Dimensionamiento del transformador para el arranque del motor: explicación de la caída de tensión, la corriente de rotor bloqueado y la impedancia

Dimensionamiento del transformador para el arranque del motor: explicación de la caída de tensión, la corriente de rotor bloqueado y la impedancia

 

Una planta procesadora de alimentos en el Golfo nos envió el trimestre pasado un diagrama unifilar con tres motores de 200 hp conectados a un único transformador de 1 000 kVA, todos arrancados directamente a la red. El transformador cubría la carga en régimen permanente con margen de sobra. La falla ocurrió al primer arranque del día: el bus de 480 V sufrió una caída de tensión tan pronunciada que los contactores de línea se abrieron, el motor nunca alcanzó su velocidad nominal y la planta quedó a la espera de un electricista. Nada se había dañado. La selección del tamaño del transformador para el arranque de motores simplemente nunca se había calculado.

Esa laguna es habitual, y resulta costosa. La placa de características de un motor indica su potencia en caballos de fuerza y sus amperios a plena carga. No indica, sin embargo, los kVA que debe suministrar el transformador durante los segundos en que el rotor está acelerando; y ese valor —no la carga en régimen permanente— suele ser el factor determinante para saber si el bus mantiene su tensión.

 

 

 

Por qué el arranque de motores es un problema del transformador

 

Un motor en marcha y un motor en arranque son dos cargas diferentes que llevan la misma placa de identificación. En régimen, un motor de inducción absorbe una corriente cercana a la corriente nominal con un factor de potencia próximo a 0,85–0,9, y la carga es principalmente potencia activa. En parada, la impedancia del rotor se colapsa, la corriente aumenta aproximadamente a seis veces la corriente nominal en un motor NEMA Design B y el factor de potencia desciende a un valor entre 0,15 y 0,3.

Un motor en arranque absorbe casi exclusivamente corriente reactiva. Para el transformador y el tablero, esto se comporta como una gran inductancia conectada de forma instantánea, y precisamente la corriente reactiva es la que provoca la caída de tensión a través de la impedancia del transformador.

Esta es la parte que la mayoría de los compradores pasan por alto: no se trata de un defecto del motor ni de algo que el fabricante del motor pueda solucionar mediante una clase de aislamiento superior. La caída es una característica del sistema. Depende de la relación entre la potencia aparente de arranque del motor (kVA) y la capacidad de cortocircuito del transformador, lo cual implica selección del tamaño del transformador para el arranque de motores una decisión de especificación tomada en el lado del transformador del plano.

El mismo evento físico determina la norma con la que trabajan ambas partes. NEMA MG 1 asigna a cada motor una letra de código kVA de rotor bloqueado y define el rendimiento en el arranque en el que los usuarios pueden confiar: una referencia útil cuando una pregunta al proveedor se convierte en una cuestión contractual. La NEMA Programa de normas de motores y generadores publica el documento.

 

Leer la carga de arranque en la placa de características del motor

 

La letra de código es la forma más rápida de obtener kVA de rotor bloqueado sin necesidad de la hoja de datos del motor.

Convierte directamente la potencia en caballos de fuerza (hp) en kVA de rotor bloqueado, y aparece en la placa de características de todo motor NEMA.

 

Letra de código	KVA de rotor bloqueado por hp
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
G	5,6 – 6,29
H	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
K	8,0 – 8,99

 

La escala va de la A a la V y asciende con cada letra, por lo que un motor con código K exige aproximadamente un 60 % más del transformador que un motor con código F de igual potencia. Una unidad de 200 hp con código F tiene una demanda de arranque de 1.000 a 1.118 kVA; la misma unidad de 200 hp con código K alcanza los 1.600 a 1.798 kVA. Lea la letra directamente en la placa de características real, no de un catálogo, ya que es el único valor que, por sí solo, modifica la conclusión sobre el dimensionamiento.

Tres detalles adicionales deben indicarse junto con ella:

• Arranques por hora. Cada arranque constituye un evento térmico tanto para el motor como para el devanado del transformador. Los fabricantes de motores publican una curva de arranques permitidos por hora, y el transformador debe soportar la misma solicitación.
• Característica de par de carga. Una bomba centrífuga arranca casi sin carga; un transportador cargado, un compresor de desplazamiento positivo o un ventilador de alta inercia pueden permanecer en la banda de aceleración el tiempo suficiente para que ello tenga importancia.
• Método de arranque. El arranque directo, el autotransformador, la conexión estrella-triángulo, el arrancador suave y el variador de frecuencia imponen cada uno un perfil distinto de corriente al transformador.

