Un transformador que no cumple las normas puede tener una vida más corta y originar pérdidas económicas a las empresas de energía
En mayor o menor grado todas las naciones del mundo están tomando acciones para limitar la generación de gases de efecto invernadero. Un mecanismo eficiente para hacer esto realidad es reducir las pérdidas en los aparatos eléctricos.
Las empresas de energía enfrentan el reto de cumplir con las nuevas necesidades de energía eléctrica de hoy, asegurándose de acatar las demandas del mañana. Existen empresas con experiencia en este rubro como Prolec GE, la cual provee soluciones de transformadores para la generación, transmisión y distribución de energía, ayudando a mantener la operación continua de la red eléctrica.
Como los transformadores de la red de distribución eléctrica están permanentemente energizados, deben tener eficiencias mínimas establecidas a través de normas. Un transformador que no cumple las normas, resulta menos confiable, tiene una vida más corta y crea pérdidas económicas a las empresas de energía.
Conceptos de Eficiencia del Transformador
Donde:
Potencia de Salida= kVA o MVA nominales del transformador
Potencia de Entrada= kVA o MVA nominales del transformador + Pérdidas Totales
Pérdidas Totales = Pérdidas sin carga + Pérdidas con carga
Pérdidas sin carga
Las pérdidas sin carga son causadas por la corriente de magnetización necesaria para energizar el núcleo del transformador y no varían según la carga del transformador. Son constantes y ocurren las 24 horas del día, 365 días por año, independientemente de la carga.
• Constan de:
– Pérdidas por histéresis en las laminaciones del núcleo.
– Pérdidas por corrientes de Eddy en las laminaciones del núcleo.
– Pérdidas I2R debidas a la corriente de excitación, pérdidas extrañas por corrientes de Eddy en herrajes, tornillos y otros componentes del núcleo.
• Las pérdidas de histéresis y las pérdidas de corriente de remolino contribuyen sobre el 99% de las pérdidas sin carga.
• Laminaciones más delgadas del acero del núcleo reducen pérdidas de corriente de remolino.
Pérdidas con carga
Las pérdidas con carga varían de acuerdo a la carga del transformador.
Incluyen:
• Pérdidas por calentamiento o pérdidas I2R en los materiales del devanado (el mayor contribuyente).
– Se crean por la resistencia del conductor al flujo de electrones o corriente.
• Pérdidas extrañas:
– Creadas en todas las partes metálicas penetradas por el flujo magnético disperso producido por los arrollamientos o lazos de corriente.
Materiales para alta eficiencia
Con los años, el factor de alta eficiencia en aparatos eléctricos, como son los trasformadores de distribución eléctrica, se ha vuelto indispensable para asegurar que el producto sea de mayor calidad, por lo que usar materiales más eficientes puede ser una buena opción para cumplir con este requerimiento.
Materiales del núcleo:
• Acero al silicio – M3 y M0H (9 mil), M2 (7 mil)
– A medida que mejora la eficiencia del material, disminuye el volumen total del mercado
– En todo el mundo se tiene limitado suministro de acero al silicio de grano orientado
– Los grados M3, M2 y M0H son fundamentales para el logro de niveles de alta eficiencia
• Metal Amorfo
– Opción tecnológica de pérdidas más bajas de núcleo (65% de reducción en pérdidas vs M3)
– 1 mil de espesor
– Suministro mundial limitado.
Materiales para conductor:
• Magneto o lámina de cobre
– Mejor opción para bajas pérdidas
– Costo más alto que el aluminio
• Magneto o lámina de aluminio
– Mejor opción costo-eficiencia para diseños de transformadores de distribución
– Tres veces más ligero y 65% mayor resistividad que el cobre
– Peso total de devanados 50% más ligeros que diseños con cobre a mismas pérdidas.
La eficiencia más alta ocurre al nivel de carga donde las pérdidas del núcleo son iguales a las de los devanados.
Evolución de eficiencia de norma
Con el paso del tiempo la regulación en materia de trasformadores de distribución ha ido evolucionando, permitiendo una mayor eficiencia en los dispositivos.
Beneficios de la regulación
NOM-002-2014
1. Establece parámetros de eficiencia y seguridad acordes con los adelantos tecnológicos que se tienen actualmente.
2. Incorpora una herramienta para que el sector de la administración pública, dígase Comisión Federal de Electricidad (CFE), adquiera en sus procesos de licitación mejores transformadores de distribución, cuando sea el caso.
