Cómo diseñar un transformador industrial

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Los transformadores son partes críticas de los sistemas de distribución de energía en todo el sector industrial. Aseguran que la cantidad correcta de energía llegue a la carga en relación con la capacidad total de la infraestructura de suministro.

Los transformadores industriales tienen un impacto significativo en el rendimiento de la distribución de electricidad y en la satisfacción de las necesidades del proceso. Un transformador construido o dimensionado incorrectamente comprometerá la eficacia y el éxito de sus operaciones y amenazará el cumplimiento normativo.

Esto es lo que debe saber sobre el diseño de transformadores industriales, incluidas las consideraciones esenciales sobre el tamaño y la selección de componentes.

Los tomadores de decisiones deben decidir entre las dos categorías principales de transformadores industriales: transformadores de tipo seco y transformadores llenos de líquido. Los factores que afectan esta decisión incluyen la ubicación, el entorno, el desembolso de costos objetivo y la configuración existente del sistema eléctrico.

Este último tipo tiene algunas desventajas a pesar de sus mayores cargas de potencia. Los transformadores de tipo seco necesitan una cobertura de seguro y sistemas de ventilación más robustos, pero su capacidad para la instalación en el sitio es una gran ventaja.

Otro paso crítico es determinar qué tipo de núcleo requerirá su transformador. Esto ocurre en dos etapas.

Aquí hay algunas pautas de selección de núcleo basadas en frecuencias operativas:

Algunos tipos de núcleo necesitan una bobina, mientras que otros no. Consulte con los fabricantes de sus componentes para asegurarse de los requisitos específicos de su aplicación.

Según Texas Instruments, un aumento de temperatura aceptable para un transformador industrial es del orden de 40-50 °C. Esto daría como resultado una temperatura interna de 100 °C como máximo. Tenga en cuenta que los núcleos más grandes reducen las tasas de aumento de temperatura dentro de los transformadores. La gestión eficaz de la temperatura es otro paso para gestionar las pérdidas de energía y garantizar una eficiencia satisfactoria.

Optimizar el tamaño de su transformador industrial nuevo o de reemplazo es fundamental para obtener costos de energía aceptables con el tiempo. Los responsables de la toma de decisiones deben asegurarse de que el transformador tenga la demanda adecuada y las capacidades nominales de carga conectadas. La carga conectada, medida en kVA (kilovoltios-amperios), siempre es mayor que la carga de demanda, pero esta última debe coincidir con la comprensión del equipo de ingeniería de las necesidades operativas.

La mejor manera de optimizar el tamaño del transformador es utilizar datos históricos. Según las pautas NEC 220.87, los ingenieros pueden usar un año de datos de carga máxima acumulados para optimizar su nuevo transformador. Si esta información no está disponible, NEC también permite el uso de datos de carga máxima medidos de 30 días. Ambos métodos requieren intervalos coincidentes de datos de requisitos de calefacción y refrigeración: un año o 30 días, respectivamente.

El costo no es la única variable afectada por el tamaño. Los transformadores que tienen el tamaño correcto, en comparación con ser demasiado grandes, reducen los impactos de los peligros de energía y el riesgo de arcos eléctricos.

Los transformadores industriales se subdividen en monofásicos y trifásicos. Los transformadores monofásicos tienen un componente de devanado primario y secundario, mientras que los modelos trifásicos necesitan tres devanados primarios y tres secundarios.

No tendrá que preocuparse por el tipo de devanado en un transformador monofásico. Sin embargo, lograr el rendimiento deseado de un transformador trifásico implica seleccionar los devanados primario y secundario correctos. Estos incluyen devanados en estrella (estrella), delta (malla) e interconectados (zig-zag).

Elija con cuidado: algunas compensaciones y ventajas están asociadas con varias combinaciones de tipos de bobinado. Por ejemplo, una configuración de conexión estrella-triángulo es mejor para transferir cargas desequilibradas y se asocia más frecuentemente con transformadores reductores. Los arreglos estrella-estrella tienen sus propias ventajas, como necesitar menos vueltas alrededor del núcleo.

Debe familiarizarse con las fórmulas utilizadas para determinar la cantidad de devanado que necesita para adaptarse a las capacidades del transformador. Un transformador con una salida de 12 voltios y 2 amperios con una entrada de 120 voltios debe usar esta fórmula. El 110 está ahí para agregar un aumento del 10% en la entrada de energía para compensar las pérdidas de energía en el sistema:

Recuerde priorizar los materiales y la artesanía de alta calidad, sin importar qué más decida durante el proceso de diseño del transformador. Hay varios efectos indeseables de una configuración incorrecta y materiales de construcción de baja calidad:

Un transformador bien construido debería ofrecer un rendimiento fiable durante una vida útil de 25 a 40 años. Los productos inferiores tendrán una vida útil más corta, comenzando con costos de mantenimiento continuo más altos y culminando con un transformador que falla antes de tiempo.

El Departamento de Energía de EE. UU. se ocupa continuamente de revisar sus estándares para el diseño de transformadores industriales, a menudo con aportes del público. Es aconsejable familiarizarse con estos requisitos de cumplimiento y protegerse de pérdidas de energía innecesarias.

El diseño de transformadores industriales comienza con la determinación de las necesidades de la operación y los parámetros básicos. Estas son las características más importantes que deberá precisar antes de comenzar el trabajo:

El voltaje primario se proporciona en el lado de entrada del transformador. El voltaje secundario es lo que emite el transformador. El voltaje de suministro y la salida requerida deben coincidir con las capacidades del transformador, por ejemplo, 415 V de entrada y 240 V de salida.

Puede determinar la clasificación de kVA durante el proceso de selección o construcción de su transformador usando las siguientes fórmulas:

La frecuencia operativa del transformador debe estar listada y clasificada para fines de compatibilidad y cumplimiento.

La placa de identificación también debe incluir estos detalles:

Cada uno de estos factores distintivos debe estar inscrito en la placa de identificación del transformador. La inspección posterior del transformador revelará el contenido de la placa de identificación y evitará malentendidos durante la selección o instalación de componentes.

El sector de la construcción está experimentando varios cambios significativos, incluidas nuevas prioridades en la construcción ecológica y la selección de materiales resilientes. Una cosa que nunca cambiará es la necesidad de ingenieros eléctricos y administradores de edificios que entiendan lo que implica el diseño de transformadores industriales y la selección de componentes. Todas las industrias se están preparando para la transformación digital para lograr un mayor rendimiento y una mejor armonía con el planeta, y una infraestructura de distribución de energía confiable es fundamental para eso.

El entorno construido requiere tolerancias más altas que nunca y una mayor priorización de la eficiencia. Prestar atención aquí generará dividendos con el tiempo en términos de estabilidad operativa y un suministro de energía constante.

Haber de imagen: Wang An Qi / Shuttestock.com