¿Puede un transformador de 250 kVA soportar la carga de arranque de su motor más grande?

¿Puede un transformador de 250 kVA soportar la carga de arranque de su motor de mayor potencia?

La carga en funcionamiento de un motor puede estar holgadamente dentro de la capacidad nominal de un transformador de 250 kVA, pero el arranque puede plantear una situación diferente. Una corriente de arranque elevada puede provocar caídas de tensión, reducir el par de arranque y afectar a otros equipos conectados. La cuestión no es simplemente si el transformador puede alimentar el motor, sino si puede permitir su aceleración en las condiciones reales del sistema.

La respuesta puede ser sí, pero la potencia nominal del transformador por sí sola no permite determinarlo. Se necesitan las características de arranque del motor, la impedancia del transformador, la capacidad de la red aguas arriba, la impedancia de los cables y las cargas que ya están en funcionamiento. Que durante un breve arranque la corriente supere la corriente nominal del transformador no es necesariamente inaceptable; sí puede serlo un arranque prolongado con un par insuficiente.

Empiece por la corriente, no solo por la potencia del motor

En un transformador trifásico, la corriente secundaria nominal se calcula a partir de la potencia aparente y la tensión entre líneas:

Corriente nominal = kVA del transformador × 1.000 ÷ (√3 × tensión secundaria)

A 400 V, un transformador de 250 kVA suministra aproximadamente 361 A a plena carga. A 480 V, la corriente correspondiente es de aproximadamente 301 A. Estas cifras son referencias para el régimen nominal continuo, no límites garantizados para el arranque de motores.

Los kW de la placa de características del motor suelen indicar la potencia mecánica de salida. La potencia eléctrica de entrada es mayor debido a las pérdidas, y la potencia aparente también depende del factor de potencia. Para un cálculo preliminar de la carga en funcionamiento:

kVA de funcionamiento del motor = kW de salida ÷ (rendimiento × factor de potencia en funcionamiento)

La demanda de arranque debe evaluarse por separado. Obtenga la corriente de rotor bloqueado, la relación de corriente de arranque indicada por el fabricante o los datos de arranque pertinentes de la placa de características. Los motores de inducción con arranque directo pueden consumir varias veces su corriente a plena carga, pero un multiplicador genérico no sustituye a los datos del motor seleccionado.

Distinga también la corriente de arranque del motor de la corriente de irrupción al energizar el transformador. Son fenómenos distintos. Si se energiza el transformador e inmediatamente después se arranca un motor de gran potencia, conviene analizar por separado la secuencia de maniobras.

Ejemplo de evaluación preliminar

Considere un motor trifásico ilustrativo de 75 kW y 400 V. Suponga un rendimiento del 94 %, un factor de potencia en funcionamiento de 0,86 y una corriente de arranque directo equivalente a seis veces la corriente a plena carga. Se trata de supuestos de cálculo, no de especificaciones de un producto concreto.

• Potencia aparente en funcionamiento: 75 ÷ (0,94 × 0,86) ≈ 92,8 kVA.
• Corriente a plena carga: 92.800 ÷ (√3 × 400) ≈134 A.
• Corriente de arranque a la tensión nominal en los terminales: 6 × 134 ≈804 A.
• Potencia aparente de arranque a la tensión nominal: √3 × 400 × 804 ÷ 1.000 ≈557 kVA.

La demanda del motor en funcionamiento solo representa alrededor del 37 % de la potencia nominal del transformador, pero la demanda inicial de arranque supera en más del doble esa potencia. Esto no significa que se necesite un transformador de 557 kVA. Significa que hay que comprobar el comportamiento de la tensión y la aceleración, en lugar de deducirlos de la capacidad continua.

Para una evaluación aproximada limitada al transformador, multiplique la corriente de arranque en p.u. de la corriente nominal del transformador por la impedancia del transformador en p.u. Con una impedancia supuesta del 5 %:

Valor preliminar de la caída por impedancia ≈ (804 ÷ 361) × 0,05 ≈ 0,111, o 11,1 %

Considérelo un indicador de alerta, no una predicción de la caída de tensión en los terminales. Representa la magnitud aproximada de la caída por impedancia utilizando la corriente de arranque a la tensión nominal. La tensión real depende de la resistencia y la reactancia, el factor de potencia durante el arranque, la impedancia aguas arriba, los cables, las cargas existentes y la variación de la corriente del motor cuando cae la tensión. Para obtener un resultado fiable se necesita un cálculo del circuito o una simulación del arranque del motor.

Por qué la caída de tensión puede dificultar la aceleración

Un motor no solo necesita corriente; también necesita suficiente par de aceleración durante todo el arranque. En un motor de inducción, a una frecuencia y un deslizamiento determinados, el par electromagnético varía aproximadamente con el cuadrado de la tensión aplicada. Con una tensión del 85 % en los terminales, el par es aproximadamente el 72 % del valor correspondiente a la tensión plena.

Esa reducción puede ser manejable en una máquina sin carga. Sin embargo, puede ser decisiva en una cinta transportadora cargada, un compresor o una carga de gran inercia. Si el par del motor apenas supera el par de carga, la aceleración tarda más. El periodo prolongado de corriente elevada aumenta entonces el calentamiento y puede hacer que actúen las protecciones antes de que el motor alcance su velocidad.

