Tamaños de transformadores trifásicos

Como elemento fundamental de la red eléctrica, el transformador trifásico tiene diversas aplicaciones, como la transmisión de refuerzo, la distribución de reducción de tensión y el aislamiento eléctrico. El tamaño de un transformador trifásico es crucial tanto para la inversión inicial como para el rendimiento operativo. ¿Cómo elegir el tamaño de transformador adecuado para sus necesidades de voltaje? Este artículo analiza la importancia y los factores que influyen en el tamaño del transformador para ayudarle a elegir el tamaño idóneo que equilibre seguridad, eficiencia y coste.

¿Qué son los transformadores trifásicos?

El transformador trifásico es un dispositivo eléctrico estático que utiliza el principio de inducción electromagnética para transmitir y distribuir energía de corriente alterna trifásica a la misma frecuencia, pero generalmente a diferentes niveles de voltaje.

El transformador trifásico consta principalmente de varios sistemas principales: el sistema de circuito magnético, el sistema de circuito eléctrico, el sistema de aislamiento y refrigeración, el sistema de protección y monitorización, y los componentes estructurales y la carcasa. Estos sistemas pueden proporcionar, respectivamente, trayectorias magnéticas eficientes, lograr la entrada de energía eléctrica, la salida y la conversión de voltaje, verificar el aislamiento eléctrico y la disipación de calor, y garantizar el funcionamiento seguro y el control del estado. transformadores, y proporcionar soporte mecánico, protección y conexión eléctrica.

Mediante la coordinación precisa entre sistemas, los transformadores trifásicos logran una conversión y transmisión de energía eficiente, confiable y flexible, constituyendo la piedra angular de las redes eléctricas modernas. Pueden transformar eficientemente tres voltajes de una fuente de alimentación trifásica a otro sistema trifásico a través de un circuito magnético de núcleo común. Se han convertido en un equipo indispensable en los sistemas eléctricos modernos, desde la generación y la transmisión hasta la distribución.

Tamaños de transformadores trifásicos

Generalmente, los transformadores trifásicos pequeños se clasifican principalmente según su potencia nominal (kVA). Sin embargo, esta clasificación no es absoluta. También puede variar según el uso y los métodos de refrigeración. A continuación, se explican los tres tipos de transformadores trifásicos según el conocimiento común y los escenarios de aplicación típicos.

Transformadores trifásicos pequeños

Calificación típicaLa capacidad nominal de los transformadores trifásicos de pequeño tamaño suele estar entre 10 kVA y 500 kVA. Los tamaños típicos de transformadores en kVA incluyen 15 kVA, 30 kVA, 50 kVA, 100 kVA, 250 kVA y 500 kVA.

CaracterísticasEl diseño de transformadores trifásicos pequeños busca la miniaturización y una estructura compacta, lo que los hace adecuados para su instalación en plataformas o salas de distribución interiores. El diseño de transformadores trifásicos de tamaño estándar también permite controlar los costos de fabricación. Los métodos de refrigeración más comunes son ONAN (con aceite), AN o AF (en seco).

Usos comunesLos transformadores trifásicos de este tamaño se utilizan normalmente para proporcionar un suministro eléctrico independiente y seguro a pequeños equipos industriales, centros comerciales y zonas específicas de edificios.

Transformadores trifásicos medianos

Calificación típicaLa capacidad nominal de los transformadores trifásicos de tamaño mediano suele estar comprendida entre 500 kVA y 10 MVA (10 000 kVA). Los tamaños típicos de transformadores son 750 kVA, 1 MVA, 2,5 MVA, 5 MVA, 7,5 MVA y 10 MVA.

CaracterísticasLos transformadores trifásicos de tamaño mediano ofrecen el mejor equilibrio entre coste, eficiencia y fiabilidad, por lo que constituyen la categoría tecnológicamente más madura y de mayor uso.

Según la carga y las condiciones ambientales, los transformadores trifásicos de tamaño mediano suelen utilizar sistemas de refrigeración por aceite, como ONAN (aceite natural, aire natural) y ONAF (aceite natural, aire forzado). Para los transformadores trifásicos de tipo seco, se suele emplear AF. El tamaño de este tipo de transformador también permite una alta personalización.

