En un escenario típico, un técnico de HVAC contacta a los expertos para compartir sobre una nueva unidad de techo con una clasificación de voltaje de 230 voltios, pero ha estado recibiendo un suministro de voltaje constante de solo 208 voltios, causando desconexiones frecuentes del compresor debido a la caída de voltaje. La solución resulta ser una tarea bastante simple que toma 20 minutos y cuesta alrededor de $200; hay un dispositivo simple, una pequeña caja atornillada junto al desconector que aumenta el voltaje a 230 voltios, conocido como transformador buck-boost. Los transformadores buck-boost no se entienden bien y son bastante confusos, ya que tienen un aspecto compacto similar al de un transformador, pero no funcionan de la misma manera.
Esta publicación sirve como una guía práctica para entender los posibles problemas resueltos por los transformadores buck-boost, el funcionamiento de un autotransformador, la capacidad de un transformador de 1kVA para soportar una carga de 9.5kVA, los principios de funcionamiento de los transformadores buck-boost en sistemas monofásicos y trifásicos, su construcción basada en la diferenciación entre transformadores de aislamiento, transformadores de distribución y otros problemas relevantes que enfrentan los usuarios, incluyendo el potencial aumento de voltaje debido al neutro abierto en sistemas de cuatro hilos existentes.
En conclusión, un transformador buck-boost es un tipo de autotransformador que se utiliza para hacer pequeñas variaciones en el voltaje (del 5 por ciento al 20 por ciento, por ejemplo, de 208 V a 230 V o de 240 V a 208 V) que se utiliza típicamente para equipos eléctricos como motores, equipos de HVAC o electrodomésticos de fabricación extranjera. En la mayoría de los casos, solo el cambio en el voltaje se transmite a los devanados del transformador; esto se debe a que la clasificación en kVA del transformador se calcula en función de la diferencia entre el voltaje de salida y el voltaje secundario regular, lo que significa que un transformador de kVA que opera a 208 voltios y aumenta a 230 voltios puede operar a una carga de aproximadamente 9.58 kVA. El transformador buck-boost opera de manera muy eficiente (97 a 99 por ciento) y se asume que tiene una vida útil de 20 a 30 años, mientras que no tiene aislamiento, así como un rango de estabilización de voltaje bajo.
Lo que realmente hace un transformador Buck y Boost
Dos tareas y un solo nombre definen el dispositivo porque es la misma unidad con dos diferentes arreglos de cables.
- El término boost se refiere a la provisión de voltaje. Los devanados secundarios están cableados en fase con el primario para obtener salida como entrada y el voltaje a través del devanado. Por ejemplo, el suministro de 208 voltios cambia a 232 voltios cuando hay 24 voltios en la bobina secundaria.
- Buck se refiere a deshacerse del voltaje. Las bobinas secundarias están cableadas en reversa, y la salida se obtiene restando el voltaje del devanado del voltaje de entrada. Al conectar 240 voltios al equipo, el voltaje de salida sería de 208 voltios cuando hay 32 voltios en el devanado y así sucesivamente.
Este es el concepto completo. Funciona bajo el principio de ajuste de voltaje. Bajo este principio de operación, no se crea energía, ni hay cambios en la frecuencia o fase. La principal ventaja de tener el dispositivo es que la distribución de voltaje en América del Norte no está estandarizada cuando las personas piensan de manera diferente. En América del Norte, los valores nominales de voltaje como 208 V, 240 V, 480 V o 600 V se refieren a un rango de voltajes basado en la posición de los tapones del transformador, la longitud de las líneas de energía y la condición de carga. Por ejemplo, un edificio ubicado a una mayor distancia de la estación de energía puede tener un voltaje de 197 V cuando la carga es pesada y puede tener 213 voltios cuando es ligera.
Si deseas el vocabulario que rodea estas clasificaciones — relación de vueltas, impedancia, aumento de temperatura, tapones — especificaciones de transformadores explicadas vale la pena leer antes de especificar cualquier cosa, porque un buck-boost se especifica de manera diferente a cualquier otro transformador en el catálogo.
Por qué un Buck-Boost de 1 kVA puede soportar 9.5 kVA
Esta es la sección que más confunde a los compradores y también es la razón por la cual los transformadores buck-boost pueden parecer bastante pequeños para el trabajo que realizan.
