Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han encontrado una forma de ver el interior del núcleo de hierro de los transformadores. Los transformadores son indispensables para regular la electricidad tanto en la industria como en los hogares. Cuanto mejor se magnetizan sus núcleos de hierro, menos energía pierden ycuanto más eficientemente funcionen. El innovador método de investigación de interferometría de rejilla de neutrones desarrollado en el PSI ha abierto la posibilidad de observar dominios magnéticos en el trabajo a medida que establecen campos magnéticos dentro del núcleo de hierro. Este es un paso significativo hacia la comprensión de cómo funcionan los transformadores en la actualidad.y en el desarrollo de transformadores más eficientes en el futuro, sobre todo porque la UE ha establecido nuevos objetivos de eficiencia energética en este campo, que Suiza también ha acordado. Los investigadores informaron sobre sus resultados en dos estudios publicados en la última edición de larevista especializada Revisión física aplicada .
Los transformadores son un elemento indispensable en nuestro sistema eléctrico: en las subestaciones, transforman la tensión de baja a alta para que la electricidad pueda distribuirse a largas distancias a través de líneas eléctricas de alta tensión sin perder demasiada energía. En el otro extremo de la alta-Líneas eléctricas de tensión, los transformadores vuelven a reducir la tensión para que la electricidad pueda llegar a los hogares domésticos a 230 voltios.
No obstante, queda margen de mejora en este campo. Dos nuevos estudios realizados por un equipo de científicos de investigación de neutrones dirigido por Christian Grünzweig en el PSI han explorado y aplicado un método de vanguardia que muestra diminutas estructuras magnéticas en el interior deun transformador en funcionamiento durante el proceso de transformación. Los resultados contribuirán a comprender cómo funcionan los transformadores en la actualidad y ayudarán a desarrollar modelos más eficientes en el futuro.
La flexibilidad es clave
"El núcleo de hierro magnético en forma de anillo del transformador es un elemento fundamental necesario para aumentar o disminuir el voltaje", explica Grünzweig. Los diminutos dominios magnéticos dentro del núcleo juegan un papel esencial en este proceso. La orientación magnética dentro de cada dominio es uniforme.Los expertos se refieren a los límites entre estos como paredes de dominio. Si el núcleo de hierro está magnetizado, esto da como resultado, a nivel microscópico, en todos los dominios apuntando de la misma manera. En otras palabras, las paredes de dominio desaparecen.
"El factor decisivo para que un transformador funcione de manera eficiente es la movilidad de la pared de dominio", dice Benedikt Betz, primer autor de ambos estudios y estudiante de doctorado en el equipo de Grünzweig. Esto se debe a que nuestras líneas eléctricas llevan corriente alterna con una frecuencia de 50 Hertz. Como resultado, el núcleo de hierro de un transformador se vuelve a magnetizar 100 veces por segundo, volviéndose a polarizar de norte a sur y viceversa en rápida sucesión. Por lo tanto, los dominios se lanzan hacia atrás y hacia adelante: cuanto mayor sea su flexibilidad, mejor seráel transformador funciona.
la tecnología PSI mira dentro de los transformadores
Los métodos disponibles hasta ahora solo han permitido la observación indirecta del comportamiento de la pared del dominio. La interferometría de rejilla de neutrones desarrollada por Christian Grünzweig en el PSI hace diez años en el marco de su tesis doctoral ahora permite la obtención de imágenes directas de las paredes del dominio. "Podemos pensar en los dominios como parcelas de jardín, separadas entre sí por vallas ", dice Grünzweig." Utilizando interferometría de rejilla de neutrones, ahora podemos ver estas cercas, es decir, las paredes del dominio, no las parcelas del jardín en sí ".imágenes obtenidas por interferometría de rejilla de neutrones, las paredes del dominio aparecen como líneas negras.
En un estudio dirigido por Benedikt Betz, el equipo de Grünzweig ha investigado qué sucede cuando un transformador se conecta a una corriente continua, que primero aumenta y luego disminuye nuevamente. A medida que aumentaba el voltaje, las líneas negras desaparecían, mostrando que el núcleo de hierrofue magnetizado uniformemente en una dirección. Sólo en este estado el núcleo de hierro transfiere voltaje de manera eficiente. Una vez que el voltaje se redujo posteriormente, las líneas - y las paredes de dominio que representan - reaparecieron. Este primer estudio proporcionó la base para futuras investigaciones.
En un segundo estudio, los investigadores imitaron un escenario más realista aplicando una corriente alterna. Al variar el voltaje y la frecuencia de la corriente alterna, encontraron que había ciertos umbrales de cada uno de estos parámetros, más allá de los cuales las paredes de dominio o biendesapareció o pareció congelarse.
Desarrollo de transformadores eficientes
"Estos conocimientos no conducen directamente a mejores transformadores", admite Christian Grünzweig. "Lo que estamos haciendo es ofrecer a la ciencia y la industria un nuevo método de examen". Y ha llegado en el momento adecuado. Desde el año pasado, Ecodesign de la UELa directiva, que Suiza también ha acordado implementar, ha instado al sector energético a mejorar el rendimiento de los transformadores. Hasta ahora, el desarrollo de los transformadores se llevó a cabo más o menos sobre la base de prueba y error: por qué un nuevo transformador funciona mejor que una versión anteriornunca fue realmente claro. Esta información nueva y más precisa sobre los procesos magnéticos que tienen lugar dentro del núcleo de hierro ahora permitirá una optimización de los transformadores más orientada al objetivo.
El potencial de mejora es enorme. Según las estimaciones, los grandes transformadores de distribución pierden aproximadamente 38 teravatios-hora de energía al año en toda la UE, más de la mitad del consumo energético anual de Suiza. Mejora de la eficiencia de los transformadores incluso en un pequeño porcentajeconduciría a ahorros equivalentes a la producción de energía de varias centrales eléctricas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Paul Scherrer Institut PSI . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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