El propósito de este resumen de pros y contras entre el aluminio y el cobre en los devanados de los transformadores, es revisar las preocupaciones comunes con respecto a estos dos materiales.
La principal razón para elegir los devanados de aluminio es su menor costo inicial.
El costo del cobre ha demostrado históricamente ser mucho más volátil que el costo del aluminio, de modo que el precio de compra del conductor del cobre es generalmente la opción más costosa. Además, debido a que el aluminio tiene una mayor maleabilidad y es más fácil de soldar, es la opción de fabricación de bajo costo. Sin embargo, las conexiones de aluminio confiables requieren más trabajo y experiencia por parte de los instaladores de transformadores que la necesaria para las conexiones de cobre.
Mitos y realidades acerca de los bobinados en los transformadores:
Los argumentos técnicos sobre los pros y los contras del aluminio contra el cobre se han mostrado en la industria eléctrica durante muchos años. La mayoría de estos argumentos son inconsecuentes y algunos pueden ser clasificados simplemente como desinformación.
En Estados Unidos, el aluminio es la opción predominante para materiales del bobinado de transformadores de baja tensión tipo seco de más de 15 kVA, mientras que en la mayoría de las otras áreas del mundo, el cobre es el material de bobinado predominante.
Diferencias entre cobre y aluminio (Tabla 2)
La mayoría de las preocupaciones sobre la elección del material de bobinado se reflejan en cinco diferencias características entre el cobre y el aluminio:
Conectividad bobinado transfromador
Los óxidos, cloruros o sulfuros del metal base son mucho más conductores para el cobre que el aluminio. Este hecho hace que la limpieza y protección de las juntas para conexiones de aluminio sean más importantes. Algunos consideran que las conexiones de cobre a aluminio son incompatibles. También son cuestionables las conexiones de transición entre los transformadores de aluminio y el alambre para construir cobre.
Coeficiente de Expansión
El aluminio se expande casi un tercio más que el cobre bajo las cambiantes temperaturas. Esta expansión, junto con la naturaleza dúctil del aluminio, ha causado algunos problemas cuando las conexiones atornilladas están instaladas incorrectamente.
Para evitar el aflojamiento de las juntas es necesario algún tipo de conexión de presión de resorte. El uso de arandelas ahuecadas o divididas proporciona la elasticidad necesaria en la junta sin comprimir el aluminio.
Mediante el uso de equipos adecuados, las juntas de aluminio pueden ser iguales en calidad a las juntas de cobre.
Conductividad térmica entre el aluminio y el cobre en los devanados
Algunos argumentan que la conductividad térmica del cobre es superior a la del aluminio en la reducción de la elevación de la temperatura del punto caliente en los devanados del transformador. Esto es cierto sólo cuando se comparan bobinados de cobre y aluminio de idéntico tamaño, geometría y diseño de alambre. Por lo tanto, para cualquier tamaño de transformador de kVA dado, las características de conductividad térmica del aluminio pueden ser muy próximas a las del cobre.
Para que las bobinas de aluminio alcancen la misma capacidad de carga de corriente que el cobre, la bobina de aluminio debe ser aproximadamente un 66% más grande en su área transversal. Los fabricantes responsables diseñan y prueban las características de los puntos calientes de sus diseños y utilizan la superficie de enfriamiento, la geometría de la bobina, la conducción de aire y la forma del conductor para producir gradientes de puntos calientes aceptables independientemente del material de bobinado.
Conductividad eléctrica del aluminio y el cobre.
A menudo, los argumentos apuntan a la inferioridad de la conductividad del aluminio, citando el hecho de que el aluminio tiene sólo el 61% de la conductividad del cobre, lo que provoca mayores pérdidas de energía en los transformadores de aluminio. Los diseñadores siempre se preocupan por la temperatura de bobinado.
Para mantener la temperatura por debajo del grado de aislamiento, los transformadores de aluminio están diseñados con conductores de aluminio de mayor área transversal que el cobre. En promedio, esto resulta en pérdidas de energía que son las mismas para el aluminio que para el cobre. Por lo tanto, los transformadores de diseño similar con el mismo aumento de temperatura tienen pérdidas aproximadamente equivalentes, independientemente del material conductor.
Los fabricantes de transformadores limitan la variedad de tamaños de conductores almacenados. Debido a esto, algunos diseños en aluminio pueden obtener pérdidas más bajas que el cobre simplemente porque la elección del tamaño del alambre es limitada. En otros diseños, el cobre es más eficiente.
Pocos, si los hay, transformadores de tipo seco de baja tensión cambian el tamaño del marco del núcleo al cambiar de aluminio a cobre, por lo que la pérdida del núcleo sigue siendo aproximadamente equivalente independientemente del material del devanado. Si se puede obtener la misma eficiencia variando el tamaño del hilo y las pérdidas del núcleo permanecen iguales, no hay ninguna razón práctica para esperar que un diseño sea más eficiente que el otro. La diferencia de coste entre el cobre y el aluminio puede permitir a menudo proporcionar conductores de aluminio más grandes, lo que resulta en menores pérdidas de carga a un menor coste que si se usan conductores de cobre.
