/cm3; y La diferencia en precio de los aceros es de $1.80 USD por kilo de acero al silicio contra $4.08 USD por kilogramo de acero amorfo.

Haciendo ahora referencia a los nucleus, el material utilizado en su formación normalmente es lámina de acero al silicio orientado, en diferentes espesores, que consiste fundamentalmente de una aleación de hierro-silicio de bajo contenido de charbon y recubierta en ambas caras por un material aislante conocido como"Carlite" o con fibra de vidrio. Actualmente se conocen tres tipos principales de núcleos; el Wescore, el Cruciforme y el Toroidal.

El núcleo Wescore fue originalmente desarrollado por Westinghouse en los años sesentas. Este tipo de núcleo permite grandes volúmenes de producción ya que existen máquinas genéricas en el mercado. Este tipo de núcleos se encuentra generalmente en transformadores tipo poste y tipo subestación, ya sean monofásicos o trifásicos. Este tipo de núcleo también es conocido como"Núcleo Enrollado de Entrehierro Distribuido".

EI núcleo Wescore se forma de una lamina enrollada en forma continua a la cual se le realizan cortes secuenciales para permitir que se desarmen y que se vuelvan a armar alrededor de la bobina. En otras palabras, la bobina y el núcleo son fabricados en dos procesos separados, ensamblándose el núcleo posteriormente sobre la bobina merced a los cortes realizados en las láminas de dicho núcleo. La sección transversal de este tipo de núcleo es generalmente rectangular. Lo anterior permite un alto volumen de producción. El máximo voltaje recomendado para los transformadores fabricados con este tipo de nucleo es de aproximadamente 69,000 volts y hasta 3000 KVA, si es acorazado.

Por otra parte, el núcleo tipo toroidal se forma de una lambina enrollada en forma continua, sin cortes, de manera circular. Los conductores de la bobina son devanados alrededor del núcleo formando también un toroide. Esta configuración permite que la trayectoria magnética del núcleo y la trayectoria eléctrica de los devanados se mantengan más cercanas y que en el núcleo no existan pérdidas debido a los cortes, por ejemplo, encontradas en el núcleo Wescore. El resultado de utilizar un núcleo toroidal es un transformador eficiente con una reducción dramática en las pérdidas totales. A mayor abundamiento, las ventajas de los transformadores con núcleo toroidal son, entre otras, bajas pérdidas en el núcleo, nivel de ruido más bajo, interferencia telefónica menor, mayor soporte en corto circuito y. caracteristicas térmicas excelentes.

Finalmente, se tiene el núcleo tipo cruciforme el cual se forma generalmente de varias láminas cortadas y apiladas, de una medida por piema y una o dos medidas por yugo, con sección transversal cruciforme. Este tipo de núcleos es utilizado en transformadores de distribución y de potencia. La construcción de este tipo de núcleo presenta una gran ventaja para los transformadores de potencia pero con una baja producción. Su uso es recomendado solo por encima de 2,500 KVA de potencia.

En base a todo lo anterior, es un objeto de la presente invención proporcionar un conjunto de núcleo y bobina que cumpla con todos los requerimiento y normas nacionales e intemacionales al mismo tiempo que presente significativos ahorros en materiales.

Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un conjunto de núcleo y bobina que al ser incorporado en un transformador mejore significativamente el precio evaluado del mismo al disminuir considerablemente las pérdidas en vacío y con carga.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Se describe una modalidad preferida en la cual un núcleo tipo Wescore para transformador está caracterizado porque las láminas enrolladas que forman el cuerpo de dicho núdeo presentan diferencias en su altura de manera que se forma una pendiente recta o progresiva que define una o más paredes inclinadas o curvas. La pendiente es tal que el área en sección transversal de la unión de dos núcleos colocados uno junto al otro es un octágono, un hexágono o hasta un óvalo o círculo.

