Pruebas del factor K en transformadores

Configuración para determinar el factor K en un transformador

Determinar y verificar el factor K por lo general no suele realizarse durante las pruebas de fábrica, sino durante el funcionamiento, bajo condiciones de simulación o de prueba de cargacon distorsión armónica, o bien dentro de una configuración de prueba de carga de armónicos especial con fuentes de poder programables.

Un analizador de potencia captura el espectro armónico de corriente provocado por las cargas no lineales, las cuales ocasionan un calentamiento adicional en los transformadores. Los parámetros para la fórmula del factor K se miden en un circuito eléctrico existente a fin de que representen la distorsión armónica real tanto general como para cada orden armónico al que se enfrenta el transformador. En función de estas mediciones, un analizador de potencia moderno puede calcular de manera automática el factor K.

Interpretación de los resultados de medición del factor K en transformadores

La fórmula del factor K pondera cada armónico por el cuadrado de su orden. Los armónicos de orden superior generan mucho más calor debido a las pérdidas adicionales por corrientes de Foucault. Un transformador con un elevado factor K no elimina los armónicos ocasionados por las cargas no lineales generadas por el sistema. Sin embargo, está diseñado para resistir el aumento de temperatura ocasionado por ellos.. La clasificación del factor K en un transformador nos indica que este puede manejar los efectos secundarios de la distorsión armónica de la corriente.

La clasificación estándar del factor K en transformadores puede servir de guía a la hora de tomar una decisión de compra:

• Los transformadores K-4 pueden soportar cargas no lineales ligeras a moderadas, por ejemplo, en oficinas con computadoras, equipamiento electrónico e iluminación LED.
• Los transformadores K-9 son adecuados para sistemas en los que hasta un 50% de la carga total es no lineal, por ejemplo, en hospitales, colegios y edificios comerciales.
• Los transformadores K-13 pueden soportar hasta un 75% de carga no lineal, por ejemplo, plantas de producción e infraestructuras de telecomunicaciones como salas de servidores, centros de telecomunicaciones y torres de comunicaciones.
• Los transformadores K-20 pueden soportar hasta un 100% de cargas no lineales y son adecuados para su utilización en aplicaciones de alto contenido armónico, por ejemplo, en centros de datos y sistemas UPS, así como en infraestructura de TI.
• Cualquier transformador con una clasificación superior a K-30 se fabrica a medida para resistir corrientes de armónicos muy altas en casos muy específicos en donde el 100% de las cargas son no lineales.

El número de dispositivos que consumen cargas no lineales ha aumentado rápidamente y seguirá haciéndolo en un futuro predecible. Esto es la causa de la contaminación eléctrica en los sistemas de potencia. Los transformadores de distribución expuestos a corrientes armónicas experimentan un aumento de las pérdidas por corrientes de Foucault en las bobinas, así como de pérdidas parásitas en el acero estructural, lo que genera calor residual.

Los transformadores con un elevado factor K cuentan con:

• Núcleos más estables con una densidad de flujo optimizada y un mejor laminado, fabricados con materiales de núcleo de bajo coeficiente de pérdidas.
• Bobinas configuradas para minimizar las pérdidas por corrientes de Foucault y diseñadas para propagar el calor de manera uniforme por toda la superficie.
• Conductores neutros al 200% para soportar el doble de la corriente nominal.
• Blindaje electrostático para proteger las bobinas del transformador y los componentes electrónicos.

Desafíos a la hora de determinar el factor K en un transformador

Es fundamental seleccionar un transformador con un adecuado factor K para una instalación segura y eficiente. Un transformador sobredimensionado resulta innecesariamente caro, mientras que un infradimensionado corre el riesgo de sobre calentarse y fallar.

Determinar el factor K en un transformador implica algo más que medir la distorsión armónica total (THD). Es esencial realizar un análisis de armónicos preciso y detallado, ya que el factor K se calcula a partir de los valores eficaces de cada uno de los armónicos de corriente. Incluso pequeños errores en los armónicos de orden superior pueden afectar notablemente el resultado.

Entre los principales desafíos se tiene:

• Perfiles armónicos complejos y transitorios: a diferencia del perfil estable de una carga sinusoidal, los entornos ricos en armónicos presentan cargas transitorias y fluctuantes.
• Amplio espectro armónico y alto rango dinámico: las cargas no lineales modernas generan un contenido armónico complejo, el cual debe capturarse a través de una amplia gama de frecuencias, midiendo con exactitud los pequeños armónicos de orden superior junto con la corriente fundamental mucho mayor.
• Puntos calientes de armónicos: la distribución desigual de las pérdidas requiere de mediciones de temperatura más sensibles.
• Efectos del ángulo de fase: al realizar pruebas precisas del factor K deben tenerse en cuenta los efectos del ángulo de fase de los armónicos, además de sus amplitudes.
• Armónicos triples: los múltiplos del tercer armónico (por ejemplo, 3.°, 9.°, 15.°, etc) incrementan las pérdidas en las bobinas y por corrientes de Foucault, lo que ocasiona un calentamiento exponencial del transformador.
• Armónicos individuales frente a distorsión armónica total (THD): valores similares de THD pueden producir factores K significativamente diferentes, debido a que el efecto real de los armónicos individuales, no se refleja necesariamente en la THD que se ha medido o calculado para todo el sistema de potencia.
• Condiciones de funcionamiento representativas: los resultados del factor K solo son significativos cuando las mediciones reflejan el perfil de carga real del transformador.
• Calculo y generación de informes automáticos: el cálculo automatizado del factor K y la exportación de datos estandarizada mejoran la repetibilidad, reducen el esfuerzo manual y simplifican la documentación.
• Diseñado para el futuro: cualquier cálculo basado en un análisis de armónicos de carga no lineal que se realice hoy en día debería también considerar un posible aumento futuro de las cargas no lineales.

Nuestras soluciones para la determinación del factor K de un transformador

Un analizador de armónicos es la herramienta básica para evaluar la carga armónica total, así como para medir cada orden armónico. Para aplicaciones más amplias y exigentes que exigen la determinación explícita del factor K, un analizador de potencia añade un análisis más profundo en los dominios del tiempo y de la frecuencia. El analizador de potencia de precisión LMG671, con sus funciones de análisis de armónicos hasta el orden 2000.° (es decir, hasta 150 kHz), proporciona un espectro excepcionalmente amplio para la medición directa de armónicos de corriente mediante la transformada rápida de Fourier (FFT) de alta resolución.

Descubra lo que el LMG671 puede hacer por usted:

• Mediciones precisas de voltaje, frecuencia, corriente y THD tanto de voltaje como de corriente.
• Cálculo y salida del factor K en tiempo real y sincronizados con el ciclo, con un editor de scripts integrado y único.
• Análisis de integridad de potencia en el dominio del tiempo y de la frecuencia.
• Visualización y cuantificación de los componentes armónicos individuales.
• Visualización del comportamiento de la carga no sinusoidal por medio de formas de onda para un análisis rápido.
• Alto rango dinámico que permite la máxima precisión de medición de armónicos de orden superior pequeños junto a grandes corrientes fundamentales.