Basado en cómo se aplica esto, la información del transformador/motor puede considerarse innecesaria. Esto se debe a que el transformador, que está conectado al motor a través de una conexión directa, no tiene una clasificación de aplicación de transformador listada que coincida con la placa de identificación del motor en términos de corriente, por lo tanto, tampoco proporciona una clasificación precisa del transformador. La clasificación de aplicación del transformador se basa en la cantidad de potencia aparente consumida por el motor como un inversor, y no hay indicación de ninguno de esos parámetros en la placa de identificación del motor. Se requieren dos parámetros para crear una configuración de inversor exitosa.
En conclusión, la clasificación seleccionada para el transformador de alimentación del motor debe basarse en el kVA del transformador en lugar de su clasificación en kW. Para dimensionar correctamente el transformador, se deben completar tres simulaciones; la clasificación en kVA del transformador será el doble de grande que el motor con la clasificación en kVA más alta, y 1.25 veces más grande que el total de kVA clasificados para todas las cargas conectadas al transformador. Por lo tanto, la corriente total de carga del motor no debe exceder 65% de la corriente total de carga de los transformadores. Al arrancar el motor, no debe haber una caída de voltaje que exceda el 80 al 85 por ciento del kVA del rotor bloqueado del motor dividido por el kVA de cortocircuito del transformador que se utiliza para arrancar el motor. Al utilizar cargas de variador de frecuencia (VFD), se debe utilizar un transformador clasificado K, ya que los transformadores estándar no pueden manejar las corrientes armónicas generadas por sistemas de rectificación de seis pulsos.
Por qué los transformadores están clasificados en kVA y no en kW
La clasificación se mide en potencia aparente ya que el transformador debe manejar toda la corriente independientemente de lo que esté conectado a la carga. Las pérdidas se incurren principalmente debido a la corriente (pérdida de cobre según el cálculo I²R) y el voltaje (pérdida en el núcleo), lo cual no importa si la carga es resistiva o reactiva. En el caso de un transformador de 100 kVA alimentando una carga con un factor de potencia de 0.8, proporciona 80 kW, mientras que el mismo transformador que proporciona una carga con un factor de potencia de 0.95 proporciona 95 kW de potencia. La corriente es la misma, pero el resultado es diferente.
Por eso la carga del motor tiene que convertirse a kW antes de ser comparada con la capacidad del transformador. En un motor trifásico:
kVA =√3×VL-L×I/1000
Para monofásico, elimine el √3. De cualquier manera, el cálculo es lo único que tiene que ser correcto antes de que se apliquen cualquiera de las reglas generales, y el método completo, incluyendo la suposición del factor de potencia, se desarrolla en esta guía para calcular kVA para potencia trifásica.
La razón por la que el término “dimensionado a la necesidad de kVA” es más preciso de lo que parece es que la definición incluye un valor en operación, un valor en condición de arranque y un componente armónico, y el transformador debe soportar los tres valores simultáneamente.
Los Cuatro Números que un Motor Te Da
Todo lo que viene a continuación proviene de cuatro puntos de datos, y tres de ellos están en la placa de identificación. Lo que cada uno significa en términos de clasificación es importante aquí, porque los cuatro números de un motor no son los mismos cuatro en los que se especifica un transformador; la diferencia se explica en esta visión general de lo que realmente representa la clasificación de kVA en un transformador.
| Número | De dónde proviene | Para qué se utiliza |
|---|---|---|
| Salida nominal (kW o HP) | Placa de identificación | Contexto de dimensionamiento solamente — no la carga del transformador |
| Corriente a plena carga (FLA) | Placa de identificación, o Tablas NEC 430.248 / 430.250 | kVA en funcionamiento, y el dimensionamiento del conductor 125% |
| Factor de servicio y eficiencia | Placa de identificación | Demanda de funcionamiento realista |
| Letra de código NEMA | Placa de identificación | kVA de rotor bloqueado por caballo de fuerza — la carga de arranque |
La letra de código NEMA es la que la gente omite, y es la que decide el tamaño. Expresa el kVA de rotor bloqueado por caballo de fuerza, y varía por un factor de siete a lo largo del alfabeto.
