¿Luces parpadeantes, disyuntores que se disparan y transformadores sobrecalentados? Probablemente se deban a los armónicos del transformador que se esconden en su sistema eléctrico.
Estas son solo algunas de las pocas manifestaciones de la presencia de armónicos en su sistema eléctrico. Entonces, ¿cómo abordarlos? Aquí es donde el factor K entra en escena.
En este artículo, abordaremos los armónicos del transformador, qué son, cuáles son sus efectos, cuáles son las posibles soluciones y cómo el factor K puede ayudarlo a manejarlos.
¿Qué significan los armónicos en el sistema eléctrico?
Los armónicos en el sistema eléctrico pueden ser bastante complejos. Sin embargo, si se observan con atención, son simplemente las desviaciones de la forma de onda observadas en la corriente o la tensión con respecto a la frecuencia fundamental.
En resumen, distorsión. Estas distorsiones se caracterizan por tener frecuencias superiores a 50 Hz/60 Hz, que pueden alcanzar el segundo, tercer, cuarto, quinto orden o superiores.
¿Cómo se convierten en frecuencias estos órdenes armónicos?
El número de orden funciona como multiplicador. Para obtener la frecuencia armónica, se multiplica el número de orden por la frecuencia fundamental.
Por ejemplo, si su transformador está diseñado para funcionar a 60 Hz, el segundo armónico duplica el valor de la frecuencia base y debería aparecer a 120 Hz. Del mismo modo, el tercer armónico se triplica a 180 Hz, el cuarto armónico se cuadruplica a 240 Hz, y así sucesivamente.
¿De dónde vienen los armónicos?
Los armónicos provienen de ciertos tipos de cargas que pueden ser cargas no lineales u otras cargas que pueden causar sobreexcitación.
Estas cargas pueden provenir de dispositivos modernos como cargadores de vehículos eléctricos, computadoras, televisores, impresoras e iluminación. Los armónicos también pueden provenir de equipos grandes como bombas, enfriadores, máquinas rotativas y hornos de arco eléctrico.
Normalmente, se trata de cargas con impedancia variable que consumen corriente de forma errática, lo que genera distorsiones de corriente que a su vez resultan en distorsión de tensión.
¿Cómo afectan los armónicos a un sistema eléctrico?
Generalmente, los armónicos se consideran una impureza en el sistema de energía y, al igual que cualquier otra impureza, pueden tener varios efectos negativos en la calidad de la energía y dañar gravemente equipos críticos como los transformadores.
Problemas de calidad de la energía
Los armónicos pueden generar una potencia de salida deficiente y un mayor consumo de energía, lo que se traduce en mayores costos de electricidad.
Las distorsiones en la tensión o la corriente también pueden enviar señales erróneas a los fusibles y capacitores, provocando que se disparen con más frecuencia de lo necesario, lo que genera tiempos de inactividad y una disminución de la productividad general.
El pico repentino de corriente o tensión también puede causar una sobrecarga, ya que la carga puede superar lo que el sistema está diseñado para soportar.
Efectos en los transformadores
Los armónicos de las cargas no lineales y la sobreexcitación hacen que el transformador trabaje más de lo requerido o de su capacidad nominal.
Cuando esto sucede, la temperatura del transformador puede aumentar drásticamente y eventualmente sobrecalentarse. Aquí es donde surgen la mayoría de los problemas.
El calor excesivo puede dañar las piezas del transformador, especialmente su aislamiento. Con el tiempo, degrada lentamente el sistema de refrigeración, lo que puede provocar averías y acortar su vida útil.
No sólo eso, sino que también afecta las partes vitales del transformador, el núcleo y sus devanados, lo que conduce a mayores pérdidas de hierro y cobre.
¿Cómo manejar la presencia de armónicos en el sistema de potencia?
Los armónicos pueden ser bastante devastadores, pero la buena noticia es que son muy manejables. Dependiendo del tipo de aplicación o configuración del sistema eléctrico, con una buena ingeniería, los armónicos son casi, si no siempre, predecibles.