 

Dimensionamiento del transformador para el arranque de motores: El cálculo que toda solicitud de cotización debería incluir

 

El cálculo preliminar es lo bastante breve como para realizarse manualmente. La capacidad de cortocircuito del transformador equivale a su potencia en kVA dividida por su impedancia en tanto por uno; la potencia aparente de arranque del motor (en kVA) dividida por dicha capacidad, expresada como porcentaje, da la caída aproximada de tensión:

%Caída de tensión ≈ (kVA de arranque del motor × %Z del transformador) ÷ kVA del transformador

Aplicado al caso de la estación de bombeo con una impedancia del 5,75 %, con un motor de 200 hp, código F, arrancando mientras los otros dos motores están en funcionamiento:

 

Transformador	Capacidad de Cortocircuito	KVA de arranque	Caída calculada
500 KVA	8.696 kVA	1.060 kVA	12.2%
750 kVA	13.043 kVA	1.060 kVA	8.1%
1.000 kVA	17.391 kVA	1.060 kVA	6.1%

 

Destacan tres aspectos. Primero, la caída de tensión varía casi linealmente con la potencia nominal en kVA del transformador, por lo que la decisión sobre el tamaño del transformador equivale a la decisión sobre la magnitud de la caída. Segundo, la impedancia constituye un factor independiente: para un transformador de 500 kVA, reducir la impedancia del 5,75 % al 4,0 % disminuye la caída de tensión hasta aproximadamente el 8,5 % sin necesidad de adquirir una unidad de mayor potencia. Tercero, este análisis es una evaluación preliminar, no un sustituto de un estudio detallado. No considera la impedancia de la fuente de la compañía eléctrica ni los motores ya en operación en el mismo bus; ambos factores incrementan la caída real de tensión, por lo que se recomienda conservar un margen de seguridad sobre el resultado obtenido, en lugar de tomarlo como el valor definitivo.

Realice los mismos cálculos para cada motor que pueda arrancar mientras la planta opera a carga máxima, y luego repita el cálculo para la combinación más desfavorable pero razonablemente posible. Las compañías eléctricas y los consultores realizarán el estudio completo; un proveedor de transformadores que no sea capaz de reproducir este análisis preliminar está cotizando simplemente una potencia en kVA, no un sistema integral.

 

¿Qué magnitud de caída de tensión es aceptable y qué dispositivos se disparan realmente?

 

El objetivo de evaluación preliminar que la mayoría de los proyectos industriales emplea es una caída de tensión del 10 % o menos en los terminales del motor durante el arranque. En un alimentador dedicado, donde ningún equipo sensible comparte el bus, a veces se acepta un 15 %, pero esa decisión debe tomarla por escrito el ingeniero eléctrico de la planta, y no descubrirla durante la puesta en servicio.

La razón por la que el límite es más estricto que lo que necesita el motor es que rara vez el motor es lo primero que presenta problemas:

• Los contactores suelen tener una clasificación para mantenerse cerrados hasta aproximadamente el 85 % de la tensión de la bobina; por tanto, una caída del 15 % puede abrir un arrancador que el propio motor habría soportado.
• Las variadores de frecuencia y las fuentes de alimentación superan una caída únicamente durante el tiempo de retención de su bus de corriente continua.
• Los relés de subtensión que protegen otros equipos suelen ajustarse para disparar por encima de una caída del 20 %, lo que convierte un arranque en una desconexión generalizada de la planta.
• Los límites de parpadeo establecidos por la compañía suministradora pueden restringir arranques repetidos en un servicio compartido, incluso cuando todas las cargas del sitio toleran la caída.

La protección del motor durante el arranque es un tema en sí mismo, y la referencia industrial es la norma IEEE 3004.8, la Práctica recomendada para la protección de motores en sistemas industriales y comerciales de energía eléctrica , que abarca el arranque, la transferencia entre barras y la protección contra subtensión tanto para arrancadores controlados por contactores como para los controlados por interruptores automáticos.

 

Decisiones de especificación que realmente corrigen la caída de tensión

 

Una vez que los valores numéricos están sobre la mesa, las opciones se clasifican automáticamente según su costo y sus efectos secundarios.