| Letra de código | kVA de rotor bloqueado por HP | Letra de código | kVA de rotor bloqueado por HP |
|---|---|---|---|
| A | 3.15 | J | 7.2–8.0 |
| B | 3.16–3.55 | K | 8.1–9.0 |
| E | 4.6–5.0 | L | 9.1–10.0 |
| F | 5.1–5.6 | M | 10.1–11.2 |
| G | 5.7–6.3 | N | 11.3–12.5 |
| H | 6.4–7.1 | P y superior | 12.6–22.4 |
El código NEMA G se refiere a motores que cumplen con los estándares de fabricación NEMA diseño B, ya que la mayoría de los motores industriales están diseñados bajo esos estándares también. El código NEMA A especifica un motor que tiene una corriente de arranque baja, mientras que los códigos N y superiores clasifican motores que ejercerán mucha tensión sobre los transformadores diseñados en base a cargas de funcionamiento.
La ecuación kVA de rotor bloqueado = HP × kVA/HP basada en el código dará un kVA en este caso de 30 kVA para un motor clasificado en 5 HP de código G, mientras que la carga de funcionamiento demanda 6.4 kVA, un factor de 5, haciendo que cualquier cálculo basado únicamente en la carga de funcionamiento sea incorrecto por este factor.
El método de arranque cambia la respuesta más que el tamaño del motor
El mismo motor ejecutado de cuatro maneras diferentes presenta cuatro casos de carga diferentes para el transformador, y es aquí donde se puede mejorar la especificación sin invertir dinero en el transformador.
| Método de arranque | Múltiplo de corriente de FLA | kVA de arranque aproximado | Compensación |
|---|---|---|---|
| Directo en línea (DOL) | 6–8× | 5–7× kVA en funcionamiento | Par de arranque completo; peor para el transformador |
| Estrella-triángulo | 2–3× | 2–3× kVA en funcionamiento | Reduce el par de arranque a aproximadamente un tercio |
| Arrancador suave | 1.5–4× | 2–3× kVA en funcionamiento | Rampas ajustables, menor estrés mecánico |
| VFD | 1–1.5× | 1–1.5× kVA en funcionamiento | Las armónicas obligan a un transformador clasificado K |
En términos simples, instalar un VFD en un motor de conexión directa puede reducir significativamente la necesidad de transformadores y resultar en costos que, la mayor parte del tiempo, son más bajos que el siguiente transformador más grande disponible. Esta es la razón por la cual la técnica de arranque debe ser considerada al dimensionar, no solo al elegir el panel de control.
El problema proviene de pensar en la tecnología VFD como una forma de reducir el tamaño del transformador. Si bien la tecnología elimina el problema de la corriente de arranque, crea el problema de las armónicas. Un transformador estándar de 15 kVA se sobrecalentará debido a las 5ª y 7ª armónicas mucho antes de que el transformador alcance su capacidad nominal. En este caso, se debe usar un transformador clasificado K en lugar de uno más grande.
Las Tres Reglas de Dimensionamiento, y de Dónde Proviene Cada Una
Se emplean tres pautas en el campo y abordan preocupaciones únicas, mientras que un buen diseño respeta las tres.
- La pauta de 2×. Establece que el kVA del transformador debe ser al menos 2 veces mayor que el kVA en funcionamiento del motor más grande. Esta es la regla básica fáctica en el campo que tiene en cuenta el aumento de rotor bloqueado en un arranque directo, el arranque simultáneo de ejes o auxiliares, y la impedancia del transformador que causa caída de voltaje antes de que el motor comience a girar.
- La regla 1.25×. Establece que el kVA del transformador debe ser al menos 125% de la carga total de kVA conectada. Esto previene la sobrecarga del transformador si todo está encendido.
- La regla 65%. Establece que la corriente de carga completa del motor no debe exceder aproximadamente 65% de la corriente de carga completa del transformador.