No existe un porcentaje universal de caída de tensión aceptable para todas las instalaciones. Compare la curva par-velocidad del motor con la curva de par de carga del equipo accionado y, a continuación, compruebe los límites de continuidad de servicio de contactores, controles, variadores y demás equipos conectados. El motor puede arrancar correctamente mientras el resto del proceso se desconecta por disparo de las protecciones.

El resto del sistema eléctrico también influye en la respuesta

La impedancia del transformador es importante porque influye en la rigidez de la fuente. En transformadores comparables, una impedancia menor suele reducir la contribución del transformador a la caída de tensión durante el arranque. Sin embargo, también aumenta la corriente de cortocircuito disponible. Elegir una impedancia menor sin comprobar los poderes de corte de los equipos de maniobra y la coordinación de protecciones puede sustituir un problema por otro.

La red aguas arriba es igual de importante. Una conexión robusta a la red pública y una instalación alimentada por un generador pueden comportarse de forma muy distinta con el mismo transformador y motor. En los sistemas alimentados por generador, las características transitorias del alternador, la respuesta de excitación y el rendimiento del motor de combustión pueden determinar el resultado.

Los cables secundarios largos añaden otra caída de tensión entre los terminales del transformador y el motor. Una tensión adecuada en el cuadro principal no garantiza que también lo sea en los terminales del motor. Incluya en el modelo la longitud de los cables, el material y la sección del conductor, las condiciones de instalación y la temperatura de funcionamiento.

Las cargas existentes deben representarse según su demanda real y reactiva, no simplemente restarse de 250 kVA para calcular un «margen de arranque». La corriente de los motores en funcionamiento puede variar durante la caída de tensión, mientras que algunas cargas electrónicas intentan mantener la potencia. El rearranque automático tras una interrupción del suministro también puede generar una situación más desfavorable que la secuencia normal de funcionamiento.

Elija un método de arranque que mantenga un par suficiente

Cuando el arranque directo está al límite, modificar el método de arranque puede ser más eficaz que aumentar inmediatamente la capacidad del transformador. La elección adecuada depende de la carga accionada.

Un variador puede hacer viable un arranque que antes resultaba difícil, pero la demanda en su entrada debe evaluarse a partir de los datos del variador, no de la corriente de rotor bloqueado del motor con arranque directo. A la inversa, un arrancador suave no garantiza que un motor muy cargado pueda acelerarse con una alimentación débil.

Proteger los controles no es lo mismo que alimentar el motor

En ocasiones, el riesgo inmediato para el proceso es el reinicio del sistema de control, no la imposibilidad de arrancar el motor principal. Un sistema UPS o una alimentación de control respaldada por baterías, correctamente diseñados, pueden resolver ese problema independiente. Para el respaldo auxiliar de aplicaciones comerciales ligeras, unabatería de almacenamiento de energía LiFePO4 de 51,2 V para montaje mural ofrece una capacidad nominal de almacenamiento de 5,12 kWh con comunicación CAN/RS485, siempre que el inversor y el diseño del sistema sean compatibles.

No debe considerarse un medio de apoyo directo al arranque de un motor industrial de gran potencia. Su corriente máxima de descarga indicada, de 100 A, equivale a aproximadamente 5,12 kW de CC a la tensión nominal, antes de las pérdidas de conversión. La capacidad energética de la batería, la capacidad de sobrecarga del inversor y los kVA de arranque del motor son limitaciones distintas.

Qué comprobar antes de aprobar el transformador

Un estudio detallado del arranque del motor resulta especialmente útil cuando la evaluación preliminar de la caída de tensión se aproxima a los límites de los equipos, el motor arranca con carga, la aceleración es prolongada, los arranques son frecuentes o pueden rearrancar varias máquinas a la vez. Utilice la tensión de alimentación más baja que resulte creíble y la carga de funcionamiento más alta que resulte creíble, no solo la condición normal más conveniente.

La documentación de evaluación debe incluir:

• Datos del transformador: tensiones nominales, impedancia y tolerancia, pérdidas o datos de resistencia/reactancia, posición de las tomas, refrigeración y condiciones de reducción de potencia en el emplazamiento.
• Datos del motor y la carga: corriente a plena carga y de rotor bloqueado, curvas par-velocidad, inercia, método de arranque, tiempo de aceleración y arranques por hora.
• Datos de la red: impedancia de la fuente aguas arriba, características de los alimentadores, cargas en funcionamiento, secuencia de rearranque y límites de tensión de los equipos sensibles.
• Datos de protección: curvas de interruptores y relés, ajustes de sobrecarga, límites de los contactores e información sobre la capacidad térmica soportada por el motor.

Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. se centra en la I+D, la fabricación y la aplicación de equipos de transmisión y distribución. En la evaluación de un transformador para servicio con motores, este ámbito de fabricación y aplicación resulta más pertinente cuando se acompaña de documentación clara del proyecto: impedancia propuesta, información sobre los ensayos aplicables, supuestos relativos a las condiciones de funcionamiento y datos de interfaz necesarios para el diseñador del sistema.

Apruebe un transformador de 250 kVA solo cuando la carga continua, la tensión mínima durante el arranque, el tiempo de aceleración, el régimen térmico y la coordinación de protecciones sean aceptables en conjunto. Si la evaluación no es satisfactoria, compare alternativas como modificar el método de arranque, arrancar sin carga, escalonar los rearranques, mejorar los alimentadores o instalar un transformador de mayor potencia. La evidencia decisiva es una aceleración satisfactoria sin perturbaciones inaceptables, no simplemente que la cifra en kW del motor sea inferior a la potencia nominal en kVA del transformador.