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Evaluación de eficiencia energética en
plantas con más de un transformador de potencia

Es normal encontrar instalaciones industriales que tienen más de un transformador energizando las cargas de la planta. El objetivo de este artículo consiste en determinar las pérdidas de operación de dichas subestaciones, y establecer criterios de conveniencia de abastecer las cargas de forma individual o con los transformadores conectados en paralelo.

En condiciones de operación, se debe establecer la conveniencia económica de régimen de trabajo de los transformadores, de forma que el número de transformadores que esté presente en el sistema sea el más económico o que representa las mínimas pérdidas.

La presencia de pérdidas en un sistema de distribución corresponde a la suma de las pérdidas de los transformadores mismos (básicamente pérdidas de vacío y de carga) más las pérdidas del sistema de distribución (esencialmente en alimentadores). A partir de este punto nos referiremos a las pérdidas vistas desde el lado del empalme con la red distribuidora. Las pérdidas totales de un transformador son:

g1.gif (4275 bytes)

Obviamente, si existen dos o más transformadores conectados en paralelo, las pérdidas totales serán la suma de cada una de las pérdidas totales de cada transformador.


Caso de transformadores iguales: Supongamos que tenemos dos transformadores conectados en paralelo, idénticos, de 500 kVA cada uno, con pérdidas de vacío P0 = 1.2 kW y pérdidas a plena carga Pcoci = 6 kW. La carga conectada, obviamente, será entregada en partes iguales por cada transformador.

Si la carga conectada es de SC = 500 kVA, cada transformador aportará con 250 kVA a la carga. Si un único transformador abastece a la carga, la pérdida será 7.2 kW, mientras que para dos transformadores en paralelo, es sólo 5.4 kW. La diferencia corresponde a 1.8 kW que de mantenerse constantes durante un mes produce una pérdida de energía de 1.8 x 24 x 30 = 1.296 kWh/mes.

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Gráfico 1.

Para una carga total de 500 kVA, con dos transformadores en paralelo, cada transformador aporta con 250 kVA y cada subestación tendrá 2,7 kW de pérdidas, lo que representa 5,4 kW en total (punto A). Para el caso de la misma carga suministrada por una única subestación, se logra 7,2 kW de pérdidas (punto B). Se aprecia, además, que la carga conectada desde los 320 kVA aproximadamente en adelante, presenta mayores pérdidas con un solo transformador que con dos unidades en paralelo (ver Gráfico 1).

Como se ha establecido entonces, hay que analizar cada caso de carga si disponemos de uno o más transformadores de alimentación.


Caso de transformadores distintos: Un conjunto de "m" transformadores no necesariamente iguales, conectados en paralelo alimentando cargas equilibradas, es similar a disponer un único transformador equivalente. Como los transformadores están en paralelo, la diferencia de tensiones entre sus extremos de alta y baja tensión son los mismos, es decir, es válida la relación:

g2.gif (711 bytes)

donde zcoci k es la impedancia de cortocircuito del transformador "k" y donde ITk es la corriente del transformador k. Como la tensión secundaria es la misma para todas las unidades, la distribución de carga por cada transformador será función de las potencias nominales de cada unidad y las impedancias de cortocircuito, dando la expresión:

g3.gif (1502 bytes)

donde:

Sck es la carga que circulará por el transformador k-ésimo,

Snom k es la potencia nominal del transformador k-ésimo,

zcociEQUIV es la impedancia de cortocircuito equivalente del conjunto de m transformadores y

zcoci k es la impedancia de cortocircuito del transformador k-ésimo.

El valor de la impedancia de cortocircuito equivalente se determina por medio de la expresión:

g4.gif (1743 bytes)

Ejemplo: supongamos se tiene tres transformadores alimentando conjuntamente una carga denominada SCARGA = 1.700 kVA y que las unidades corresponden a:

g5.gif (4287 bytes)

La impedancia equivalente de cortocircuito será:

g6.gif (4466 bytes)

La carga parcial de cada transformador será:

g7.gif (7653 bytes)

Se aprecia que la carga del transformador N° 1 supera la capacidad nominal del transformador, y que la suma de las cargas de cada transformador corresponde a la carga total conectada. Esta carga individual no considera las pérdidas propias del transformador, pero el error con esto, no es significativo. Respecto de las pérdidas de los transformadores para estas cargas, su detalle es:

g8.gif (5431 bytes)

La suma de pérdidas internas de los transformadores es de casi 20 kW, respecto de los 1.700 kVA de carga conectada. Se destaca el hecho de que el transformador de menor impedancia de cortocircuito es el que toma la mayor carga de todas las unidades conectadas, además de ser la unidad con mayores pérdidas. Si las unidades hubiesen sido de mayor potencia, se podría haber realizado el ejercicio de determinar si bastaba con dos transformadores para energizar la carga solicitada, o se requerían las tres unidades conectadas.

Este ejercicio debiera ser habitual en plantas e instalaciones industriales, pero curiosamente, es rara la empresa donde se lleva a cabo. De esta forma se puede establecer la conveniencia o no de mantener energizada una subestación para una carga determinada en función de las pérdidas netas.

gue2.gif (4925 bytes) Por Cristián Guevara Vicuña, Ingeniero Civil Electricista UTFSM y autor del libro “Métodos prácticos para lograr ahorros de energía eléctrica”, segunda edición.
expertos.eficiencia@gmail.com
Junio 2010
.......
Comentarios acerca de este artículo
Manu FAGOR EDERLAN TAFALLA (26/11/2010)
ME RETRACTO. HABIA ENTENDIDO MAL LA GRAFICA.
DISCULPEN
Manu FAGOR EDERLAN TAFALLA (26/11/2010)
Se aprecia, además, que la carga conectada desde los 320 kVA aproximadamente en adelante, presenta mayores pérdidas con un solo transformador que con dos unidades en paralelo (ver Gráfico 1).
ESTO NO ES CIERTO DEL TODO. POR DEBAJO TAMBIEN.
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