Así que toma el valor más grande de los dos anteriores y aplica la regla número 3. La regla 2 se aplica en casos de un motor principal, mientras que la regla 1 se aplica si hay muchos motores pequeños.
| Motor | kVA en funcionamiento (aprox.) | regla 2× | Tamaño práctico de stock |
|---|---|---|---|
| 7 kW / 5 HP | ~5 kVA | 10 kVA | 10 o 15 kVA |
| 5 kW / 7.5 HP | ~7 kVA | 14 kVA | 15 kVA |
| 5 kW / 10 HP | ~10 kVA | 20 kVA | 20 o 25 kVA |
| 11 kW / 15 HP | ~14 kVA | 28 kVA | 30 kVA |
| 15 kW / 20 HP | ~19 kVA | 38 kVA | 45 kVA |
| 22 kW / 30 HP | ~28 kVA | 56 kVA | 63 o 75 kVA |
Siempre toma el siguiente tamaño estándar más grande después de eso. La diferencia de precio entre un tamaño de kVA y el siguiente es pequeña en comparación con el costo de los transitorios de cambio de herramienta, sistemas regenerativos de aceleración/desaceleración y futuras actualizaciones de motor.
Ejemplo trabajado: 5 HP, Monofásico, Carga de Alta Inercia
Un motor monofásico de cinco caballos de fuerza (5 HP), 230 voltios (V) que alimenta un compresor de pistón. Debido a la inercia de los compresores, el motor permanece en el estado de rotor bloqueado durante varios segundos antes de volverse operativo.
- Corriente de funcionamiento. El Código Eléctrico Nacional (NEC) Tabla 430.248 especifica una corriente de operación de veintiocho amperios (28 A) para el motor monofásico de 5 HP, 230 V.
- kVA de funcionamiento. La fórmula es 230 voltios multiplicados por veintiocho (28 A) dividido por 1000 da como resultado kVA igual a seis punto cuarenta y cuatro (6.44 kVA).
- Verificación de placa de identificación. El Código de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) es G, lo que significa que requiere de cinco punto siete a seis punto tres kVA por cada caballo de fuerza. Se deben seleccionar seis (6) kVA como promedio.
- kVA de rotor bloqueado. kVA igual a cinco HP multiplicado por seis kVA que es igual a treinta kVA.
- Prueba en un transformador de siete punto cinco (7.5) kVA. La impedancia es de cuatro punto cinco por ciento (4.5%), por lo tanto, el kVA de cortocircuito sería siete punto cinco dividido por cero punto cero cuatro cinco igual a ciento sesenta y siete kVA. La caída de voltaje es igual a treinta dividido por ciento sesenta y siete igual a dieciocho (18%).
- Prueba en un transformador de quince (15) kVA. El kVA de cortocircuito es quince dividido por cero punto cero cuatro cinco, lo que equivale a trescientos treinta y tres (333 kVA). La caída de voltaje es igual a treinta dividido por trescientos treinta y tres igual a nueve (9%).
- El tema de la regla 65% es importante. La corriente de carga completa del transformador en el caso de un transformador de quince (15 kVA) es de sesenta y cinco amperios (65 A). La corriente de carga completa del motor es de veintiocho amperios (28 A), lo que significa que es el cuarenta y tres por ciento (43%) de la otra.
El resultado de la carga en funcionamiento mostraba que el transformador de siete punto cinco (7.5 kVA) funciona bien, pero la carga de arranque requiere el transformador de quince (15 kVA). La diferencia entre los dos es el punto básico de los argumentos.
Una advertencia sobre los cálculos: la caída de voltaje se puede calcular utilizando la fórmula Vd = (el kVA de arranque dividido por el kVA de cortocircuito del transformador multiplicado por 100). Un transformador que tiene la impedancia por unidad de cuatro punto cinco (4.5) tiene la capacidad de cortocircuito aproximadamente veintidós veces mayor que su capacidad, lo que permite que el kVA de arranque de treinta (30 kVA) funcione perfectamente bien, utilizando el transformador de quince kVA. Dos transformadores de la misma capacidad en kVA pueden causar diferentes caídas de voltaje debido a las diferentes tasas de impedancia.