Usos comunes: Transformadores de tamaño mediano Se pueden utilizar en centros regionales de distribución y transmisión, o instalarse en las salas de distribución de grandes instalaciones comerciales o en las subestaciones de distribución principales de plantas industriales.

Transformadores trifásicos de gran tamaño

Calificación típicaLos transformadores trifásicos de gran tamaño suelen tener una potencia superior a 10 MVA, e incluso pueden alcanzar un máximo de más de 1000 MVA. Los tamaños típicos de transformadores en kVA incluyen 20 MVA, 50 MVA, 100 MVA y 250 MVA.

CaracterísticasLa tecnología de producción de transformadores trifásicos de gran tamaño es más compleja, y casi todos ellos deben fabricarse a medida.

Entre ellas, el diseño del aislamiento supone una dificultad de producción, y el transformador debe adoptar un método de refrigeración forzada para contrarrestar el calor generado por la transmisión de alta potencia.

La transmisión de potencia ultra alta y la refrigeración potente implican inevitablemente enormes dimensiones físicas y pesos, además de requerir una eficiencia extremadamente alta.

Usos comunesEl transformador trifásico de gran tamaño puede utilizarse como transformador principal en centrales térmicas, hidroeléctricas y nucleares. También puede emplearse como transformador principal en subestaciones de ultra alta o extra alta tensión, o como subestación de captación y elevación de tensión en grandes parques de energías renovables.

¿Cómo dimensionar un transformador trifásico?

Dimensionar un transformador trifásico significa seleccionar una potencia nominal en kVA/MVA y una tensión nominal que puedan alimentar la carga de forma segura.

Determinar la potencia de carga

Determinar la potencia de carga es el paso más fundamental y crucial. En este paso, es necesario calcular la potencia aparente total (kVA) requerida por todos los dispositivos de carga, en lugar de la potencia activa (kW).

Primero, debes enumerar todas las cargas que alimentará el transformador. Los parámetros clave de estas cargas incluyen la potencia nominal (kW) y el factor de potencia (FP). Luego, también debes convertir la potencia de cada carga a kVA. Para cargas trifásicas, puedes usar la fórmula: carga (kVA) = potencia activa de la carga (kW) / factor de potencia (FP).

Cabe señalar que no todos los dispositivos funcionan a plena capacidad simultáneamente. Por lo tanto, es necesario seleccionar un factor de demanda inferior a 1, basado en los estándares del sector o en la experiencia operativa real, y multiplicarlo por la carga total conectada. Finalmente, se suman los valores de kVA de todas las cargas para obtener el valor mínimo de kVA requerido para la ejecución actual.

Añadir crecimiento futuro y margen

Como activo a largo plazo, los transformadores no pueden operar a plena carga (100%) durante mucho tiempo, ya que esto acortaría su vida útil y aumentaría las pérdidas. Por lo tanto, es necesario reservar un cierto margen para una operación segura, generalmente entre 10% y 15%.

También es necesario considerar el desarrollo a largo plazo de los transformadores trifásicos. Según la planificación de su empresa o proyecto, estime el posible aumento de la carga en los próximos años. En general, se prevé que el margen de beneficio aumente entre 20% y 30% en el futuro.

Por lo tanto, puede calcular su requerimiento total de capacidad, kVA = demanda operativa actual * (1 + crecimiento futuro % + margen de seguridad %)

Seleccione los voltajes primario y secundario.

En esta etapa, es necesario elegir el voltaje de acuerdo con la fuente de alimentación y la carga. El alto voltaje de entrada en el lado primario generalmente viene determinado por la red eléctrica. Los voltajes comunes en Norteamérica son de 12,47 kV, 4,16 kV, etc., mientras que en China son de 10 kV, 35 kV, 110 kV, etc.

La tensión secundaria, es decir, la tensión de salida baja, suele estar determinada por los equipos eléctricos de la fábrica o edificio. Los estándares comunes en Europa y China son 400 V/230 V, mientras que en Norteamérica son 480 V/277 V y 208 V/120 V. Además, es necesario verificar si el transformador cuenta con un cambiador de tomas, que permite una mejor adaptación a las fluctuaciones de la tensión de la red.

