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En el diseño del devanado de un transformador, la elección del material conductor afecta directamente el costo del producto, la eficiencia, el aumento de temperatura, el tamaño y el proceso de fabricación. Las tiras de cobre y las tiras de aluminio son dos materiales comúnmente utilizados para devanados de bajo voltaje, devanados de lámina y ciertos transformadores de tipo seco.

Mucha gente simplemente supone que “el cobre funciona mejor, mientras que el aluminio cuesta menos”. Sin embargo, en la práctica la selección de materiales no debería basarse únicamente en el precio por kilogramo. La comparación real debe considerar el área de la sección transversal del conductor requerida para lograr la misma capacidad de transporte de corriente, resistencia o aumento de temperatura similar, así como el tamaño, peso y complejidad de fabricación resultantes.

1.Propiedades físicas básicas de las tiras de cobre y aluminio.

2. Conductividad

Para lograr una resistencia de CC similar a la de una tira de cobre, el tira enrollable de aluminio suave generalmente necesita aproximadamente 1,6 veces el área de la sección transversal.

Esto tiene varias implicaciones prácticas:

La tira de aluminio debe ser más ancha, más gruesa o ambas cosas, lo que puede aumentar el volumen de bobinado.
Para transformadores compactos con espacio limitado en la ventana del núcleo, la tira de cobre suele ser más adecuada para diseños de alta densidad de potencia.

A medida que aumentan las dimensiones del conductor, también puede aumentar el diámetro exterior del devanado. Esto puede aumentar la longitud promedio de las vueltas y afectar aún más las pérdidas del devanado.

En los transformadores de frecuencia industrial, los devanados de lámina también se ven afectados por el efecto superficial, el efecto de proximidad, la distribución del flujo de fuga y otros factores. En aplicaciones de alta corriente, ricas en armónicos o de alta frecuencia, el espesor del conductor, la disposición de las capas y el diseño de refrigeración son especialmente importantes.

3. Peso

Aunque la tira de aluminio necesita una sección transversal mayor para lograr una resistencia similar, el aluminio tiene una densidad mucho menor que el cobre. Para obtener una resistencia y una capacidad de transporte de corriente similares, un devanado de aluminio normalmente pesa sólo alrededor del 50 % de lo que pesa un devanado de cobre equivalente. Ésta es una de las ventajas más importantes del aluminio.

Para transformadores grandes sumergidos en aceite, transformadores de tipo seco, transformadores rectificadores y equipos donde el transporte y el levantamiento de peso son importantes, los devanados de aluminio pueden reducir sustancialmente el peso total del equipo. Un peso más bajo también puede reducir los requisitos de recintos, estructuras de soporte y sistemas de elevación.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que un devanado más ligero no significa necesariamente que el peso total del transformador disminuirá en la misma proporción. El núcleo, los materiales aislantes, las estructuras de sujeción, el tanque, el aceite, los radiadores y otros componentes siguen representando una parte sustancial del peso total.

4. Costo

Los precios del cobre y el aluminio fluctúan con los mercados mundiales de metales, pero el cobre normalmente cuesta significativamente más por kilogramo que el aluminio. Teniendo en cuenta únicamente el precio de la materia prima, los flejes de aluminio son claramente más baratos.

Sin embargo, el costo del transformador debe compararse en función del rendimiento eléctrico equivalente, en lugar del precio por kilogramo únicamente.

Dado que el aluminio requiere sólo aproximadamente la mitad del peso del cobre para lograr una resistencia CC similar, su ventaja en cuanto a costo de material suele ser aún más pronunciada. Si el cobre cuesta varias veces más que el aluminio, el coste total del conductor del aluminio suele ser mucho menor, aunque se requiera una sección transversal mayor.

4.1 Ventajas de costos de las tiras de aluminio

Las tiras de aluminio suelen ofrecer los siguientes beneficios económicos:

• Menor costo de materia prima;

• Menor peso del conductor para un rendimiento eléctrico equivalente;

• Reducción significativa del costo de los conductores para transformadores de gran capacidad;

• Fuertes ventajas económicas en productos estandarizados y sensibles a los costos.

Por esta razón, el devanado de aluminio se usa ampliamente en transformadores de distribución, transformadores industriales en general y algunos transformadores de tipo seco.

4.2 El aluminio no siempre es más barato en general

La ventaja de costes del aluminio puede verse compensada en parte por varios factores:

• Es posible que se requiera una ventana de bobinado más grande;

• Es posible que sea necesario aumentar las dimensiones del núcleo o las dimensiones del soporte de la bobina;

• Un mayor volumen de bobinado puede aumentar el uso de material aislante;

• Los procesos de conexión de cables, soldadura o engarzado pueden ser más complicados;

• Se necesita mayor atención a la protección contra la oxidación, la confiabilidad de la conexión y el control de calidad;

• Los diseños que requieren alta eficiencia, tamaño pequeño o bajo aumento de temperatura pueden volverse más complejos y costosos.

Por lo tanto, las principales ventajas del aluminio residen en el coste del material conductor y el peso reducido, mientras que los puntos fuertes del cobre residen en el diseño compacto, la alta eficiencia y la fiabilidad de la conexión.

5. ¿Cómo se debe elegir entre tiras de cobre y tiras de aluminio?

Cuando la tira de cobre es la mejor opción

La tira de cobre generalmente es más adecuada para aplicaciones que requieren:

• Tamaño más pequeño y mayor densidad de potencia;

• Mayor eficiencia y menor aumento de temperatura;

• Espacio limitado en la ventana sinuosa;

• Mayor resistencia mecánica y capacidad de resistencia a cortocircuitos;

• Conexiones terminales complejas y alta confiabilidad a largo plazo;

• Diseños de transformadores premium, compactos o de alta eficiencia.

Cuando la tira de aluminio es la mejor opción

Tira de aluminio de baja resistividad generalmente es adecuado cuando:

• El costo de compra inicial es una preocupación importante;

• Es aceptable un aumento modesto en el volumen de bobinado;

• Se desea un menor peso total del equipo;

• La capacidad del transformador es grande y el costo del conductor representa una parte importante del costo total;

• Las condiciones de transporte, instalación o elevación dependen del peso;

• Se encuentran disponibles procesos maduros de bobinado, conexión y control de calidad de aluminio.

Original source: https://www.alcustrip.com/es/a/aluminum-winding-strip-vs-copper-winding-strip-cost-conductivity-and-weight.html