• Adquirir más kVA. Directamente proporcional, sencillo y, además, eleva la corriente de cortocircuito disponible, lo que puede obligar a revisar las calificaciones de los equipos aguas abajo.
• Especificar una impedancia menor. Eficaz, pero un porcentaje menor de impedancia implica una corriente de cortocircuito mayor y fuerzas mecánicas superiores sobre los devanados durante un cortocircuito. Especificarlo como un valor objetivo con una tolerancia, no como un deseo.
• Asignar al motor grande su propio transformador. La aislación suele ser más económica que sobredimensionar una unidad compartida, y evita que el arranque de una bomba perturbe una línea de proceso.
• Elija el método de arranque deliberadamente. Un arrancador con autotransformador en la toma del 65 % reduce la corriente de línea a aproximadamente el 42 % de la corriente en conexión directa, porque tanto el par como la corriente de línea varían con el cuadrado del voltaje aplicado. La conexión estrella-triángulo proporciona aproximadamente un tercio de la corriente en conexión directa. Un arrancador suave o un variador ofrece el perfil más suave, pero introduce sus propias consideraciones relativas a armónicos y protección en el transformador.
• Verifique el régimen térmico, no solo la caída de voltaje. Los arranques repetidos calientan el devanado. Un transformador que supera el cálculo para un único arranque aún puede no cumplir una especificación que exija seis arranques por hora a temperatura ambiente máxima.
• No espere que la eficiencia del motor ayude. Un motor NEMA Premium reduce las pérdidas en régimen de marcha —razón por la cual el Departamento de Energía de los Estados Unidos mantiene su Sistemas de motor programa de recursos—, pero no reduce kVA de rotor bloqueado . El rendimiento en el arranque y la eficiencia en régimen de marcha son especificaciones independientes en la placa de características.

Observe la diferencia con la corriente de conexión inicial. La corriente de oscilación del reactor que provoca la desconexión de un interruptor al energizar un transformador sin carga es un fenómeno distinto, con implicaciones propias en las especificaciones, tratado en nuestra guía sobre corriente de conexión de transformadores . Ambos fenómenos aparecen en el mismo proyecto; ninguno resuelve al otro.

 

Cómo aborda Ryan Electric los proyectos con cargas de motor

 

Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) fabrica transformadores desde 2007 y trabaja como socio oficial de empresa conjunta de Eaton desde 2023. Los proyectos industriales con alta demanda de motores suelen presentarse como un transformador de energía requerimiento de transformador de potencia o de distribución, con un valor objetivo de impedancia y una condición de arranque asociada; esta es la parte de la cotización en la que nuestros ingenieros dedican su tiempo.

La mayor parte del trabajo se realiza en la etapa inicial. Solicitamos el listado de motores —potencia en caballos de fuerza, letra de código, tensión y método de arranque— antes de cotizar la potencia en kVA, porque la selección de la impedancia y el diseño de los devanados dependen de ello. selección del tamaño del transformador para el arranque de motores cálculo, no desde una página de catálogo. Cuando un proyecto requiere una banda de impedancia específica, un rango de derivaciones inusual o un secundario de doble voltaje, ese diseño pasa por el mismo proceso de ingeniería personalizada que utilizamos para aplicaciones de rectificación y hornos. La cobertura de certificación incluye UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS y CE, y cada unidad se envía con datos de pruebas rutinarias: relación de transformación, resistencia de devanados, impedancia, pérdidas en vacío, pérdidas bajo carga y pruebas dieléctricas; así, el equipo de puesta en servicio puede verificar la impedancia entregada frente al valor utilizado como base en el estudio.

 

 

 

Qué incluir en la solicitud de cotización (RFQ)

 

Cinco elementos convierten una consulta vaga en una especificación de transformador cotizable:

• Programa de motores con caballos de fuerza, letra de código NEMA, voltaje y letra de diseño o clase de arranque IEC.
• Método de arranque y el perfil resultante de corriente de línea.
• Número aceptable de arranques por hora y la temperatura ambiente de diseño.
• Caída de voltaje aceptable y si ya existe un estudio de arranque de motores.
• Corriente de fallo disponible en el primario, de modo que se puedan coordinar conjuntamente la impedancia y las calificaciones de interrupción.

Envíe esos cinco elementos y la cotización del transformador dejará de ser una comparación de precios basada en suposiciones. Si dispone de un listado de motores y un diagrama unifilar, envíelos a través de nuestra página de contacto y nuestro equipo de ingeniería le devolverá una recomendación de kVA e impedancia, incluyendo el cálculo de la caída de tensión.

Sobre el autor — Esta guía fue elaborada por el equipo de ingeniería de transformadores de media tensión de Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd., fabricante con sede en Nantong especializada en productos de transformadores secos, sumergidos en aceite, montados sobre pedestal y subestaciones compactas, y socio oficial de empresa mixta de Eaton desde 2023. El equipo brinda soporte a proyectos industriales, de servicios públicos e infraestructura, desde la revisión de especificaciones hasta las pruebas de aceptación en fábrica, y trabaja en diseños de transformadores de clases entre 10 kV y 110 kV.