Calcular la corriente a plena carga

Calcular la corriente a plena carga permite proteger mejor los interruptores, los cables y los equipos de calibración. La fórmula que se suele utilizar es: corriente a plena carga (amperios) = kVA * 1000 / (voltaje (voltios) * √3).

Cabe señalar que √3 suele tomar el valor de 1,732. Además, es necesario calcular las corrientes en el lado primario y en el lado secundario, respectivamente, y utilizar los resultados calculados para seleccionar los dispositivos correspondientes en cada lado.

Seleccione la conexión del transformador

Es necesario elegir la configuración de bobinado adecuada, ya que afectará la disponibilidad de voltaje y la mitigación de armónicos. A continuación, se muestran configuraciones de bobinado comunes.

 

Conexión	Lado primario/alto	Lado secundario/bajo	Características clave y aplicación
Delta-Estrella (Δ-Y)	Delta	Wye	Es la conexión más utilizada. El lado secundario proporciona un punto neutro estable para cargas monofásicas y motores trifásicos. Esta conexión ayuda a suprimir el tercer armónico y es adecuada para sistemas de distribución modernos.
Delta-Delta(Δ-Δ)	Delta	Delta	Se utiliza para cargas industriales trifásicas puras, como motores grandes y equipos rectificadores. No presenta problemas de corriente circulante de tercer armónico, pero carece de punto neutro.
Yye-Wye(YY)	Wye	Wye	Se utiliza frecuentemente en sistemas industriales antiguos. Es sensible a cargas trifásicas desequilibradas y a cambios en el punto neutro. Es adecuado para situaciones donde predominan las cargas trifásicas y las monofásicas son pequeñas y equilibradas.
Estrella-Delta (Y-Δ)	Wye	Delta	Los transformadores reductores, comúnmente utilizados en subestaciones, reducen la alta tensión a media tensión. No tienen punto neutro en el lado secundario.

 

NotaPara la mayoría de las instalaciones de distribución de energía en edificios industriales y comerciales, la configuración preferida es la de conexión Delta-Estrella (Δ-Y).

Seleccione la clasificación estándar del transformador.

Los transformadores deben fabricarse de acuerdo con la serie de capacidad estándar, y esta no puede personalizarse arbitrariamente. En general, puede buscar el tamaño de transformador trifásico estándar que más se ajuste a sus necesidades de capacidad.

Según la serie estándar IEC (kVA): 75 kVA, 100 kVA, 125 kVA, 160 kVA, 200 kVA, 250 kVA, 315 kVA, 400 kVA, 500 kVA, 630 kVA, 800 kVA, 1000 kVA, etc. Por ejemplo, si su requerimiento de capacidad es de 145,6 kVA, deberá encontrar un transformador de mayor tamaño y más cercano al estándar. Por lo tanto, en última instancia, puede seleccionar un transformador de 160 kVA que cumpla con las normas IEC.

Por último, también es necesario recalcular la corriente nominal a plena carga del transformador en función de su capacidad nominal finalmente seleccionada para proteger los aparatos eléctricos.

Con base en este método, se puede determinar el tamaño óptimo, tanto desde el punto de vista técnico como económico, del transformador trifásico. Además, es necesario cumplir con las normas de diseño eléctrico nacionales y locales. Se recomienda realizar la revisión y confirmación final con un ingeniero eléctrico profesional.

¿Qué factores influyen en el tamaño de un transformador trifásico?

Carga total

Este es el factor más directo que determina el tamaño del transformador. Las áreas de la sección transversal del núcleo y los devanados aumentarán a medida que aumente la carga. Por cada duplicación de la capacidad (kVA), el tamaño y el peso del transformador aumentarán aproximadamente al doble de su tamaño original.

Factor de potencia

Un factor de potencia bajo significa que el sistema necesita transmitir más corriente (kVA) para la misma cantidad de potencia activa (kW). Un factor de potencia bajo requiere un transformador de mayor capacidad y una sección transversal del devanado mayor. Esto también afecta el tamaño del transformador.

Tipo de carga

La capacidad nominal de un transformador se puede determinar directamente en función de la demanda de kVA de una carga lineal. Sin embargo, para las corrientes armónicas generadas por cargas no lineales, los transformadores suelen requerir diseños especiales.