Resistencia a la tracción entre el aluminio y el cobre del transformador
La baja resistencia a la tracción y el límite de elasticidad del aluminio ha generado cierta preocupación por su uso en aplicaciones de carga cíclica. Las cargas que dibujan altos picos de corriente tales como unidades de CC y otros controladores SCR, crean fuerzas electromagnéticas que pueden causar el movimiento de conductores de bobinado. Como se muestra en la Tabla 2, el aluminio tiene sólo el 38% de la resistencia a la tracción del cobre. Sin embargo, la comparación de la tabla se basa en un área transversal igual.
Como se ha indicado anteriormente, para obtener iguales calificaciones en transformadores de aluminio, normalmente se requiere un 66% más de área de sección transversal que los conductores de cobre. El uso de conductores de mayor tamaño da como resultado una resistencia de bobinado de aluminio casi equivalente a los devanados de cobre.
La capacidad de un transformador para soportar los efectos mecánicos a largo plazo de las cargas de «alto impacto» depende más del equilibrio adecuado de la bobina y del soporte de los conductores. No se ha experimentado diferencia significativa en fallas mecánicas entre transformadores de baja tensión de cobre o aluminio.
Conectividad del aluminio y cobre.
La conectividad es, por mucho, la razón más común de «perjuicio» contra el uso de transformadores bobinados de aluminio. Tanto el cobre como el aluminio son propensos a la oxidación u otros cambios químicos cuando se exponen a la atmósfera.
El problema es que el óxido de aluminio es un muy buen aislante, mientras que el óxido de cobre, aunque no se considera un buen conductor, no es tan problemático en conexiones atornilladas. Limpieza y cepillado con un compuesto de calidad para evitar la oxidación se recomienda para cualquier material y simplemente más esencial para el aluminio. La mayoría de los electricistas están bien entrenados en estos procedimientos, y la técnica de hacer conexiones de aluminio atornilladas es una práctica bien establecida y probada.
En general, se desaconseja la conexión atornillada de aluminio sin recubrir al cobre. Aunque se pueden realizar varios procesos de soldadura confiables y técnicas de unión para estos dos metales, tampoco se utilizan en gran medida en la fabricación de transformadores actuales.
La mayoría de las conexiones de aluminio a cobre se realizan aplicando chapado de plata o estaño a uno o ambos de los metales conductores en la conexión atornillada. La mayoría de las conexiones de cables a transformadores de aluminio utilizan bobinas de aluminio estañado. Estas conexiones están especificadas (Al / Cu) para conectar el alambre de cobre a cualquier metal. Esta práctica es universalmente aceptada y ha demostrado ser confiable a lo largo de los más de 30 años en transformadores de aluminio.
Teoría vs. Uso Práctico
Un argumento se centra en las diferentes técnicas utilizadas para realizar conexiones de cobre y aluminio. Las conexiones de transformador internas hechas con cobre son generalmente soldadas, mientras que las mismas conexiones de aluminio son soldadas usando gas inerte. Técnicamente, la técnica de soldadura fuerte hace que la conexión de cobre tenga una conductividad más baja que la del metal base de cobre.
La soldadura con gas inerte del aluminio produce una junta continua sin degradación de la conductividad. Además, algunos sostienen que con el tiempo el óxido de cobre continúa formándose, desprendiéndose del cobre expuesto y eventualmente dañando todo el conductor. Por otra parte, el óxido de aluminio forma una capa protectora sobre el metal expuesto, que detiene la oxidación después de solamente algunos millonésimos de una pulgada.
Estos pueden ser puntos válidos que pueden tener un impacto en atmósferas inusualmente corrosivas o condiciones extremas de carga. Sin embargo, el usuario promedio no debería preocuparse por estas consideraciones teóricas porque tanto los transformadores de cobre como los de aluminio tienen excelentes registros en largos años de uso práctico.
La única razón de ingeniería válida para elegir cobre sobre aluminio parece ser consideraciones de espacio. Un hecho irrefutable es que el transformador de bobinado de cobre puede hacerse más pequeño que los transformadores de aluminio. Principalmente los clientes OEM, que compran transformadores de núcleo abierto y bobina para poner en sus propios edificios, para aprovechar los ahorros de espacio. La mayoría de los transformadores de uso general cerrados se venden en el mismo tamaño para aluminio o cobre, de modo que incluso esta pequeña ventaja para el cobre no se hace comunmente.Conclusión
La elección entre los devanados del transformador de aluminio o de cobre se reduce a la preferencia personal. El precio de la materia prima para el cobre a menudo requiere justificación de compra, pero estos argumentos han sido refutados en este articulo. En verdad, la experiencia de la industria simplemente no apoya ninguna de las razones comúnmente indicadas para elegir cobre sobre aluminio. Los transformadores de baja tensión con bobina de aluminio probablemente seguirán ganando mayor aceptación debido a su importante ventaja de costo sobre el cobre.
Como algunos de los viejos mitos desaparecen debido al éxito abrumador del aluminio, más usuarios se sentirán cómodos con la atención adicional relativamente menor al detalle necesario para hacer conexiones de aluminio confiables. La atención adicional dada a las juntas de aluminio ha sido teorizada para contribuir a mejores juntas en aluminio que en cobre.
Sin embargo, las buenas prácticas al hacer las conexiones eléctricas son una ventaja a cada uno en la industria, sin importar si el aluminio o el cobre se está utilizando. Antes de invertir en el costo adicional de los transformadores de cobre, examine las razones de las preferencias de cobre en las especificaciones.