En los transformadores de aislamiento, toda la potencia de carga se transforma mediante el núcleo magnéticamente. Esto significa que la carga de 10 kVA requiere un transformador de 10 kVA. Sin embargo, en un autotransformador, la carga de los devanados primario y secundario se realiza con un devanado para ambos. Vale la pena señalar que solo la diferencia de voltaje sufre conversión, ya que la máxima potencia eléctrica pasa de entrada a salida sin conversión alguna. La fórmula práctica aquí sería:
Carga kVA = Transformador kVA × (Voltaje de salida ÷ Voltaje nominal secundario)
Un ejemplo simple sería el caso de alimentar 208 V con el buck-boost de 1 kVA con un secundario de 12/24 V conectado para 24 V.
La lógica se lee de la siguiente manera:
230 ÷ 24 = 9.58, lo que significa que el transformador de 1 kVA funciona para una carga de 9.58 kVA. Vale la pena notar cómo la caja de 27 lb opera bajo la carga que, en otros casos, requeriría un transformador de aislamiento de 10 kVA.
El mismo principio también es aplicable al hacer bucking. Si usas el mismo dispositivo pero reduces 240 V a 208 V, te dará 208 ÷ 24 = 8.67, lo que proporciona 8.67 kVA de carga del dispositivo de 1 kVA.
| Aplicación | Entrada → Salida | Devanado utilizado | Multiplicador | Carga del unidad de 1 kVA |
|---|---|---|---|---|
| Aumento HVAC / motor | 208 V → 230 V | 24 V | 9.58× | 58 kVA |
| Aumento a 240 V | 208 V → 240 V | 32 V | 7.50× | 50 kVA |
| Reducción a 208 V | 240 V → 208 V | 32 V | 6.50× | 50 kVA |
| Reducción a 208 V | 240 V → 216 V | 24 V | 9.00× | 00 kVA |
| Reducción de maquinaria importada | 480 V → 380 V | 100 V | 3.80× | 80 kVA |
| Reducción de suministro de motor | 480 V → 460 V | 20 V | 23.0× | 00 kVA |
La última línea es la razón por la cual los transformadores buck-boost se pueden encontrar en casi todas las viejas plantas industriales. La caída de 480 V a 460 V para igualar el voltaje de la placa del motor es una disminución de 4%, lo que resulta en un enorme multiplicador y una unidad muy pequeña.
El dimensionamiento correcto significa ir en la dirección opuesta a cómo se dimensionan los transformadores. La kVA de carga requerida se basa en la carga real conectada porque cometer este error puede multiplicar ese error. El funcionamiento continuo frente al no continuo y la corriente de arranque del motor definen si el dispositivo funciona frío o caliente.
Los sistemas monofásicos y trifásicos se comportan de manera diferente.
Para proporcionar un suministro trifásico, los transformadores buck-boost están conectados entre sí, donde el medio adecuado de conexión depende en gran medida de la configuración del transformador.
Un circuito trifásico en delta de tres hilos consiste en dos dispositivos monofásicos conectados para dar una configuración de delta abierta. Este arreglo permite la utilización típica de fase en dos unidades mientras se deriva la tercera fase, lo cual es aceptable en caso de que se utilice una carga equilibrada. Sin embargo, las cargas desequilibradas pueden llevar a fallos en la tercera fase, por lo tanto, asegúrese de realizar una evaluación adecuada de la carga antes de continuar con este diseño.
Un circuito trifásico en estrella de cuatro hilos no ofrece ninguna ventaja eléctrica al usar dos transformadores monofásicos en operación. De hecho, un arreglo de delta abierta no funcionaría en un sistema de cuatro hilos, que incluye la gran mayoría de las cargas de 120 V suministradas desde un panel de 208Y/120 V. En un sistema de 208Y/120 V, cuando las tres fases son aumentadas por 24V y convertidas a 232Y/134 V, se proporciona un voltaje inaceptable entregado a la carga, es decir, 134 V a la unidad, lo cual no cumple con los estándares de desviación de 10% de las tolerancias establecidas por la mayoría de las empresas al trabajar con transformadores buck-boost.
Evaluar las cargas del motor considerando el transformador buck-boost requiere verificar la rotación de fase según el tipo de equipo y la corriente de arranque según el tipo de corriente de inrush que se esté utilizando. El autotransformador permite evitar la enorme cantidad de daños de arranque mediante el paso proporcional de inrush. Como resultado, el subdimensionamiento del transformador puede ser perdonado en el caso de operación con generador.
El trabajo trifásico en general es donde una unidad diseñada a medida suele ganar. Subian fabrica transformadores trifásicos para exactamente los casos donde un delta abierto de dos pequeñas unidades buck-boost deja de ser la respuesta sensata — cuando la carga es desequilibrada, cuando la corrección excede 20%, o cuando necesita un neutro que funcione correctamente.
