Un transformador con devanados de aluminio es adecuado para cargas elevadas cuando se verifican su potencia nominal, el aumento de temperatura de los devanados, el sistema de refrigeración y las conexiones en función de las condiciones reales de funcionamiento. Una demanda alta y sostenida es una aplicación válida para los devanados de aluminio, siempre que el diseño tenga en cuenta la mayor resistividad eléctrica del aluminio y que la instalación pueda disipar el calor generado. La idoneidad es incierta cuando la selección se basa únicamente en los kVA indicados en la placa de características, en la clase de aislamiento o en una afirmación de sobrecarga sin respaldo.

La evidencia decisiva es una evaluación térmica vinculada al perfil de carga y respaldada por los resultados de las pruebas aplicables. Esta evaluación debe incluir la temperatura ambiente, los armónicos, el desequilibrio entre fases y los equipos de refrigeración disponibles durante el funcionamiento.

Defina la carga elevada antes de comparar los materiales de los devanados

Un transformador que alimenta equipos de proceso con carga constante tiene una exigencia térmica distinta de la de uno que alimenta motores con arranques intermitentes. Con una carga continua, la temperatura de los devanados puede aproximarse a su nivel de funcionamiento en régimen permanente. Un pico breve parte de la temperatura alcanzada con la carga anterior, por lo que el mismo pico de corriente puede tener consecuencias distintas según el momento del día en que se produzca.

Registre la potencia aparente, la corriente de cada fase, la duración de los picos y los intervalos de recuperación. La potencia activa por sí sola no es suficiente: un factor de potencia bajo aumenta la corriente para obtener la misma potencia útil. Asimismo, un valor de demanda promedio puede ocultar una fase muy cargada o picos repetidos que dejan poco tiempo para la refrigeración.

El arranque de motores plantea un requisito adicional. El transformador debe mantener una tensión aceptable durante la aceleración, teniendo en cuenta su impedancia y la alimentación aguas arriba. Aumentar únicamente la capacidad térmica no demuestra que el motor vaya a arrancar correctamente. Los arranques repetidos también generan calor que no queda reflejado en un simple promedio diario de kVA.

Por tanto, una especificación de servicio útil describe la carga sostenida máxima, las cargas transitorias recurrentes y las condiciones ambientales que se dan simultáneamente. La demanda futura debe indicarse expresamente, en lugar de incorporarse a un requisito indefinido de «servicio pesado».

El aluminio requiere un diseño adecuado del conductor y del devanado

El aluminio tiene una resistividad eléctrica mayor que el cobre. Para igualar la longitud del conductor y la resistencia a una temperatura comparable, un conductor de aluminio necesita una sección transversal mayor. Un transformador diseñado teniendo en cuenta este requisito puede alcanzar las pérdidas en carga y el aumento de temperatura especificados. Sustituir el cobre por aluminio en dimensiones definidas para el cobre modificaría esos resultados.

El mayor tamaño del conductor afecta a la geometría del devanado, las distancias de aislamiento, los canales de refrigeración y el espacio disponible dentro de la ventana del núcleo. Estos aspectos interactúan: añadir sección de conductor mientras se restringe el flujo de aire puede menoscabar la mejora térmica prevista. Compare los diseños completos de transformadores según sus prestaciones garantizadas, en lugar de suponer que el material del conductor determina la eficiencia.

Con una carga continua elevada, las pérdidas en carga merecen especial atención, ya que, a una resistencia determinada, el componente resistivo aumenta aproximadamente con el cuadrado de la corriente. La resistencia, a su vez, aumenta a medida que se calienta el devanado. Compare las pérdidas declaradas a la misma temperatura de referencia y con la misma potencia nominal; las cifras indicadas en condiciones diferentes no son directamente comparables.

Las pérdidas en vacío siguen siendo relevantes durante los periodos en que el transformador está energizado y la demanda es baja, pero unas pérdidas en vacío reducidas no compensan un calentamiento excesivo de los devanados durante una corriente alta sostenida. El equilibrio entre estas pérdidas debe corresponder al programa de funcionamiento real.

La capacidad térmica debe adaptarse a la instalación

Los datos de aumento de temperatura deben corresponder a la construcción propuesta de los devanados, la envolvente y el modo de refrigeración. Una prueba realizada con ventilación sin obstrucciones no demuestra que el rendimiento sea idéntico dentro de una sala eléctrica con ventilación restringida. El aire de refrigeración debe llegar al transformador y evacuar el calor sin recircular repetidamente a través de los devanados.

En un transformador de tipo seco, la ventilación de la sala, las aberturas de la envolvente, las distancias de separación y la acumulación de polvo influyen en la refrigeración. La gran altitud reduce la densidad del aire y requiere una evaluación conforme a las condiciones de diseño aplicables. La temperatura ambiente debe evaluarse en el punto de entrada del aire de refrigeración al equipo, especialmente si la maquinaria cercana eleva la temperatura local.

Las capacidades nominales con refrigeración natural y forzada deben mantenerse diferenciadas. Si la potencia de salida requerida depende de los ventiladores, una avería de estos modifica la capacidad disponible. La especificación debe definir la carga admisible sin refrigeración forzada y la respuesta ante una pérdida de ventilación. Las alarmas y los disparos por temperatura deben coordinarse con ese límite de funcionamiento.

