Transformador para la electrificación mediante bombas de calor: dimensionamiento de reformas comerciales para las corrientes de conexión y los picos invernales

Un campus escolar del sur de Ontario retiró sus calderas de gas durante el verano de 2026 y las sustituyó por bombas de calor aerotérmicas de 420 kW. El ingeniero mecánico dimensionó correctamente los compresores. Sin embargo, el paquete eléctrico falló en la primera mañana fría: la puesta en marcha del compresor principal redujo la corriente nominal de 1.200 A a 398 V, y dos variadores de frecuencia (VFD) instalados en cubierta se desconectaron por subvoltaje antes de que entrara en funcionamiento la segunda etapa. El transformador para la electrificación mediante bombas de calor rara vez es el elemento sobre el que se discute en los planos de una reforma, y precisamente por eso termina quedando subdimensionado.

 

Las reformas de electrificación invalidan las suposiciones tradicionales sobre transformadores

Una caldera de gas y una bomba de calor suministran la misma cantidad de calor. En un plano eléctrico no tienen nada en común. La caldera consumía apenas unos cientos de vatios para una bomba de circulación y un control de quemador. La bomba de calor, en cambio, demanda cientos de kilovatios mediante compresores herméticos con motor integrado, y los demanda en bloques: arranque, escalonamiento ascendente, descongelación, escalonamiento descendente.

Los servicios existentes fueron dimensionados en función de una punta de refrigeración estival y una carga de iluminación diversificada. Una renovación del sistema de calefacción desplaza la punta al amanecer invernal, cuando la iluminación y las cargas conectadas también se acercan a su máximo, y transforma una carga térmica en una carga motriz. Es ahí donde transformador para la electrificación mediante bombas de calor realmente comienza la toma de decisiones, no en la tabla de selección del compresor.

Existe un tercer cambio que los cálculos de carga suelen pasar por alto. El cálculo original del servicio aplicaba factores de demanda aprobados por la compañía eléctrica para un edificio calentado con gas, con su pico invernal breve y bajo contenido de motores. Volver a aplicar esos mismos supuestos de diversidad a una planta de bombas de calor subestima la carga, porque los compresores etapados no se diversifican del mismo modo que las cargas de tomas de corriente e iluminación.

 

La matemática de la carga: qué exige realmente la bomba de calor al sistema de suministro

Comience siempre con la capacidad en el día de diseño, nunca con la capacidad nominal en placa. Una planta de bomba de calor de fuente aérea nominal de 420 kW en el sur de Ontario puede entregar 420 kW a 8,3 °C y solo aproximadamente el 68 % de esa potencia a la condición de diseño de -15 °C. Las tablas publicadas de capacidad muestran esta reducción; lo que indican con menor claridad es que la potencia eléctrica de entrada aumenta simultáneamente, porque el COP desciende de aproximadamente 3,4 a 1,8.

Estos son los cálculos correspondientes al campus mencionado anteriormente, típicos de una renovación comercial de tamaño medio a 480 V:

• Bombas de calor, 2 módulos × 210 kW: 233 kW eléctricos a -15 °C, COP 1,8
• Bombas de circulación, 4 de velocidad constante: 22 kW, funcionamiento continuo
• Controles y sistema de gestión de baterías (BMS): 4 kW, funcionamiento continuo
• Calefacción de respaldo por resistencia, 4 etapas: 120 kW, únicamente por debajo de la temperatura de diseño
• Potencia eléctrica total de diseño: 379 kW, aproximadamente 407 kVA con un factor de potencia de 0,93

 

 

Esos 407 kVA corresponden a la carga. No equivalen al tamaño del transformador. La diferencia entre esos dos valores es donde los presupuestos de renovación fallan en ambas direcciones; la siguiente sección explica cómo reducirla sin adquirir un 40 % más de cobre del que el edificio jamás utilizará.

