¿Qué son los transformadores mitigadores de armónicos?

¿Qué son los transformadores mitigadores de armónicos?

Los transformadores de mitigación de armónicos (HMT) son dispositivos eléctricos especializados diseñados para reducir el desperdicio de energía minimizando las pérdidas causadas por distorsiones armónicas. Lo logran a través de varios mecanismos:

1. Cancelación de armónicos triple: al cancelar los flujos armónicos de secuencia de fase cero, los HMT evitan que las corrientes armónicas triples circulen en los devanados primarios. Esto da como resultado una disminución en el I2R del lado primario y en las pérdidas por corrientes parásitas.

2. Reducción de armónicos balanceados: los HMT equipados con múltiples salidas son capaces de cancelar los componentes balanceados de armónicos de orden superior como el quinto y el séptimo dentro de sus devanados secundarios. Sólo los armónicos residuales desequilibrados llegan a los devanados primarios, lo que conduce a una reducción de las pérdidas.

3. Alta eficiencia tanto en frecuencias fundamentales como armónicas: ciertos diseños de HMT mantienen una alta eficiencia no solo en los 60 Hz estándar sino también en frecuencias armónicas. Los modelos que cumplen con los estándares Energy Star cumplen con los mínimos de eficiencia NEMA TP-1 con una carga del 35 %, y lo logran al reducir las pérdidas del núcleo para aumentar la eficiencia bajo cargas livianas. Los HMT de la serie Harmony™ que cumplen con Energy Star de Mirus están diseñados para cumplir con las eficiencias mínimas NEMA TP-1 en todo el rango operativo del 35% al ​​65% de carga.

Figura 1: Pérdidas del transformador de 75 kVA en diversas condiciones de carga con perfil de carga no lineal K-9.

Ahorro de energía demostrado:

Un ejemplo proporcionado en la Figura anterior muestra los ahorros potenciales logrados al usar HMT en lugar de transformadores convencionales o de clasificación K. Se analizó un transformador de 75 kVA bajo diferentes condiciones de carga con un perfil de carga no lineal K-9, típico de ambientes con uso intensivo de equipos de cómputo (Ithd = 83%). El gráfico compara las pérdidas entre un transformador delta-estrella convencional (Conv), un transformador delta-estrella con clasificación K-13 y un HMT de salida única Harmony-1E™ que cumple con Energy Star.

Figura 2: Eficiencias energéticas para varios tipos de transformadores de 75 kVA que suministran cargas lineales (K-1) y cargas no lineales (K-9) en diferentes condiciones de carga.

Impacto de la carga no lineal en la eficiencia:

Esta figura ilustra además cómo la carga no lineal afecta la eficiencia del transformador. Contrasta el rendimiento de diferentes transformadores en condiciones de carga tanto lineales (K-1) como no lineales (K-9). La eficiencia cae significativamente para los transformadores convencionales y K-13 bajo cargas no lineales, particularmente con cargas más altas.

Estimación del ahorro de energía:

Para cuantificar el ahorro de energía por la reducción de las pérdidas armónicas, se debe considerar la tarifa del servicio eléctrico y el perfil operativo de la carga. Estos factores pueden variar ampliamente según la ubicación y la aplicación. La Tabla 1 demuestra el ahorro de energía al comparar un HMT de 75 kVA con un transformador K-13 en un entorno de oficina con amplio equipo informático.

 Estimación de ahorro de energía y recuperación de la inversión de HMT comparando un HMT de 75 kVA con un transformador K-13 en un entorno de oficina típico con una alta concentración de equipos informáticos

Cálculo de Ahorro Anual:

Suponiendo un funcionamiento de 12 horas al día, 260 días al año, con una tarifa de servicio promedio de $0,07 por kWh, y teniendo en cuenta la energía de enfriamiento adicional necesaria para disipar el calor generado por el transformador (estimado en 30%-40% de la pérdida de energía), El ahorro anual se puede calcular de la siguiente manera:

Consumo anual = (Pérdidas totales en kW) x (horas/día) x (días/año) + (pérdidas NL en kW) x (24 – horas/día) x (365 – días/año)) $/año Ahorro = (Consumo Anual H1E – Consumo Anual K13) x 1,35 x (tasa en $/kWhr)

Análisis de recuperación de la inversión:

Según los costos del transformador y suponiendo una vida útil de 30 a 40 años, la prima pagada por un HMT Harmony-1E se puede recuperar muchas veces solo mediante el ahorro de energía. Los períodos de recuperación suelen ser de 1 a 4 años para cargas en el rango del 50% al 65%.

Ejemplo adicional:

La Tabla 2 presenta un escenario para una instalación de radiodifusión o centro de datos con menor contenido de armónicos (perfil de carga K4), funcionando las 24 horas del día, los 365 días del año. Con el transformador en un área con aire acondicionado, el período de recuperación se vuelve aún más corto, lo que hace que la inversión en HMT sea particularmente atractiva en tales aplicaciones.

Tabla 2: Estimación de recuperación y ahorro de energía del HMT comparando un HMT de 75 kVA con un transformador K-13 en una instalación de radiodifusión o centro de datos típico

En conclusión, la capacidad intrínseca de los HMT para cancelar las corrientes armónicas dentro de sus devanados se traduce en ahorros de energía mensurables en comparación con las mayores pérdidas incurridas con los transformadores convencionales o con clasificación K. Si consideramos el costo premium promedio de HMT en relación con los transformadores K-13, el período de recuperación típico para el ahorro de energía es de 1 a 4 años, cuando se espera que la carga esté en el rango del 50 % al 65 %.