Una designación de aislamiento como Clase H identifica una clase térmica; no establece una sobrecarga continua admisible ni garantiza la vida útil a cualquier temperatura del devanado. El aumento medio de temperatura del devanado tampoco describe por completo el punto más caliente. El calentamiento localizado cerca de la salida de un conductor, de un canal de refrigeración restringido o de una conexión puede limitar el rendimiento antes de que el valor medio resulte excesivo.

ElTransformador seco no encapsulado describe una construcción de bobinas impregnadas al vacío y sin encapsular, con devanados continuos de alta tensión y devanados de baja tensión bobinados con lámina. Estas características son pertinentes para evaluar la construcción de los devanados y la refrigeración, pero no determinan el material del conductor. Para seleccionar un devanado de aluminio, aún es necesario confirmar el conductor ofrecido y disponer de datos térmicos específicos del modelo. Toda capacidad de sobrecarga indicada debe especificar la temperatura ambiente, la carga inicial, el modo de refrigeración, la duración y los límites de temperatura permitidos.

Los armónicos y las conexiones pueden determinar el límite práctico

Los rectificadores, los variadores de velocidad y otras cargas no lineales generan corrientes armónicas. Estas aumentan la corriente eficaz y producen pérdidas adicionales por corrientes parásitas y de dispersión. En consecuencia, dos cargas con una potencia aparente similar pueden generar temperaturas distintas en los devanados. Una capacidad nominal establecida para una corriente sinusoidal requiere una evaluación aparte respecto del espectro armónico previsto.

Las dimensiones de la lámina y la disposición del devanado afectan a las pérdidas adicionales, por lo que una tolerancia genérica para armónicos no es evidencia suficiente para un diseño concreto. Proporcione el espectro de corriente previsto o un modelo de carga justificable y solicite después el límite de carga aplicable. Si hay cargas no lineales monofásicas, incluya los requisitos de corriente del neutro y el desequilibrio entre fases.

Las terminaciones de aluminio requieren la misma atención. La formación de óxido, la expansión térmica y la deformación con el tiempo bajo la presión de apriete afectan al diseño de las uniones. Las interfaces adecuadas, la preparación controlada de las superficies, los compuestos para uniones especificados cuando sean necesarios y los procedimientos de apriete aprobados ayudan a mantener una baja resistencia de contacto. Las conexiones entre aluminio y cobre requieren una interfaz diseñada para esos materiales y para el entorno en el que se encuentran.

Un terminal caliente con temperaturas de los devanados por lo demás aceptables apunta a un problema de conexión; unas temperaturas elevadas en todos los devanados sugieren un problema de carga o refrigeración. La termografía bajo una carga documentada ayuda a distinguir estas condiciones. Los resultados de la inspección deben compararse con corrientes y temperaturas ambiente similares, ya que una unión con poca carga puede ocultar una resistencia que se vuelve significativa durante los picos de funcionamiento.

Evidencia que respalda la aceptación

La documentación técnica presentada debe relacionar el transformador propuesto con el servicio previsto. La siguiente evidencia permite responder a distintos aspectos de la idoneidad:

• Pérdidas garantizadas y aumento de temperatura: las temperaturas de referencia, las condiciones de refrigeración y los límites de aceptación indicados permiten comparar de forma significativa los diseños de aluminio y cobre.
• Un informe de ensayo de aumento de temperatura del diseño ofertado, o una justificación técnica documentada que explique cómo el diseño ensayado lo representa. Las diferencias en la envolvente, la disposición de los devanados y la refrigeración requieren una explicación de ingeniería.
• Justificación de la capacidad de soportar cortocircuitos. La carga elevada y la capacidad de soportar fallos son requisitos distintos. Los soportes de los devanados, la geometría de los conductores y el sistema de sujeción deben resistir el esfuerzo de cortocircuito especificado.
• Detalles de las conexiones, ubicación de los sensores de temperatura y respuesta de carga tras un fallo de los ventiladores. Estos datos permiten determinar si la capacidad térmica seguirá siendo aprovechable después de la instalación.

Las mediciones rutinarias de resistencia de los devanados son útiles para identificar discrepancias entre fases o conexiones, pero no sustituyen a los ensayos térmicos. Del mismo modo, los ensayos dieléctricos demuestran el comportamiento del aislamiento en las condiciones del ensayo; no demuestran la capacidad para funcionar de forma continua con cargas elevadas.

Cuándo está justificada la selección

Los devanados de aluminio son una opción adecuada cuando el diseño completo cumple los requisitos de pérdidas, temperaturas, comportamiento de tensión y capacidad de soportar fallos dentro del espacio disponible para la instalación. Conviene comparar también con el cobre cuando las restricciones de espacio dificulten alojar un devanado de mayor tamaño o cuando el diseño de aluminio ofertado no pueda cumplir los límites exigidos de pérdidas o temperatura.

La aceptación debe seguir siendo condicional si no se ha confirmado el material del conductor, si la capacidad ofertada depende de una refrigeración forzada no disponible o si una afirmación de sobrecarga no especifica la temperatura inicial ni la duración. Resolver estas cuestiones antes de aprobar la especificación evita que un transformador nominalmente adecuado termine instalado con una capacidad limitada.