Por ejemplo, utilizar una capacidad reducida aumentaría el tamaño, y utilizar una estructura de bobinado de pérdidas reducidas o incluso grupos de blindaje armónico específicos aumentaría el tamaño físico y el coste de fabricación.

Nivel de voltaje y corriente

Cuanto mayor sea la tensión en el lado primario, mayor será la distancia de aislamiento requerida. Esto implica capas de aislamiento más gruesas, mayores dimensiones del bobinado y mayor distancia de fuga, entre otros beneficios. Cuanto mayor sea la corriente en el lado secundario, mayor será la sección transversal del conductor necesario.

Expansión futura

El margen de expansión futuro aumentará el tamaño del núcleo, los devanados y el sistema de refrigeración. Esto también provocará que el transformador funcione con carga ligera, lo que reducirá su eficiencia operativa y su rendimiento económico.

Diseño y materiales

Los diferentes materiales del núcleo tendrán un gran impacto en la sección transversal y el peso del mismo. Las láminas de acero al silicio reducirán la sección transversal y el peso del núcleo manteniendo la misma capacidad.

Los diferentes materiales de bobinado también afectarán el tamaño y el costo de fabricación del mismo. Generalmente, el cobre tiene una mayor conductividad y el bobinado es más pequeño.

Los niveles más altos de resistencia al calor permiten que los transformadores soporten corrientes de carga mayores y tengan un diseño compacto.

¿Cómo elegir el tamaño adecuado para un transformador trifásico?

Un transformador trifásico adecuado determina la fiabilidad, la economía y la eficiencia operativa a largo plazo del sistema eléctrico. Este es un proyecto sistemático para usted.

Cálculo preciso de la capacidad eléctrica

Aún debes enumerar todos los equipos de carga que el transformador trifásico debe alimentar. Además, debes registrar parámetros clave como la potencia nominal y el factor de potencia de cada dispositivo.

Deberá determinar el coeficiente adecuado consultando las normas nacionales o a ingenieros o expertos del sector. A continuación, calcule la relación entre la carga total máxima del sistema y la suma de las demandas máximas de cada subsistema, basándose en dicho coeficiente.

Finalmente, la potencia activa se calcula en base a la fórmula potencia activa (kW) = Σ(potencia instalada del equipo * coeficiente requerido) * coeficiente simultáneo. Luego, se calcula la capacidad requerida, kVA = kW / factor de potencia promedio.

Como se mencionó anteriormente, calcular simplemente el tamaño necesario no es suficiente. Para garantizar la seguridad y el funcionamiento a largo plazo del equipo, también es necesario considerar el margen de seguridad futuro y la capacidad de carga óptima del transformador.

Evite simplemente sumar la potencia de los dispositivos. Una selección incorrecta del tamaño del transformador afectará el costo de su inversión, las pérdidas en vacío y el rendimiento económico.

Selección del tipo técnico apropiado de transformador trifásico

Los transformadores trifásicos se pueden clasificar generalmente en dos tipos: sumergidos en aceite y secos. Los transformadores trifásicos secos ofrecen mayor seguridad contra incendios y no requieren mantenimiento. Los transformadores trifásicos sumergidos en aceite tienen mayor capacidad de sobrecarga y generan menos ruido.

Por ejemplo, se utilizan en edificios de gran altura, instalaciones subterráneas, zonas densamente pobladas o lugares con requisitos de prevención de incendios y explosiones. Por motivos de seguridad, en estos casos deben seleccionarse transformadores de tipo seco. En subestaciones exteriores y proyectos industriales donde el costo es un factor crítico, se pueden considerar transformadores llenos de aceite.

En general, esto viene determinado principalmente por el entorno de instalación, los estándares de seguridad y los requisitos de mantenimiento.

Selección del método de enfriamiento adecuado

Si se desea optimizar el tamaño y las características operativas de un transformador trifásico, la elección del método de refrigeración también es particularmente importante.

Según las normas IEC, los métodos de refrigeración para transformadores llenos de aceite se clasifican como ONAN, ONAF y OFAF.