 

Dimensionamiento del transformador para la electrificación mediante bombas de calor

El Artículo 440 del NEC regula los circuitos de motores-compresores y exige la corriente nominal de carga, no la corriente indicada en la placa de características, para los compresores herméticos de refrigerante. Los totales de alimentadores y servicios siguen calculándose según el Artículo 220, y NFPA 70 es el texto que su inspector leerá efectivamente. En la práctica: determine el tamaño del transformador a partir de una carga calculada que incluya las corrientes nominales de carga de los compresores, la calefacción de respaldo por etapas, la corriente de entrada que el arranque de esos compresores genera, y la carga del edificio que permanece conectada.

En el caso de Ontario, la carga del edificio conservada tras la eliminación de las calderas fue de 520 kVA. El total ascendió a 927 kVA. La unidad existente de 750 kVA montada sobre pedestal ya operaba cerca del 98 % en los días pico de verano, por lo que su reutilización no era viable. Especificamos una unidad de 1500 kVA, con relación de tensión 13,8 kV delta a 480Y/277 V y impedancia del 5,75 %, que es el siguiente tamaño normalizado y deja aproximadamente un 35 % de margen para una segunda fase del mismo programa.

Tres valores siguen directamente y cada uno afecta al hardware aguas abajo. La corriente primaria es de 62,8 A. La corriente secundaria a plena carga es de 1804 A. La corriente de cortocircuito secundaria disponible en los bornes es de aproximadamente 31 kA, y este valor determina si el cuadro de maniobra se solicita con capacidad de 42 kA o de 65 kA. Asimismo, este es el dato que los contratistas suelen olvidar con mayor frecuencia solicitar.

Una advertencia sobre la sobrecarga. transformador de tipo seco no soporta sobrecargas sostenidas del modo en que lo hace una unidad con refrigeración por aceite. IEEE C57.12.01 las clasificaciones de los transformadores secos se basan en una temperatura ambiente promedio de 30 °C y máxima de 40 °C; sin embargo, un recinto ubicado sobre un techo en julio supera ampliamente esos valores. Hacer funcionar una unidad seca al 100 % de su potencia nominal dentro de un recinto a 50 °C es una decisión que afecta la vida útil del equipo, disfrazada de conservadurismo.

 

Corriente de conexión y caída de tensión: donde normalmente fallan las sustituciones

La caída de tensión durante el arranque de un motor en un transformador equivale aproximadamente a la potencia aparente de arranque (en kVA) dividida por la potencia nominal del transformador (en kVA), multiplicada por el porcentaje de impedancia. Un compresor de 90 kW con una corriente nominal de carga de 140 A y una corriente de rotor bloqueado seis veces mayor absorbe unos 840 A a 480 V, lo que representa una demanda de arranque de aproximadamente 698 kVA. En un transformador de 1.500 kVA con una impedancia del 5,75 %, dicha caída asciende a cerca del 2,7 %, valor bien dentro del límite del 10 % que la mayoría de las compañías eléctricas permiten en el punto de suministro.

Reducir el transformador a 1.000 kVA hace que el mismo compresor produzca una caída de tensión del 4,0 %. Ahora, si se conectan dos compresores mediante el mismo comando de etapas, la caída de tensión se duplica durante una fracción de segundo, lo cual es la condición que activa los variadores de frecuencia (VFD) y reinicia los controles. Las secuencias de modernización económicas hacen exactamente esto, porque la lógica de etapas la redacta el contratista mecánico y nadie del área eléctrica la revisa.

Corriente de entrada la corriente de conexión es un evento independiente y mayor. Una unidad fría de 1.500 kVA puede demandar de 8 a 12 veces su corriente nominal durante los primeros 0,1 segundos, lo que, a 480 V, equivale a 14.000–21.000 A. Si se deja la configuración instantánea del interruptor principal en el valor predeterminado de fábrica, el día de puesta en servicio comienza con un disparo intempestivo, seguido de una discusión sobre si el transformador está defectuoso.