En una segunda modalidad de la invention se describe un núcleo tipo toroidal para transformador que está caracterizado porque la lamina enrollada que forma el cuerpo de dicho núcleo presenta una disminución paulatina en su anchura de manera que se forma una pendiente recta o progresiva que define una o más paredes inclinadas o curvas. La disminución de anchura es tal que el área en sección transversal del núcleo toroidal es un octágono, hexágono o hasta un óvalo o circulo.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en perspectiva de un núcleo para transformador tipo Wescore del estado de la técnica; La Figura 2 es una vista en perspectiva de un ensamble de núcleo para transformador tipo Wescore, parcialmente embobinado, del estado de la técnica; La Figura 3 es una vista en sección transversal de un ensamble de núcleo para transformador tipo Wescore y bobina del estado de la técnica, tomada a lo largo de la linea 3-3-de la Figura 2; La Figura 4 es una vista en perspectiva de un núcleo para transformador de acuerdo con la presente invención;

La Figura 5 es una en perspectiva de un ensamble de núcleo para transformador, parcialmente embobinado, de la presente invendón ; La Figura 6 es una vista en sección transversal de un ensamble de núcleo para transformador y bobina de la presente invención, tomada a lo largo de la linea 6- 6-de la Figura 5; La Figura 7 es una vista en perspectiva de un núcieo para transformador tipo toroidal de acuerdo con la presente invention; La Figura 8 es una vista en perspectiva de un de núcleo para transformador tipo toroidal, parcialmente embobinado, de la presente invención; La Figura 9 es una gráfica comparativa del costo de fabricadón de transformadores convencionales y transformadores de acuerdo con la invención; La Figura 10 es una gráfica comparativa de pérdidas eléctricas de transformadores convencionales contra transformadores de acuerdo con la invention; La Figura 11 es una gráfica comparativa del precio evaluado de transformadores convencionales contra transformadores de acuerdo con la invención; La Figura 12 es una gráfica comparativa del precio evaluado de transformadores convencionales contra transformadores de acuerdo con la invention; La Figura 13 es una gráfica comparativa dey total de pérdidas eléctricas de transformadores convencionales contra transformadores de acuerdo con la invención; y La Figura 14 es una grdfica comparativa del costo total de transformadores convencionales contra transformadores de acuerdo con la invención.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La Figura 1 ilustra un núcleo para transformador tipo Wescore 10 del estado de la técnica, en donde se tiene una pluralidad de laminas rectangulares 12, las

cuales tienen una pluralidad de cortes transversales respectivos 14, que en conjunto forman un núcleo en forma de rectángulo el cual puede ser desarmado para ensamblar una bobina alrededor del mismo. Como se puede observar, las paredes internas del núcleo, por ejemplo la pared 16, forman un ángulo recto con las paredes superiores del núcleo, por ejemplo la pared superior 18, es decir, todas las laminaciones del núcleo presentan una misma altura..

En la Figura 2 se muestra un ensamble 20 de dos núcleos para transformador tipo Wescore 22,24 unidos mediante un embobinado 26, el cual se muestra parcialmente, únicamente para fines ilustrativos.

La Figura 3 es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la linea 3- 3 de la Figura 2, en donde se puede ver al embobinado 26 uniendo dos paredes 32, 34 de los núcleos 22,24, respectivamente.

En la Figura 4 se ilustra un nbcleo 40 para un transformador de acuerdo con la invención, en donde la pared superior 42 del núcleo 40, consistente de una pluralidad de laminas 44, cuya altura es de tal manera que la pared superior 42 del mismo forma un ángulo distinto al ángulo recto con las caras extema e intema de núcleo. De esta manera, se tiene que el decremento paulatino en la altura de las láminas, desde la más extema hasta la más intema, forma una sección de pared superior 42 inclinada que une las paredes extema e internas con un ángulo de inclinaciónpredeterminado.

El ángulo de inclinaci6n de la sección de pared superior se realiza de tal manera que al unir dos núcleos para montar el correspondiente embobinado, tal como se muestra en la Figura 5, se forme un área en sección transversal que puede variarse de acuerdo con el diseño del transformador. El área en sección transversal puede, de esta manera ser octagonal tal como se ilustra en la Figura 6, o puede

adoptar otras forma tales como hexagonal, rectangular con las esquinas redondeadas o hasta llegar a un óvalo o círculo.

De esta manera, la bobina 52 que es montada alrededor del ensamble de nucleus 50 es acomodada en forma más eficiente, ya que dicha bobina puede conformarse en forma más cercana al núcleo al no existir un ángulo recto en el cambio de dirección del conductor.

La bobina 52 deberá tener aproximadamente la misma figura geométrica que ei área transversal de los nucleos, respetando las tolerancias especificadas para el tipo de diseño.