Ejemplo trabajado: 10 HP, Trifásico, en un VFD
Un motor trifásico clasificado en 10 HP, 460 V y 14 A de corriente de carga completa con un VFD está en funcionamiento.
- La fórmula para calcular el kVA en funcionamiento es kVA en funcionamiento = 1.732 × 460 × 14 ÷ 1,000 = 11.16 kVA.
- Cuando el motor se inicia utilizando el VFD, limita la corriente de arranque a 1-1.5 veces la corriente de carga completa, dando así un kVA de arranque en el rango de 11–17 kVA.
- La regla de que se sigue un factor de seguridad de 2× para los transitorios, es por eso que 2× 11.16 = 22 kVA se utiliza en este caso. Por lo tanto, el kVA real del transformador utilizado será de 25 kVA.
- El problema armónico tomará su lugar. El rectificador de 6 pulsos está produciendo una corriente distorsionada que tiene fuertes armónicos de 5 y 7. Por lo tanto, el transformador correspondiente debe estar clasificado como K.
- Uno debe asegurarse sobre el cable neutro. Los armónicos triplenos se acumulan en el neutro y no se cancelan entre sí, por lo tanto, la clasificación K correspondiente de un transformador debe ser 200%.
Caída de Voltaje: La Restricción que Realmente Decide
Es posible que un transformador sea térmicamente suficiente pero aún así no funcione correctamente en la aplicación porque los criterios limitantes dependen de si el motor puede hacer su trabajo o no. Un motor NEMA Design B puede extraer de 5 a 7 veces la corriente de carga completa cuando está bloqueado, pero disminuye una vez que comienza a girar. Si la impedancia combinada del alimentador y el transformador mantiene el voltaje del motor por debajo de 80% del valor nominal, el par de ruptura fallará y causará que el motor se detenga.
Usar opciones más suaves puede ayudar a resolver el problema, dado que ubicar el transformador cerca del motor reducirá la longitud del alimentador y disminuirá la impedancia total. Al aumentar el tamaño del transformador, es importante darse cuenta de los ahorros de costos que resultan de eso. Además, el método de arranque también está entre las soluciones económicas cuando el método de arranque aplicado es un arrancador suave (2 a 4 veces FLA) y VFD (1 a 1.5 veces FLA) utilizados en su lugar.
El número de caída aceptable se basa en el equipo a continuación. Los motores pueden experimentar una caída de alrededor del 15 al 20 por ciento, que pueden soportar. En cuanto a un VFD, encontrará la situación mucho más desafiante donde la caída de voltaje es de alrededor del 10 al 15 por ciento. Por lo tanto, en caso de que el VFD y el motor utilicen el mismo transformador, es mejor cumplir con el requisito más estricto.
Comprobando un transformador que ya tiene
La mayoría de las veces, los proyectos de modernización no comienzan desde cero. La tarea suele ser si el transformador disponible puede soportar un motor más o no.
- Primero verifique el kVA de la placa de identificación y la impedancia (no sus valores asumidos).
- A continuación, acumule el kVA en funcionamiento de toda la carga en el lado secundario, incluyendo el nuevo motor.
- Luego calcule el kVA de rotor bloqueado del motor más grande de acuerdo con su letra de código de arranque.
- Proceda a calcular la caída de voltaje de acuerdo con el kVA de cortocircuito del transformador.
- Luego verifique si se cumple la regla de corriente 65% para la carga total conducida.
- Por último, verifique el margen térmico en el ciclo de trabajo anticipado, no en un solo punto.
Cuando y si la respuesta es límite, puede decidir tomar uno de los tres pasos posibles: cambiar el método de arranque, instalar un transformador separado para el nuevo motor o acordar trabajar bajo un ciclo de trabajo reducido. Lo que no puede hacer es suponer que el transformador actual tiene capacidad sobrante solo porque aún no ha fallado; los tipos de degradación del aislamiento son imperceptibles, pero el resultado generalmente sigue durante la próxima temporada de calor. La versión formal de esa evaluación se establece en este método para determinar si un transformador cumple con los requisitos de capacidad.