Por ejemplo, un centro o instalación de TI que mantiene inversores, iluminación LED y toneladas de fuentes de alimentación de modo conmutado, como computadoras, debe incluir medidas de mitigación para contrarrestar los armónicos de corriente, ya que estas unidades caen bajo cargas no lineales y absorben corriente de manera frenética.
Existen varias opciones para gestionar eficazmente los efectos de los armónicos en el sistema eléctrico, como el uso de filtros armónicos, la reducción de potencia de los transformadores y los transformadores con clasificación K.
Sin embargo, elegir un transformador diseñado para manejar cargas generadoras de armónicos es una de las opciones más seguras.
¿Qué quiere decir reducción de potencia del transformador?
La reducción de potencia se produce cuando un transformador se carga a una velocidad inferior a su capacidad nominal. Similar al sobredimensionamiento de un transformador, esto se realiza para protegerlo de posibles daños causados por la carga y otras condiciones ambientales.
La reducción de potencia no solo se utiliza para anticipar los efectos de las cargas armónicas, sino que también es una opción que se considera al instalar transformadores a mayores altitudes y siempre que se necesita un montaje no convencional.
Al optar por reducir la potencia de un transformador, se debe considerar el cálculo del factor de reducción. Este también puede obtenerse utilizando los valores del factor K o la distorsión armónica total (THD) del sistema.
Además, reducir la potencia de un transformador no garantiza protección a largo plazo contra los armónicos, y los transformadores con clasificación K siguen siendo una solución más viable.
¿Qué diferencia a los transformadores de clasificación K de los transformadores estándar?
Los transformadores de clasificación K se construyen con un aislamiento más robusto, amplios conductos de aire y conductores neutros reforzados.
El núcleo y los devanados están fabricados con especificaciones más elevadas y material de primera calidad que les ayuda a soportar el calor y el estrés adicionales provocados por la carga acompañada de ricos armónicos.
También se utiliza blindaje electrostático entre los devanados para proteger aún más los materiales del devanado del calor provocado por el aumento de las corrientes de Foucault.
Para dar cabida a todas estas mejoras en el diseño y la construcción, los transformadores con factor K son significativamente más grandes y más costosos que los transformadores estándar.
¿Cómo encontrar el transformador con clasificación K más adecuado?
La clasificación del factor K determina la capacidad térmica del transformador en términos de los armónicos producidos por la carga.
Esto indicará qué tan bien el transformador puede mantener un rendimiento óptimo y soportar altos niveles de armónicos sin sobrecalentarse ni averiarse.
Se representa mediante un valor numérico de 1 a 50, donde los transformadores con factor K 1 son transformadores estándar cuya capacidad térmica solo puede atender cargas lineales.
Si bien los transformadores con factor K 50 tienen la mayor capacidad térmica, lo que les permite soportar un gran exceso de calor proveniente de armónicos de orden superior, este tipo es costoso y solo se utiliza en entornos extremadamente exigentes.
Para encontrar la clasificación del factor K más adecuada, se debe determinar el porcentaje de dispositivos o carga que producen armónicos o se debe tener en cuenta la distorsión armónica total.
Transformador con clasificación K-1
- Aunque se representa con una clasificación K-1, este tipo de transformadores significa un transformador que no tiene clasificación K.
- Sólo puede soportar un aumento de temperatura promedio debido a corrientes de Foucault y no es capaz de manejar cargas no lineales.
- Se utiliza principalmente para cargas lineales, como lámparas incandescentes estándar, condensadores, calentadores y motores. En caso de dispositivos no lineales, no debe superar el 15 % de la carga.
Transformador con clasificación K-4
- Es adecuado para sistemas de energía con niveles de armónicos relativamente bajos a medios. Admite sistemas con dispositivos generadores de armónicos de aproximadamente el 35 % o menos.
- Su capacidad para soportar el aumento de calor causado por los armónicos es 4 veces mayor que la de un transformador estándar o sin clasificación K.
- Las aplicaciones de muestra incluyen iluminación fluorescente, variadores de CA, PLC, rectificadores controlados por silicio y calentadores de inducción.