Sin ser necesario un anátisis matemático, es conocido que el perímetro de un rectángulo, que forma la sección transversal de dos núcleos unidos para formar un ensamble de núcleo en un transformador monofásico, es mayor que el perimetro de un octágono, que es la forma ilustrada del ensamble de núcleo de la presente invención en las Figuras 5 y 6.

Por lo anterior, la longitud de los conductores del embobinado es menor y por lo tanto las pérdidas eléctricas del transformador también son menores. Así mismo, el área del núcteo es disminuida obteniéndose en consecuencia un aumento en la densidad magnética y, por lo tanto, en las pérdidas de vacío, por lo cual se modifican algunos parámetros para compensar el área y así obtener una disminución en las pérdidas en vacío. Es por ello que el tamaño de la sección de pared inclinada se calcula de manera que se obtenga el menor costo de materiales y menores pérdidas eléctricas.

A medida que se aumenta la inclinación de la pared 42 del núcleo 40, el comportamiento de los principales parámetros es como sigue : Las pérdidas en los devanados disminuyen;

La densidad magnética aumenta, si no se compensa el área que se eliminó de las esquinas del núcleo; El costo del transformador se reduce; Las pérdidas de vacio aumentan, siendo este el parámetro que limita el comportamiento deseable de los tres puntos anteriores ya que juega un papel muy importante para ! a evaluación económica de) transformador.

De todo lo anterior, es claro que la presente invención presenta la siguientes ventajas : Beneficio directo en el ahorro de materiales del embobinado, el cual puede Ilegar a ser de hasta un 13%, y que incluye la lámina de cobre o aluminio de la baja tensión, el papel aislante que se coloca entre capas, el aislante de la sección de baja- alta tensión; Disminuyen las pérdidas eléctricas al ser menor la longitud de los conductores de los embobinados, obteniéndose una disminución de hasta aproximadamente el 4%; El transformador opera en forma más eficiente al disminuir las pérdidas; Un aumento considerable en la capacidad de resistir los esfuerzos mecánicos producidos por la prueba de corto circuito, Las tolerancias de construcción del ensamble núcleos-bobina son menores en casi un 50%, obteniendo un ahorro adicional de material, La temperatura de operadón dei transformador tiene una disminución de entre 1 y 2°C, ya que se tiene una mayor superficie descubierta entre las bobinas y el núcleo, La vida útil del transformador se alarga como resultado de la disminución en la temperatura de operación;

Una pequeña disminución en el tamaño del tanque, generada por la disminuci6n de las pérdidas y cuyo efecto inmediato es la reducción del liquido aislante; Además de los beneficios obtenidos en el costo del transformador, el precio evaluado es menor ya que las pérdidas son menores, lo cual se refleja en un menor consumo de energia (electricidad) logrando un ahorro económico muy importante en gasto de combustible de la central generadora y el beneficio ecológico asociado.

Por otra parte, al no tener un ángulo recto sino pequeñas curvas o ángulos de 45° o menores, las bobinas no tienden a arquearse ai centro de la ventana tal como sucede con las bobinas convencionales. En el caso de las bobinas convencionales, si se desea evitar este efecto, es necesario incluir un proceso de prensado en homo, el cual consume mano de obra, tiempo y energia.

Transformadores trifásicos de 13,200 volts en alta tension y 440Y/254 en baja conlosensamblesdenucleos-bobinasdelapresenteinvencióntensià ³nfabricados fueron evaluados en cuanto al costo de fabricación. Los resultados son presentados en la Figura 9, en donde de puede ver que el ahorro total, dependiendo de la potencia, va desde aproximadamente un 6% hasta aproximadamente 0.5%. Para et caso especifico de un transformador de 15 Kva se obtiene un ahorro del 7.57% en aluminio y de 5.65% en cobre, con un ahorro total de aproximadamente 5.8Yo.

La Figura 10 muestra una gr*EIca del total de pérdidas eléctricas, en forma comparativa, para un transformadores con ensamble de nucleos-bobina convencionales y los de la presente invención. Como se puede ver, las péridas utilizando en ensamble núcteos-bobina de la presente invención Ilega a ser de hasta aproximadamente et 4% para transformadores de 300 kva.

