Transformador eléctrico trifásico: cómo especificar el devanado, el enfriamiento y el tamaño

Una línea transportadora de 250 kW que se instala en una planta de procesamiento de alimentos requiere su propio punto de descenso. La instalación recibe energía primaria a 10 kV, mientras que los motores, variadores de frecuencia y gabinetes de control funcionan con 400 V trifásicos. El ingeniero que redacta la especificación debe resolver cuatro preguntas antes de realizar cualquier orden de compra: configuración del devanado, medio de aislamiento, impedancia y clase de enfriamiento. Un transformador eléctrico trifásico no es un bien intercambiable. Cada decisión cambia la eficiencia, la huella, la carga del piso, la coordinación de la protección y la frecuencia del mantenimiento para las próximas dos décadas de servicio.

¿Qué es un transformador eléctrico trifásico?

Un transformador eléctrico trifásico es un dispositivo electromagnético estático que transfiere energía CA trifásica entre circuitos a diferentes niveles de voltaje utilizando tres conjuntos de devanados acoplados a través de un núcleo magnético compartido.

Tres devanados primarios y tres devanados secundarios están enrollados en un núcleo de acero laminado con tres ramas. La corriente alterna en los devanados primarios crea un flujo magnético que une los tres devanados secundarios por inducción, produciendo un voltaje secundario proporcional a la relación de vueltas. Debido a que el transformador no tiene partes móviles, su vida útil se rige por la temperatura del aislamiento, la tensión del devanado y los ciclos de carga en lugar del desgaste mecánico.

La energía trifásica es importante porque los tres voltajes están desplazados 120 grados eléctricos. Por lo tanto, una carga trifásica equilibrada recibe energía instantánea constante, mientras que la energía monofásica pulsa al doble de la frecuencia de la línea. Esta es la razón por la que un transformador trifásico de una potencia determinada de kVA es aproximadamente entre un 15 y un 20 por ciento más ligero y menos costoso que tres unidades monofásicas con la misma potencia total, y por la que las redes industriales utilizan equipos trifásicos casi exclusivamente.

Delta vs. Wye: elija el devanado que coincida con la red

La conexión del devanado determina si el transformador puede suministrar cargas de línea a neutro, cómo responde a la corriente desequilibrada y qué cambio de fase se introduce entre primario y secundario. Esta decisión se toma una vez, en el momento de la especificación, y no puede corregirse posteriormente mediante ajustes del panel.

Una conexión en triángulo une cada devanado entre dos conductores de fase. No tiene neutro, por lo que no puede alimentar cargas monofásicas directamente, pero el circuito cerrado dentro del delta reequilibra el flujo y tolera bien las corrientes de fase desequilibradas. Una conexión en estrella une un extremo de cada devanado en un neutro común. Proporciona el neutro necesario para cargas mixtas de iluminación y energía a 230/400 V, y puede conectarse a tierra sólidamente o por impedancia para la gestión de fallas.

La práctica de distribución en la mayoría de los mercados favorece una primaria delta con una secundaria en estrella. El primario en delta bloquea el triple de corrientes armónicas para que no ingresen a la red de servicios públicos, y el secundario en estrella conectado a tierra mantiene los voltajes de línea a tierra limitados en condiciones de falla.

Los fabricantes identifican estas disposiciones con códigos de grupos de vectores. El código de distribución más común es Dyn11: D es un primario conectado en delta, y es un secundario conectado en estrella, n significa que el neutro se lleva a un terminal y 11 significa que el voltaje secundario de línea a neutro está retrasado con respecto al primario en 30 grados.

Tipo seco versus sumergido en aceite: haga coincidir la construcción con el edificio

El medio de aislamiento y refrigeración decide dónde se puede instalar el transformador, qué protección y contención contra incendios debe proporcionar el edificio y cuánto margen de sobrecarga a corto plazo soporta la unidad.

Los transformadores sumergidos en aceite utilizan aislamiento de papel y aceite mineral o de éster para enfriar, generalmente con circulación ONAN. La masa de aceite absorbe calor durante los picos de sobrecarga, razón por la cual las unidades de aceite pueden transportar aproximadamente entre el 150 y el 200 por ciento de la clasificación nominal durante intervalos cortos. Son más económicos por encima de aproximadamente 500 kVA y son la opción estándar para subestaciones exteriores.

Transformador sumergido en aceite con núcleo de aleación amorfa para eficiencia energética Esta unidad sumergida en aceite es adecuada para subestaciones exteriores que necesitan una alta capacidad de sobrecarga. Su núcleo amorfo reduce drásticamente las pérdidas sin carga, lo que reduce los costos de energía y las emisiones, al tiempo que ofrece una fuerte resistencia a cortocircuitos y un bajo nivel de ruido. Ver producto →

Los transformadores de tipo seco utilizan resina fundida o devanados impregnados de presión de vacío y aire como medio de enfriamiento. Son los predeterminados para instalaciones interiores, edificios de gran altura, túneles y centros de carga porque no contienen aceite y, por lo tanto, no hay riesgo de incendio ni requisitos de contención. Las compensaciones son un mayor costo inicial por kVA y una menor capacidad de sobrecarga a corto plazo.