Cómo los transformadores Buck-Boost difieren de otros transformadores.
| Propiedad | Buck-boost / autotransformador | Transformador de aislamiento | Transformador de distribución |
|---|---|---|---|
| Relación de bobinado | Compartido (autotransformador) | Primario y secundario separados | Primario y secundario separados |
| Cambio de voltaje típico | 5–20% | Cualquier relación | Cualquier relación, fija |
| kVA para una carga dada | Pequeña fracción de kVA de carga | Igual a kVA de carga | Igual a kVA de carga |
| Aislamiento galvánico | Ninguno | Sí | Sí |
| Manejo del neutro | No crea un nuevo neutro | Puede crear un sistema derivado por separado | Puede crear un sistema derivado por separado |
| Atenuación armónica | Ninguno | Alguna | Alguna |
| Rango de tamaño típico | 05–10 kVA monofásico | 5 kVA a varios cientos de kVA | 15 kVA a 10 MVA+ |
| Costo típico | $80–$2,500 | $400–$15,000 | $2,000–$200,000 |
Lo que hace la diferencia en funcionalidad es el neutro. El transformador buck-boost no suministra un nuevo neutro y no proporciona un sistema derivado por separado. Este transformador solo altera el voltaje del sistema existente. Mientras tanto, el transformador de distribución genera un sistema completamente nuevo, que también tiene su propio punto de conexión a tierra y unión. Si necesita un sistema delta de 480 V convertido a un sistema 208Y/120 V con un neutro adecuado, necesita un transformador de distribución — la física de cómo se construyen los transformadores de distribución y dónde se sitúan en la red es un ejercicio de diseño completamente diferente.
Pongámoslo de manera simple: la aislamiento es vital cuando se necesita. Un transformador buck-boost no previene que ninguna perturbación del lado primario llegue a la carga y no reduce la corriente de falla ni ayuda a interrumpir un bucle de tierra. En caso de que su compra esté impulsada por alguno de los problemas relacionados con ruido, picos o bucles de tierra y no por desajuste de voltaje, está en el lugar equivocado.
Los inconvenientes que debe conocer antes de comprar
Los transformadores buck-boost hacen un trabajo específico bien. Los problemas surgen cuando estos dispositivos se utilizan para algo diferente a ese trabajo específico.
- Sin aislamiento, la contención de fallas se pierde. Dado que los devanados son comunes, un cortocircuito en cualquiera de los lados puede aplicar el voltaje primario a la carga. Esto explica por qué los autotransformadores no se utilizan en ciertas situaciones y que los transformadores buck-boost no son apropiados para proporcionar energía a personal y equipos sensibles a menos que se emplee un nivel adicional de protección.
- Problemas asociados con neutro abierto en sistemas de cuatro hilos. Este es un gran problema. Cuando los transformadores buck-boost se utilizan en un sistema trifásico de cuatro hilos y el neutro se afloja en el lado de entrada, el voltaje se redistribuirá, y el secundario verá un aumento de voltaje por encima de lo normal. El equipo diseñado para 230 V puede ser destruido por 300 V de esta manera. Si los transformadores buck-boost están conectados a un sistema wye, la neutralidad será un problema de seguridad importante en lugar de un detalle menor.
- Requisitos del NEC respecto a circuitos de rama y alimentadores. NEC 450.4 requiere que los transformadores tengan protección contra sobrecorriente, y eso se aplica a los autotransformadores. Alrededor del Artículo 210.9 y 215.11 se proporcionan requisitos únicos respecto al uso de autotransformadores en circuitos de alimentación de rama y alimentadores. La consecuencia práctica es que una instalación buck-boost necesita que el esquema de protección esté diseñado, no improvisado — la misma disciplina que evita que los transformadores fallen prematuramente se aplica aquí, y el equipo de corrección de voltaje es más sensible a ello que la mayoría, porque la ventana de falla es pequeña y las consecuencias son inmediatas.
- Debe recordarse que fuera del rango de corrección 20%, el multiplicador de kVA disminuye y la economía se invierte. Esto significa que si deseas aumentar 208 voltios a 277 voltios (corrección 33%), terminas con un multiplicador de 4.6, lo que significa que una carga pequeña necesitará un equipo sorprendentemente grande, en el momento en que utilizar un transformador de aislamiento se convierte en una opción más segura y económica.
- Incapacidad para convertir frecuencia. Hay una diferencia significativa: una máquina que opera a 50 Hz y se suministra con 60 Hz de América del Norte requiere un convertidor de frecuencia, no un transformador. En otras palabras, los clientes compran dispositivos buck-boost para resolver los problemas con máquinas importadas solo para descubrir que el transformador podría ser efectivo solo en la mitad de los casos.