En resumen, el precio evaluado de un transformador fabricado de acuerdo con la presente invención es menor hasta en un 3% comparado con un transformador del estado de la técnica, tal como se puede observar en la Figura 11.

En una segunda modalidad de la invención, es posible fabricar un núcleo toroidal 70 tal como se ilustra en la Figura 7, el cual tiene una sección de pared lateral inclinada ya sea en la pared intema 72, en la pared extema 74 o en ambas.

El núcleo toroidal 70 presenta además ventajas al devanar el embobinado, tal como se puede ver en la Figura 8, ya que es substancialmente más sencillo embobinar los conductores 82 utilizando maquinas genéricas conocidas.

El uso del nucleo toroidal 70 de la presente invención mejora la distribución de los conductores del devanado y disminuye la cantidad de material utilizado en cada una de las vueltas del conductor, principalmente en el devanado de baja tensión que es el más cercano al núcleo. AI devanar los conductores sobre el núcleo de la invención se evitan los huecos que se forman en un núcleo toroidal convencional al provocar dar la vuelta en ángulo recto, además de que se disminuye el daño causado en et conductor al forzarlo para dar dicha vuelta en ángulo recto.

Las ventajas del núcleo toroidal de la presente invención sobre los núcleos toroidales convencionales son los mismos que los discutidos anteriormente para el núcleo rectangular de la presente invención.

Transformadores monofAsicos de 13,200 volts en alta tensión y 120/240 en baja tensión fabricados con los núcleos toroidales de la presente invención fueron evaluados contra transformadores convencionales en cuanto al precio evaluado, es decir costo de fabricación más pérdidas, tal como se definió anteriormente. Los resultados son presentados en la Figura 12, en donde de puede ver que el ahorro total, dependiendo de la potencia, va desde aproximadamente un 6% hasta aproximadamente 16%.

La Figura 13 muestra el total de pérdidas eléctricas en forma comparativa para un transformador con ensamble de núcleos-bobina convencionales y los de la presente invención. Comparando las pérdidas eléctricas del núcleo toroidal de la presente invención con los convencionales se tiene que se logra un ahorro de hasta un 7.19% en transformadores de 15 kva, según se puede ver en la siguiente gráfica.

Es importante mencionar que existen grandes diferencias en costos entre los transformadores tipo Wescore y los toroidales, siendo que el tipo toroidal es mucho más económico. La comparación se muestra en la Figura 14.

En resumen, el costo total de un transformador fabricado de acuerdo con la presente invención es menor que aquellos fabricados bajo el estado de la técnica.

De la anterior descripción será evidente para aquellos expertos en la materia que es posible realizar cambios o modificaciones que caen dentro del alcance y espíritu de la presente invención, de acuerdo con las siguientes :

REIVINDICACIONES 1. Un núcleo tipo Wescore para transformador caracterizado porque las láminas enrolladas que forman el cuerpo de dicho núcleo presentan diferencias en su altura de manera que se forma una pendiente recta o progresiva que define una o más paredes inclinadas o curvas.

2. El núdeo tipo Wescore de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, en donde dicha pendiente es tal que el área en sección transversal de la unión de dos núcleos colocados uno junto al otro es un octagono.

3. El núcleo tipo Wescore de conformidad con lo reclamado en la reivindicadón 1, en donde dicha pendiente es tal que el área en sección transversal de la unión de dos núcleos colocados uno junto al otro es un hexágono.

4. El nucleo tipo Wescore de conformidad con lo reclamado en la reivindicación 1, en donde dicha pendiente es tal que el área en sección transversal de la unión de dos núcleos colocados uno junto al otro es un óvalo o circulo.

5, Una bobina para transformador tipo Wescore caracterizada porque es devanada siguiendo la geometria de cualquiera de los núcleos de las reivindicaciones 1 a4.

6. Un ensamble de núcleo tipo Wescore y bobina para transformador caracterizado porque comprende un núcleo de conformidad con las reivindicaciones 1,2,3 ó 4 y una bobina de conformidad con la reivindicación 5.

7. Un núdeo tipo toroidal para transformador caracterizado porque las lámina enrollada que forman el cuerpo de dicho núcleo presenta una disminución paulatina en su anchura de manera que se forma una pendiente recta o progresiva que define una o más paredes inclinadas o curvas.