Transformador seco trifásico con núcleo de acero al silicio Este transformador de tipo seco de fundición epóxica es adecuado para sitios interiores donde la seguridad contra incendios es importante. Los devanados de cobre fundido al vacío resisten la humedad y los cortocircuitos, y los diseños de bajas pérdidas lo ayudan a operar de manera eficiente en entornos de túneles y rascacielos. Ver producto →

Cómo dimensionar correctamente un transformador eléctrico trifásico

El dimensionamiento comienza a partir de la carga conectada, aplica un factor de demanda, agrega el margen de expansión planificado y solo entonces convierte el resultado en kVA usando la fórmula trifásica. Un transformador seleccionado de esta manera funciona con una carga del 60 al 75 por ciento, que es el punto óptimo de eficiencia y vida útil.

El gráfico muestra por qué el material central es la primera pregunta que debe hacerse un comprador. Un núcleo de aleación amorfa reduce las pérdidas sin carga en aproximadamente un 65 por ciento en comparación con un núcleo de acero al silicio de grano orientado convencional, y en más del 75 por ciento en comparación con una unidad típica de tipo seco. Debido a que las pérdidas sin carga se producen cada vez que se energiza el transformador, dominan la factura de energía de por vida para unidades con carga ligera.

Cuando la carga incluye variadores de frecuencia o rectificadores de seis pulsos, especifique una unidad con clasificación de factor K o agregue un filtro de armónicos. Las cargas no lineales producen corrientes armónicas quinta y séptima que elevan la temperatura del devanado más allá de lo que implica la placa de identificación kVA.

Dónde se ubica el transformador en la cadena de distribución

En una red industrial o comercial típica, el transformador eléctrico trifásico es el puente entre la alimentación de la red pública de media tensión y la aparamenta de baja tensión que alimenta las cargas. Lograr que esta interfaz sea correcta evita los modos de falla eléctrica más comunes y costosos.

La impedancia del transformador define la posible corriente de cortocircuito en el lado de baja tensión. Si un transformador existente se reemplaza por una unidad de menor impedancia, la corriente de falla puede aumentar por encima de la capacidad de corte de la aparamenta de baja tensión instalada. Si se selecciona una unidad de mayor impedancia, la regulación de voltaje durante el arranque del motor se degrada. Ambos valores deben comprobarse juntos.

Para instalaciones que necesitan la cadena completa en un solo paquete, una subestación compacta integra la unidad principal en anillo, el transformador y la distribución de bajo voltaje en un solo gabinete. Esta es la forma más rápida de energizar un sitio nuevo porque el conjunto se prueba en fábrica antes del transporte.

Subestación compacta que combina unidad principal de anillo y transformador Esta unidad probada en fábrica integra conmutación de media tensión, transformador y distribución de baja tensión en un solo gabinete. Permite una rápida energización del sitio con bajas pérdidas, mantenimiento mínimo y un tamaño reducido para nuevos proyectos. Ver producto →

Cuando un proyecto requiere equipo separado, el Unidades principales en anillo de media tensión y aparamenta de baja tensión. disponible en el catálogo del fabricante se puede revisar antes de finalizar el diagrama unifilar.

Preguntas frecuentes sobre transformadores eléctricos trifásicos

¿Cuál es la diferencia entre un transformador eléctrico monofásico y un transformador eléctrico trifásico?

Un transformador monofásico tiene un devanado primario y uno secundario y entrega energía pulsante. Un transformador eléctrico trifásico tiene tres juegos de devanados en un núcleo magnético compartido y entrega energía constante a cargas equilibradas, lo que lo hace entre un 15 y un 20 por ciento más liviano por kVA y más adecuado para cargas de motores.

¿Pueden tres transformadores monofásicos reemplazar a un transformador trifásico?

Sí. Se pueden conectar tres unidades monofásicas como un banco trifásico y esta configuración a veces se utiliza para redundancia y transportabilidad. Cuesta entre un 15 y un 20 por ciento más, ocupa más superficie y produce mayores pérdidas totales que una sola unidad trifásica de la misma clasificación.

¿Cómo calculo la clasificación de kVA para una nueva línea de producción?

Sume los kVA a plena carga de cada motor y variador, aplique un factor de demanda de 0,6 a 0,8 para servicio intermitente, agregue entre un 20 y un 25 por ciento para una expansión futura y luego seleccione la siguiente clasificación estándar más grande. Una unidad de 400 kVA es la elección correcta para una demanda medida de aproximadamente 300-320 kVA.

¿Qué significa Dyn11 en la placa de identificación?

D significa conexión en delta primaria, y significa conexión en estrella secundaria, n significa que el neutro del secundario en estrella se saca y 11 significa que el voltaje secundario está retrasado con respecto al primario en 30 grados. Dyn11 es el grupo vectorial más común para transformadores reductores de distribución de media tensión en muchos mercados.