- Calor y desclasificación. Estas unidades están generalmente construidas para soportar condiciones de Clase H (180°C) con un aumento de temperatura máximo de 115°C. Si colocas la unidad en el plenum del techo sin ninguna ventilación, reducirás su vida útil.
- Disponibilidad de dispositivos. Las unidades están disponibles a partir de aproximadamente 0.05 kVA hasta 10 kVA para aplicaciones monofásicas. Si aparecen desviaciones de los tamaños estándar, los tiempos de espera superarán los límites normales.
Dónde se instalan realmente los transformadores Buck y Boost.
La lista de aplicaciones es breve y muy precisa. Si no encuentra el problema que desea resolver en ella, debe buscar otras fuentes.
| Aplicación | Por qué se adapta el buck-boost | Tamaño típico |
|---|---|---|
| HVAC en azotea en sistema de 208 V | Placa de identificación de la unidad 230 V, la alimentación es de 208 V | 1–3 kVA |
| Coincidencia de placa de identificación del motor | Alimentación de 480 V, placa de identificación de 460 V | 5–5 kVA |
| Maquinaria europea en alimentación de 600 V o 480 V | Equipos importados de 380–400 V | 3–10 kVA |
| Ajuste de voltaje de iluminación y controles | Alimentador largo con voltaje bajo crónico | 5–2 kVA |
| Cargas trifásicas pequeñas que necesitan 480 V | Aumento de 240 V hasta 480 V | Dos unidades, delta abierto |
| Coincidencia de salida del inversor solar | Ajustando la salida del inversor al punto de interconexión | Específico del proyecto |
Se debe notar las omisiones en la lista: cualquier caso de uso de un nuevo neutro, el de aislar el sistema actual, cualquier desviación que requiera más del uno por ciento de corrección, y por último, casos con carga trifásica desbalanceada.
Costo de los transformadores Buck-Boost
Las tarifas que se muestran a continuación son las tarifas comerciales habituales para unidades monofásicas en EE. UU. y la UE, abiertas o cerradas, y están influenciadas por los desarrollos relacionados con el cobre y el acero y se espera que cambien dependiendo del momento de la compra.
| Clasificación | Precio típico | Uso común |
|---|---|---|
| 05–0.25 kVA | $60–$120 | Controles, pequeños circuitos de iluminación |
| 5 kVA | $90–$180 | Ajuste de motor único |
| 1 kVA | $150–$280 | Hasta ~9.5 kVA de carga a 208→230 V de aumento |
| 2 kVA | $250–$450 | HVAC pequeño, bombas |
| 3 kVA | $350–$600 | Unidades en azotea, maquinaria pequeña |
| 5 kVA | $500–$900 | HVAC más grande, equipos importados |
| 5–10 kVA | $900–$2,500 | Cargas pesadas monofásicas |
Si se comparan los dos dispositivos, la diferencia en términos de los respectivos gastos involucrados se hace evidente: un transformador de aislamiento o transformador de distribución de 9.58 kVA tiene un precio de varios miles de dólares y pesa más de cien libras, mientras que un transformador buck-boost de 1 kVA que realiza el mismo trabajo cuesta menos de $300 y puede ser movido por una persona. Para la mayor variedad entre clases de transformadores, cuánto cuesta un transformador eléctrico se desglosa por tipo y clasificación, y el patrón es consistente: cuanto más aislamiento y mayor la corrección, más pronunciada es la curva.
Preguntas Frecuentes
¿Cuáles son las desventajas de un convertidor buck-boost?
Hay cuatro desventajas reales. En primer lugar, no hay aislamiento entre el primario y el secundario, lo que expone la carga a la tensión primaria en caso de cortocircuito. En segundo lugar, el rango de corrección es limitado: está alrededor de 5%-20% y la eficiencia disminuye fuera de él. En tercer lugar, y lo más crítico, en un sistema trifásico de cuatro hilos, un neutro primario abierto provoca un aumento de tensión en el secundario, lo que puede dañar el equipo conectado a él. Por lo tanto, la conexión del neutro debe considerarse como importante. Finalmente, el buck-boost no puede cambiar la frecuencia ni crear un nuevo neutro o un sistema derivado por separado. En otras palabras, no puede convertir 50 Hz a 60 Hz ni generar 120 V a partir de una alimentación de 480 V en delta. Si te referías a un convertidor buck-boost DC-DC, como los que se utilizan en electrónica de potencia, la situación es bastante diferente ya que ahora tratamos con pérdidas por conmutación y EMI en lugar de problemas de transformadores.