Esta es la parte del paquete que los compradores rara vez ven en una cotización. Cada unidad que enviamos para una instalación posterior sale acompañada de un perfil calculado de corriente de conexión (inrush envelope) adjunto al informe de pruebas rutinarias, de modo que el contratista pueda ajustar el retardo de corta duración o especificar el cierre en punto de onda antes de que llegue el camión. En un proyecto escolar en Vermont, la especificación eléctrica indicaba las corrientes de rotor bloqueado (locked-rotor amps) de los compresores, pero las hojas técnicas presentadas solo citaban las corrientes a carga nominal (rated-load amps). La revisión de la documentación detectó esta discrepancia tres semanas antes de la entrega, y no a las 6 a.m. durante la puesta en marcha en enero.

 

Armónicos procedentes de compresores inversores y su efecto sobre el devanado

Los compresores scroll e helicoidales accionados por inversor no se comportan como motores conectados directamente a la red. Sus etapas de entrada consumen corriente no senoidal, con una distorsión armónica total típica de corriente entre el 25 % y el 40 % a carga parcial; este espectro se traduce en el devanado en pérdidas adicionales por corrientes parásitas (eddy-current loss) y calentamiento localizado. A transformador de tipo seco seleccionado únicamente según kVA funcionará a mayor temperatura que la indicada en su placa de características precisamente durante las horas en que la planta opera al 30 % de su capacidad.

Existen dos respuestas viables: especificar una unidad clasificada K, K-4 cuando hay unos pocos variadores de frecuencia y K-13 cuando predominan las unidades exteriores VRF o grandes grupos de variadores de frecuencia; o reducir la potencia nominal de una unidad convencional mediante el método del factor de pérdida por armónicos. Ambas son válidas; ignorar la cuestión no lo es, especialmente en sistemas VRF, donde veinte pequeñas unidades inversoras suman su distorsión en el mismo punto de distribución.

El efecto secundario es un factor de potencia capacitivo (adelantado) a carga ligera. Los condensadores del enlace de corriente continua inyectan corriente adelantada respecto al voltaje cuando la planta funciona al 20 % de su capacidad en un día templado, por lo que un transformador para la electrificación mediante bombas de calor transformador especificado para un factor de potencia de 0,93 inductivo (retrasado) opera ahora con un factor de potencia de 0,85 capacitivo (adelantado). Nada falla de inmediato, pero los equipos de medición de la compañía eléctrica, los bancos de condensadores y los controles de sincronización de generadores comienzan a comportarse de forma anómala. Informe al ingeniero de la compañía eléctrica antes de que lo detecte mediante una lectura del contador.

 

Clima frío, calefacción de respaldo y el problema de la etapificación

Por debajo de -12 °C, las unidades estándar de fuente de aire entregan del 55 % al 65 % de su capacidad nominal. Las unidades para climas fríos mantienen del 70 % al 80 % y conservan un COP cercano a 1,8. Cualquiera que sea la brecha, el calor por resistencia la cubre, y dicho calor por resistencia se activa en etapas de carga. Un banco de respaldo de 120 kW escalonado en cuatro etapas de 30 kW añade 36 A por etapa a 480 V. Individualmente, eso no representa nada. Pero que las cuatro etapas se activen simultáneamente en una sola llamada implica un cambio de carga de 120 kW en menos de un segundo, y un transformador dimensionado exactamente según la carga calculada no puede responder a ello.

El descongelamiento es la punta oculta. El descongelamiento por ciclo inverso extrae calor del circuito del edificio mientras los compresores siguen funcionando, y una planta con ocho módulos puede descongelarse secuencialmente en una mañana húmeda de 2 °C. Diseñe para el caso de descongelamiento coincidente, no para la tabla de capacidad en estado estacionario, e incluya la corriente de conexión de los reinicios en ese mismo cálculo.