ONANEs sencillo, silencioso y no requiere mantenimiento. Sin embargo, su eficiencia de disipación de calor es baja y es adecuado para transformadores pequeños y medianos.

ONAFPosee una mayor capacidad de disipación de calor y un diseño de transformador más compacto. Es la opción más común para equilibrar tamaño, capacidad y costo, y resulta más adecuada para transformadores de tamaño mediano a grande.

OFAFPresenta la mayor eficiencia de disipación de calor, pero su estructura es compleja y requiere un mantenimiento elevado. Es más adecuado para transformadores grandes y extragrandes.

Los métodos de refrigeración para transformadores de tipo seco se clasifican en AN y AF.

UNFunciona silenciosamente, pero tiene una capacidad de refrigeración limitada. Adecuado para interiores con una potencia media y bajas tasas de carga.

Fuerza AéreaPermite un tamaño físico menor a la vez que se logra una mayor potencia aparente (kVA) del transformador. Es la opción preferida para ahorrar espacio interior.

Garantizar rutas de transporte y espacio de instalación adecuados.

Además de elegir las especificaciones eléctricas, también es necesario realizar una investigación exhaustiva de la ruta de transporte y personalizar un plan de transporte específico.

En función del tamaño del transformador, es necesario planificar adecuadamente el espacio de instalación. De acuerdo con las normas IEC o ISO, reserve suficiente espacio para los pasillos de mantenimiento, las distancias de ventilación y las distancias de seguridad eléctrica.

Asegúrese de que la estructura del edificio pueda soportar el peso del transformador. Asimismo, deberá determinar los métodos de entrada y salida de cables y reservar el espacio correspondiente.

Evaluación y análisis exhaustivos

Finalmente, deberá realizar un análisis del costo total de propiedad, que incluya la inversión inicial, los costos operativos, los costos de mantenimiento, etc. Además, deberá evaluar la confiabilidad de las cualificaciones del fabricante y la calidad de los componentes del núcleo del transformador.

Si en su zona existen normativas medioambientales estrictas, también deberá confirmar si el producto cumple con las normas locales obligatorias de eficiencia energética y los requisitos medioambientales.

Preguntas frecuentes

¿Por qué es tan importante el tamaño de un transformador trifásico?

El tamaño físico del transformador determina una instalación sin problemas. El tamaño del transformador (kVA) está relacionado con los costos de adquisición y la seguridad operativa. Un tamaño adecuado garantiza que el transformador funcione de manera eficiente y confiable a la carga óptima. Esto determina la selección de cables de entrada y salida, interruptores y equipos de protección, y constituye la base para el funcionamiento estable de todo el sistema de suministro eléctrico.

¿Un transformador de mayor tamaño es necesariamente más seguro?

No necesariamente. Un tamaño excesivo aumentará la corriente de cortocircuito, lo que elevará los requisitos de disyuntores y equipos de protección. Si el equipo no es el adecuado, es posible que no pueda interrumpir la corriente a tiempo durante una falla, lo que provocaría un accidente más grave. La seguridad no reside en el tamaño físico, sino en la adecuación de la capacidad y la integridad de la protección.

¿Por qué los transformadores de aleación amorfa son grandes y caros?

Su gran tamaño se debe a su densidad de saturación magnética relativamente baja. Por lo tanto, para lograr el mismo flujo magnético, es necesario aumentar la sección transversal del núcleo de hierro, lo que conlleva un incremento en su volumen y peso. Su elevado precio se debe al alto coste de los materiales, la dificultad de su procesamiento y el sobreprecio por ahorro energético. Es más adecuado para aplicaciones que operan de forma ininterrumpida durante todo el año y que priorizan el ahorro energético a largo plazo.

Reflexión final

KDM es un fabricante especializado en gabinetes eléctricos a medida, dedicado a proporcionarle gabinetes eléctricos de alta calidad. Todos nuestros productos están fabricados con materiales de primera calidad y utilizando técnicas de procesamiento avanzadas. Además, contamos con múltiples certificaciones para garantizar la seguridad y confiabilidad de sus gabinetes. Si tiene algún requisito de personalización, no dude en contactarnos. Contáctenos. Le responderemos con prontitud y le proporcionaremos una solución personalizada y satisfactoria.