3. Proporciona a los particulares que requieran de un transformador, la certeza de que cualquier equipo que se oferte en el mercado cumple con una mayor eficiencia energética y seguridad.
4. La autoridad competente contará con una mejor norma que contribuya a la seguridad de las instalaciones eléctricas.
5. El suministrador del servicio público de energía eléctrica tendrá elementos para exigir y asegurar que los transformadores de distribución que se integren al sistema eléctrico nacional sean más eficientes y confiables.
6. Coadyuva con las estrategias que permitirán alcanzar la disminución a la afectación al medio ambiente debido a las emisiones de CO2 a la atmósfera.
Las regulaciones de eficiencia existentes en EU, Europa y México son:
Estados Unidos:
• 10 CFR Parte 431 – Programa de Conservación de Energía: Estandar para Conservación de Energía en Transformadores de Distribución, Regla Final – 4/18/2013
– Día de implementación: Ene. 01, 2016
• Fecha de la Regulación Previa Oct. 12, 2007
• Eficiencia Evaluada al 50% de la carga. Cumplimiento basado en desempeño estadístico de las pérdidas (promedio)
Europa:
• IEC 60076-20: Transformadores de Potencia – Parte 20: Eficiencia. 01/17/2015
• Evaluado al 50% de la carga. Requerimientos de Eficiencia Mínima absoluta (No Tolerancia).
México:
• NOM-002-NOM-002-SEDE/ENER-2014. Requisitos de seguridad y eficiencia energética para transformadores de distribución. 08/29/2014 – Día de Implementación: Ene. 01, 2016
• Evaluado a 80% de la carga. Requerimientos de Eficiencia Mínima Absoluta (No Tolerancia)
• Estándar previo: 1999.
Otros países con regulaciones de eficiencia mínima: Japón, India, Canadá, Australia.
Cabe señalar que los fabricantes son responsables del cumplimiento de los nuevos estándares de eficiencia desarrollados para cubrir los transformadores de distribución.
Factores Críticos de Calidad para Alta Eficiencia
Proceso de optimización de diseños: Uso de herramientas avanzadas de cómputo para evaluar un gran número de iteraciones de diseño (combinaciones).
Pérdidas sin carga:
• Calidad del material (grado de acero al silicio). Especificación para desempeño estadístico de bajas pérdidas.
• Proceso de recocido de núcleos para relevación de esfuerzos. Elimina esfuerzos residuales para conseguir niveles de pérdidas cercanos a los de la materia prima.
• Proceso de armado: Minimiza las pérdidas del núcleo debido al manejo mientras se inserta en las bobinas.
• Factor de optimización de espacio: Tolerancias estadísticamente determinadas para minimizar holguras en el núcleo.
Pérdidas con carga:
• Factor de espacio alto en devanados: Control de tensión, optimización del espesor de entre capas.
• Optimizar la densidad de corriente del conductor: Balance de pérdidas, pesos y dimensiones.
• Componentes de acero inoxidable o no magnéticos para minimizar corrientes inducidas en tanque y herrajes.
• Calidad de boquillas y conexiones.
Conclusiones
Los fabricantes de transformadores para asegurar el cumplimiento de la eficiencia energética de norma requieren, desde el punto de vista de la cadena de suministro, negociar con proveedores globales para obtener un abasto de calidad “Premium” de aceros de núcleo y conductores.
Asimismo, durante el proceso de diseño deben hacer uso de modernas herramientas de software de optimización para evaluar múltiples interacciones y determinar así, el diseño óptimo contando con flexibilidad en la optimización de diferentes fórmulas de evaluación y restricciones.
Los fabricantes deben desarrollar procesos de manufactura de núcleos que permitan incrementar la eficiencia del relevado de esfuerzos, posterior al formado y minimizar el impacto durante el armado de los mismos sobre el valor de pérdidas sin carga.
Además deben fabricar devanados del transformador considerando las holguras óptimas, los factores de espacio y la calidad de las conexiones, que permitan asegurar el valor mínimo de pérdidas con carga.
Es muy importante que dentro de la planta tengan laboratorios con equipos y procedimientos actualizados para mejorar la exactitud y repetibilidad de las pruebas, así como también cuenten con sistemas computacionales en tiempo real para verificar el cumplimiento con mínima eficiencia.
Antes de adquirir un transformador, quienes están a cargo de las áreas de abastecimientos en la industria, deben evaluar que el fabricante de transformadores esté preparado para cumplir con las nuevas eficiencias energéticas de norma, de esta manera, no pondrá en riesgo el desempeño, seguridad e integridad de su transformador.