Transformador con clasificación K-13
- El transformador más comúnmente utilizado en sistemas de potencia con niveles de armónicos medios a altos. Admite dispositivos generadores de armónicos de hasta el 75 %.
- En términos de resistencia al calor, este transformador puede manejar el doble de capacidad que un transformador con clasificación K-4.
- Sus principales aplicaciones incluyen líneas de fabricación, telecomunicaciones, suministro de energía ininterrumpida, instalaciones educativas e instalaciones médicas.
Transformador con clasificación K-20 y superior
- Este tipo ofrece una capacidad térmica superior para cargas no lineales. Puede soportar hasta el 100 % de la carga de dispositivos generadores de armónicos.
- Los transformadores con este factor K y superiores suelen utilizarse para aplicaciones especializadas, como instalaciones de procesamiento de datos, edificios administrativos, parques solares, variadores de velocidad y otras aplicaciones comerciales e industriales.
¿Cuáles son los beneficios de utilizar un transformador con clasificación K?
El principal beneficio de utilizar transformadores con clasificación K en lugar de los transformadores estándar es que están fabricados con una mayor tolerancia a los armónicos.
Esto reduce las posibilidades de sobrecalentamiento, lo que genera beneficios adicionales como menos tiempos de inactividad debido al mantenimiento y a las interrupciones del suministro eléctrico.
Los transformadores con clasificación K también son más robustos y fiables. Todas estas características contribuyen a mejorar la eficiencia del sistema.
¿Cuáles son las desventajas de utilizar un transformador con clasificación K?
La principal desventaja de los transformadores con clasificación K es que no son económicos. El precio suele ser mayor cuanto mayor sea la clasificación K.
Además, tenga en cuenta que los transformadores con clasificación K no eliminan los armónicos en el sistema de energía, sino que solo sirven como contramedida.
¿Cómo calcular el factor K?
Existen diferentes maneras de calcular el factor K. Esto puede variar según las normas y otros criterios. A continuación, se muestra la fórmula del factor K según la norma UL1561.
Dónde,
h = orden armónico
I h (pu) = corriente RMS según corriente armónica por unidad de carga RMS
El valor del factor K sirve como base para la fabricación de transformadores con clasificación K. El valor del factor K es directamente proporcional a la cantidad de calor producido debido a los armónicos.
¿Cómo calcular la distorsión armónica total?
Los cálculos de distorsión armónica total (THD) pueden automatizarse con un analizador de espectro THD o un analizador de calidad de la energía. Además, también se puede calcular teóricamente mediante la siguiente fórmula.
Dónde,
I 1 = Fundamental
I 2 = corriente armónica de segundo orden
I 3 = corriente armónica de tercer orden
I 4 = corriente armónica de cuarto orden
I 5 = corriente armónica de quinto orden
Calcular y monitorear la THD permite obtener una visión general de las distorsiones de un sistema. Esta información es vital para estudiar y resolver problemas relacionados con los armónicos.
El enfoque del transformador Daelim Belefic para los armónicos
La rápida modernización generó un crecimiento innegable en el ámbito de la tecnología y la industria electrónica. La creciente demanda de computadoras y otros dispositivos electrónicos resalta la importancia de aceptar las armónicas en lugar de considerarlas una adversidad.
Como fabricantes de transformadores, ya es hora de que consideremos los armónicos como un factor necesario al que todos debemos adaptarnos.
Daelim Belefic es un fabricante de transformadores altamente competente que puede producir diseños de transformadores hechos a medida que apuntan a abordar los puntos críticos del sistema de energía, como los armónicos.
Aquí en Daelim Belefic , combatimos los armónicos de frente con nuestra amplia personalización de transformadores que incluye consideraciones del factor K y otras modificaciones.
Además, Daelim Belefic se enorgullece de ofrecer diversas soluciones para la gestión y distribución eficiente de la energía, prestando servicio a diversos sectores de alta tecnología, como centros de datos, parques solares y la industria de la minería de criptomonedas.
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