Margen térmico y la regla de 80%
Los transformadores se operan típicamente alrededor del 80% de su capacidad nominal para operación continua, lo que permite variaciones en las condiciones ambientales, pérdidas por armónicos y sobrecargas ocasionales. Esta es la esencia de la “regla de 80%” del diseño de transformadores.
Esta regla es más relevante al tratar con motores que con cargas continuas, como en el caso de los motores. La operación de cargas de motor consiste en ciclos. Por ejemplo, una herramienta de máquina trabaja con una carga promedio de 60%, mientras que hay picos de 150% durante un corte pesado; un compresor opera a 100% hasta que el reservorio está lleno, y luego funciona en vacío. Así, todos los escenarios anteriores no pueden ser descritos con un solo parámetro matemático. Es por esta razón que el modo de ciclo generalmente determina una mejor ingeniería térmica en lugar de la clasificación en kVA — está acompañado de un menor aumento de temperatura, mejor enfriamiento y el diseño del devanado del motor adaptado para operación cíclica. De dónde proviene ese margen y cómo se construye se cubre en esta nota sobre mejorar la capacidad de sobrecarga y estabilidad del transformador.
La compra de margen al disminuir la impedancia también tiene sus limitaciones. Reducir la impedancia disminuye la caída de voltaje, pero por otro lado, aumenta la corriente de falla en el secundario, aumentando así la clasificación de cada dispositivo en los circuitos posteriores. El equilibrio se alcanza, generalmente en algún lugar alrededor de 4–6% en el caso de transformadores de distribución de tipo seco.
Qué Incluir en la Especificación
Un transformador de alimentación de motor que pueda hacer frente a ocurrencias de la vida real debería consistir en lo siguiente:
- Clasificación en kVA calculada utilizando las tres reglas y redondeada a la clasificación de voltaje más cercana disponible.
- Voltaje primario y secundario y rango de tomas necesarios.
- Impedancia explícitamente indicada — 4% o 6% cambia considerablemente el cálculo de la caída de voltaje.
- Grupo vectorial y conexión a tierra que coincidan con el variador y el arreglo de puesta a tierra.
- Factor K en el caso de cualquier VFD utilizado — K-4 como mínimo, y K-13 para cargas dominantes por el variador.
- La especificación de la clase de aislamiento y el aumento de temperatura realizada con aislamiento de Clase H y aumento de grado F o B en el caso de deber cíclico del motor involucrado.
- La clasificación neutra debe establecerse en 200% para unidades clasificadas K.
- Declaración de carga y sobrecarga hecha para cualquier cosa además de la placa de identificación.
Dos elementos aquí son muy a menudo omitidos. El primer elemento es la impedancia que se deja al proveedor, de modo que ocurre un cambio importante en la operación de arranque. El segundo elemento es el factor K que se pasó por alto debido al hecho de que el variador fue especificado por otra persona por separado del transformador seis meses después.
Para un variador de motor de media tensión en suministro de 6-10 kV, generalmente es un tipo seco de resina fundida, ya que se encuentra en una sala de planta y no transporta aceite al edificio. Las clasificaciones, la construcción del devanado y las opciones de envoltura para esa clase de unidad se establecen en este rango de transformadores de distribución de tipo seco de resina fundida para servicio de 6–10 kV.
Preguntas Frecuentes
¿Cuáles son los tamaños estándar de kVA para transformadores?
Se utilizan dos formas de escalera. El método IEC sigue un método R10 de aproximadamente 25% para cada incremento, que son valores aceptables 100, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1,000, 1,250, 1,600, 2,000 y 2,500 kVA. El método norteamericano sigue 15, 30, 45, 75, 112.5, 150, 225, 300, 500, 750, 1,000, 1,500, 2,000 y 2,500 kVA. Hay dispositivos de baja potencia en ambas escaleras de 10 a 50 kVA, lo que hace imposible controlar el posible rango en diferentes mercados con el mismo requisito: por ejemplo, el nivel de 45 kVA puede indicarse en una región, mientras que en otra – en 50 kVA.
