Transformadores con Clasificación del Factor K

Hoy en día, en los locales de trabajo industrial, la proliferación de dispositivos de estado sólido (reactores de iluminación, sistemas de movimientos y control de motores, equipamientos de comunicaciones, y otras cargas de motorización DC) ha criado algunos relevantes problemas para ingenierías de especificaciones, contratantes y propietarios de negocios. La naturaleza no lineal de las fuentes de alimentación de modelos con conmutación por sistemas de estado sólido generan corrientes de armónicos que, a su vez, generan pérdidas adicionales, que hacen que los transformadores (algunas de estas pérdidas son profundas dentro de los bobinados y algunas son más próximas de la superficie) y los neutros del sistema se sobrecalienten y se destruyan.

Efecto de los armónicos en los transformadores en seco
Hay diversas situaciones que pueden crear condiciones para problemas de armónicos en transformadores, incluyendo la adición del equipamiento a un sistema eléctrico existente, o la adición de instalaciones de perfeccionamiento o expansiones a una fuente de potencia existente. Los transformadores con especificaciones de factor K están diseñados para reducir los efectos de calentamiento de las corrientes de armónicos creadas por cargas no lineales. La clasificación del factor K, atribuida a un transformador, es un índice da habilidad del transformador de soportar un índice armónico en su corriente da carga, permaneciendo dentro de los límites de la temperatura de funcionamiento. Una clasificación específica del factor K indica que un transformador puede suministrar, además de la salida nominal de carga en KVA, una carga de una cantidad especificada de índice armónico. En 1990, UL (Underwriters Laboratories) desarrolló el método de cálculo de clasificación del factor K para evaluar la habilidad de los transformadores en soportar los efectos de los armónicos. El factor K no significa que el transformador puede eliminar los armónicos. El test de UL está dirigido al calentamiento de los bobinados debido a las cargas no lineales generales y al sobrecalentamiento del conductor neutro.

Existen dos métodos de cálculo del factor K:
- El método UL
- El método normalizado

El método UL está basado en la corriente nominal eficaz "rms" del transformador. Generalmente se usa cuando la corriente eficaz es medida o mensurable y se define como:

Donde:
h = orden del armónico;
Ih(pu) = Corriente rms del armónico expresado en pu (por unidad) de la corriente nominal eficaz del transformador.

El método Normalizado está basado en la corriente fundamental de la carga. Las medidas de los armónicos están hechas frecuentemente con un analizador de armónico. La mayoría de los analizadores armónicos tienen respuestas de salida de los armónicos en pu (valores por unidad) de la corriente fundamental. Consecuentemente, el método sería usado. El método normalizado se define de la siguiente manera:

Donde:
Corriente fundamental en pu (el 1° armónico = 100%);
Un ejemplo de los dos métodos para el mismo espectro armónico de los datos es el siguiente. Para el ejemplo, suponemos que las medidas se efectuaron para obtener (pu):
Hasta el presente, las literaturas industriales y los comentarios se refieren a un número limitado de clasificaciones del factor K: K-1, K-4, K-9, K-13, K-20, K-30, K-40.

En teoría, un transformador podría estar diseñado para otras evaluaciones de factor K entre estos valores, así como para valores más elevados. Las clasificaciones generalmente referenciadas están de acuerdo con ANSI/IEEE C57.110-1986 como sigue:
K-1: Esta es la evaluación de todo el transformador convencional que fue diseñado para soportar solamente los efectos de calentamiento de las pérdidas normales y de las pérdidas adicionales por corrientes parásitas (eddy losses) resultantes de 60Hz, con el transformador cargado con corriente sinusoidal. Tal unidad puede o no estar diseñada para soportar el calentamiento adicional de los armónicos en su corriente de carga.
K-4: Un transformador con esta evaluación se diseñó para suministrar KVA nominal, sin sobrecalentamiento, a una carga constituida de 100% de frecuencia normal 60Hz, corriente sinusoidal en la fundamental, más:
- 16% de la fundamental como la 3ª corriente armónica;
- 10% de la fundamental como 5ª;
- 7% de la fundamental como 7ª;
- 5,5% de la fundamental como el 9ª;
- Porcentajes menores a través de la 25ª armónica.
El "4" indica su habilidad de soportar cuatro veces las pérdidas de corriente de “eddy” de un transformador K-1.
K-9: Un transformador K-9 puede soportar 163% de la carga armónica de un transformador clasificado como K-4.
K-13: Un transformador K-13 puede acomodar 200% de la carga armónica de un transformador clasificado como K-4.
K-20, K-30, K-40: El número más elevado de cada una de estas clasificaciones del factor K indica la habilidad de trabajar con cantidades sucesivamente mayores de índices armónicos de la carga sin sobrecalentarse.

La siguiente tabla muestra el ejemplo de cargas de factor K

CARGA - FACTOR K
Iluminación con lámparas de descargas - K-4
UPS con filtro de entrada opcional - K-4
Máquinas de soldadura - K-4
Equipamiento de calentamiento inductivo - K-4
PLCs y controles de estado sólido (otros además de drives variadores de velocidad). - K-4
Equipamientos de Telecomunicación (por ejem. PBX) - K-13
UPS sin filtros de entrada - K-13
Alimentación de receptáculos multihilos en general en áreas con instrumentos de cuidados con la salud y aulas de escuelas, etc. - K-13
Fuentes de circuitos con receptáculos multihilos para equipamientos de inspección y pruebas en sectores productivos o líneas de producción - K-13
Cargas de Equipos Servidores (Mainframe) - K-20
Drives de estado sólido para motores (Drives variadores de velocidad) - K-20
Alimentación de circuitos con receptáculos en áreas importantes de seguridad y cuartos de cirugías y recuperación de hospitales - K-20
*Reescrito con permiso de EDI Magazine

El factor K debe marcarse claramente en la placa de identificación del transformador.