¿Cuándo usar un transformador buck-boost?
Se debe aplicar esto en la ocurrencia de las tres siguientes situaciones: la desajuste de voltaje no es significativo (menos de 20%), la carga en sí no requiere aislamiento de la fuente, y la corrección requerida no implica crear un nuevo sistema. Un ejemplo clásico sería una carga clasificada en 230 V trabajando con una fuente de 208 V, o motores clasificados en 460 V operando en un sistema de 480 V. Otra aplicación podría ser solucionar un caso crónico de baja tensión debido a un alimentador largo, pero no se debe hacer esto donde se necesite crear un nuevo neutro, donde se requiera aislamiento, cuando sea necesaria la conversión de frecuencia, o cuando la carga sea un sistema electrónico sensible que tenga sus propios problemas de acondicionamiento.
¿Cuál es la diferencia entre transformadores buck y boost?
La diferencia en el cableado no se debe a la diferencia del producto. El transformador se llama “boost” cuando el secundario está conectado en sincronía con el primario, haciendo una suma de voltajes, y “buck” cuando el secundario está conectado de manera que cancela el voltaje. El transformador con primario de 120 × 240 V y secundario de 12/24 V será un booster de 208 V a 232 V en caso de un pedido de instalación, pero se convertirá en un bucker de 240 V a 216 V en el caso opuesto. Los fabricantes dan la misma designación en un catálogo para ambas opciones, por lo que la responsabilidad por el tipo de uso recae en el instalador, ya que él lo define. Incluso es posible reutilizar la misma máquina en el futuro porque no cambiará en absoluto.
¿Qué es un transformador buck-boost para 120 a 240 voltios?
No existe tal cosa como un transformador buck-boost que convierta 120 voltios a 240 voltios. Si alguien te dice lo contrario, esa persona está tratando de venderte algo. Un transformador buck-boost solo te da un cambio de regulación de 5% a 20%, mientras que convertir 120 voltios a 240 voltios es un delta de 100% que requiere un transformador de aislamiento 2:1, un autotransformador con una aproximación 1:1 encima, o un transformador elevador dedicado. Cuando las personas buscan esto, o quieren un transformador que funcione con una clasificación de voltaje primario de 120 V y una clasificación de voltaje secundario de 12 V o 24 V que se utiliza para hacer pequeñas correcciones, o necesitan usar un dispositivo de 240 V con solo 120 voltios de voltaje de suministro y necesitan hacer una transformación elevadora. Para resolver el último problema, asegúrate de seleccionar un transformador con una relación real de 1:2 y verifica las conexiones a tierra y neutro de la carga que se está suministrando.
Referencias
- NFPA 70 — Código Eléctrico Nacional, Artículo 450 (Transformadores y Cámaras de Transformadores), 210.9 y 215.11
- UL Solutions — Estándar UL 506 para Transformadores Especiales
- NEMA — Estándares para Transformadores, Reguladores y Reactores
- IEEE — Estándares de la Serie C57 para Transformadores y Reguladores
- Departamento de Energía de EE. UU. — Tolerancia de Voltaje de Motores y Guía de Eficiencia
- Acme Electric — Datos de Aplicación y Selección de Transformadores Buck-Boost
- Eaton — Documentación Técnica sobre Transformadores y Corrección de Voltaje
Conclusión
Un transformador buck-boost designa equipos que tratan con correcciones de voltaje en lugar de ser un transformador en el pleno entendimiento del término. Resuelve problemas de voltaje corrigiéndolo de 5% a 20% con la ayuda de equipos que cuestan mucho menos y son más pequeños que un transformador de aislamiento. La clasificación en kW de este transformador corresponde a 9.58kVA para un transformador clasificado en 1kVA, a pesar de que la situación sea que el transformador buck-boost se fabrica de acuerdo con los mismos estándares utilizados para demostrar que el aumento constante de voltaje de 33% no tiene sentido.
Al hablar sobre las ventajas de utilizar un transformador buck-boost, se debe añadir que hay tres grupos principales de problemas que deben tenerse en cuenta. En primer lugar, se debe asegurar que se elija el tamaño correcto del dispositivo del usuario final y se verifique el factor relevante, ya que incluso pequeños errores de cálculo relacionados con la carga pueden llevar a varios problemas graves. En segundo lugar, al operar en una conexión de suministro trifásica, el punto neutro del circuito inicial debe ser tratado adecuadamente, para que la conexión sea segura para el equipo. Por último, pero no menos importante, al tomar una decisión, la honestidad debe convertirse en el factor principal.