La carcasa y el entorno merecen más atención de la que normalmente se les otorga en las especificaciones para climas fríos. La condensación sobre un devanado seco sin energía a −25 °C, seguida de una rápida rampa de carga matutina, constituye una vía real de fallo; los calentadores de espacio y un termostato que funcione efectivamente no son accesorios opcionales. Para transformadores tipo poste rellenos de aceite en ese mismo clima, el punto de escurrimiento del fluido y la viscosidad en arranque en frío deben figurar en la especificación, no en una nota al pie.

 

De la especificación al envío: lo que fabricamos y lo que ensayamos

Ryan Electric es una Proveedor de transformadores listado por UL empresa que fabrica unidades de clase 1 500 kVA como esta en una instalación de 120 000 m² en Jiangsu, equipada con más de 180 conjuntos de equipos de producción y ensayo, y con 37 patentes. Desde 2023, como socio conjunto de Eaton, aplicamos la misma disciplina en pérdidas e impedancia que los principales fabricantes norteamericanos, y publicamos los datos de ensayos rutinarios en lugar de resumirlos.

Cada unidad realiza la secuencia habitual IEEE C57.12.90: resistencia de los devanados, relación de transformación, polaridad, pérdidas en vacío, pérdidas en carga, impedancia, tensión aplicada y tensión inducida, además de una prueba de elevación de temperatura sobre el diseño. La impedancia se mantiene dentro de ±7,5 % del valor especificado, lo cual es relevante cuando una compañía eléctrica analiza la corriente de cortocircuito antes de aprobar una ampliación del servicio. Ese análisis es también la razón por la cual transformador de tipo seco la cotización debe indicar explícitamente la impedancia, en lugar de dejarla al valor predeterminado de fábrica.

La certificación es un aspecto en el que una Proveedor de transformadores listado por UL unidad o bien cuenta con los documentos correspondientes o bien no los tiene. UL 1561 para unidades generales de tipo seco, CSA C22.2 No. 66 para Canadá y cULus cuando se aplican ambos mercados. En el campus de Ontario, la compañía eléctrica exigió que la marca CSA fuera legible en la placa de características y que el informe de ensayo estuviera vinculado al número de serie. Ambos documentos iban incluidos en el sobre de envío, y la inspección resultó aprobada en la primera visita.

 

 

La entrega tardó 16 semanas desde la aprobación de los planos, con el inspector externo del propietario presenciando las pruebas rutinarias. Tras nuestra nota de puesta en servicio, la resistencia de calefacción por etapas se volvió a cablear para control de dos pasos y la caída de tensión medida en el servicio durante la activación de respaldo disminuyó del 3,9 % al 1,8 %. Ese cambio supuso el costo de un contactor y dos horas de trabajo de un electricista.

 

Siguiente paso

Si está convirtiendo un edificio calentado con gas, envíe cuatro elementos: la carga de calefacción para el día de diseño, junto con la tabla de capacidades correspondiente; la corriente nominal y la corriente de rotor bloqueado del compresor; la carga conservada del edificio; y la temperatura ambiente del recinto. Le devolvemos una hoja de dimensionamiento con el kVA calculado, la caída de tensión prevista, la corriente de cortocircuito disponible y una recomendación del factor K, normalmente dentro de dos días hábiles.

Pedir el Proveedor de transformadores listado por UL conjunto de documentos al mismo tiempo: informe de pruebas rutinarias, referencia de certificación UL o CSA y declaración de tolerancia de impedancia. Los revisores de la compañía eléctrica solicitan esos tres documentos, y tenerlos listos acelera mucho más la aprobación de una ampliación del servicio que cualquier negociación de precios.

Sobre el autor — Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de transformadores de Ryan Electric, un fabricante certificado por UL/CSA y socio conjunto de Eaton con sede en Jiangsu, China, que suministra transformadores secos, sumergidos en aceite y montados sobre pedestal para proyectos de centros de datos, almacenamiento de energía, energías renovables, atención médica y servicios públicos en Norteamérica, Oriente Medio, Asia Sudoriental y África.