¿Por qué se dimensionan los transformadores en kVA?
Porque la corriente no conoce el transductor de carga que se ve afectado directamente debido a la corriente instantánea con el tiempo y el voltaje; lo que significa esto también. En la principal preocupación de todas las clasificaciones, todo kVA es la potencia aparente estatutaria de la clasificación del equipo sin una condición de sobrecalentamiento. Al comparar cualquier motor y clasificaciones de transductores, esta es también la razón ideal por la cual la clasificación en kW del motor debe convertirse en kVA.
¿Qué clasificación de kVA se requiere para un transformador?
Seleccione cualquiera de las dos cantidades que sea mayor: el doble del kVA máximo de cualquier motor utilizado, o 1.25 veces la carga total en kVA. Después, asegúrese de que la corriente de carga completa del motor sea aproximadamente 65% o menor que la corriente de carga completa del transformador y verifique que la caída de voltaje durante el proceso de arranque no caiga por debajo del 80-85% de su valor nominal. Para los VFD, introduzca un requisito para el factor K. Luego redondee la cifra al tamaño estándar más cercano.
¿Cuál es la regla 80% para transformadores?
La práctica estándar es que al operar un transformador de manera continua, no debe cargarse a más del 80% de su clasificación en kVA; menos del 80% del kVA nominal permitiría un margen suficiente para temperaturas ambientales extremas (que se considera que la temperatura estándar es de 30 °C), pérdidas armónicas causadas por cargas no lineales y sobrecargas a corto plazo. En este caso, se refiere a un consejo más que a un código, ya que el límite real es la temperatura del devanado del transformador, lo que significa que la clase de aislamiento y el aumento de temperatura son tan importantes como el valor de kVA.
Referencias
- NFPA — NFPA 70 Código Eléctrico Nacional, Artículo 430 circuitos de motores y Tablas 430.248 / 430.250
- NEMA — letras del código de la placa del motor y clasificaciones de kVA de rotor bloqueado por caballo de fuerza
- Eaton — orientación sobre dimensionamiento de transformadores, selección de K-factor y aplicación de pérdidas armónicas
- Schneider Electric — datos de especificación de transformadores de tipo seco y orientación sobre dimensionamiento de carga de motores
- Electrical Engineering Portal — dimensionamiento de transformadores y cálculo de caída de voltaje para el arranque de motores grandes
- UL Solutions — transformadores de tipo seco UL 1561 y clasificaciones de K-factor reconocidas
- Comisión Electrotécnica Internacional — serie IEC 60076 para transformadores de potencia e IEC 60034 para máquinas rotativas
- Departamento de Energía de EE. UU. — orientación sobre sistemas de motores y eficiencia de transformadores
Conclusión
Los transformadores se seleccionan en función de su capacidad en kVA, y se tiene cuidado al seleccionar el transformador adecuado que considere no solo el tamaño en kVA del motor eléctrico, sino también su tipo de aplicación (cómo se iniciará) y características de operación. La nueva clasificación de kVA transformada debe reflejar el valor total en kVA del motor, incluyendo todas las fuentes de energía eléctrica (por ejemplo, corrección del factor de potencia/potencia reactiva) y kVA de rotor bloqueado (o la condición de operación ‘peor caso’). Al comparar esto con motores de inducción estándar, que típicamente utilizan el método de reemplazo de dos puntos (para clasificación en kVA y rotores bloqueados), también hay otro tipo de kVA, la corriente armónica basada en el ‘K-factor’ de un VFD. Al calcular la capacidad en kVA, también debemos considerar una caída de voltaje, ya que esto puede ocurrir (a pesar de que el transformador sea térmicamente capaz) y podría resultar en un voltaje terminal insuficiente para arrancar el motor. Esto se aplica a motores eléctricos que van desde 5HP hasta 500HP o más.