Un transformador factor K está diseñado para alimentar cargas con armónicos sin sobrecalentarse. El factor K de una carga pondera cada corriente armónica por el cuadrado de su orden, porque las pérdidas por corrientes parásitas en los devanados crecen con la frecuencia. Un transformador K-13, por ejemplo, soporta una carga cuyo factor K calculado no pasa de 13. No elimina los armónicos: los tolera. La alternativa es reducir la capacidad de un transformador estándar según IEEE C57.110 o atacar los armónicos con filtros.
El problema que resuelve
Un transformador convencional se diseña para corrientes sinusoidales a la frecuencia de la red. Los variadores de frecuencia, las fuentes conmutadas, los UPS, los rectificadores y la iluminación electrónica toman corrientes con armónicos: componentes a 3, 5, 7 o más veces la frecuencia fundamental.
Esos armónicos calientan el transformador más que una corriente sinusoidal del mismo valor eficaz, por dos razones:
- Pérdidas por corrientes parásitas en los devanados. Crecen aproximadamente con el cuadrado de la frecuencia. Un armónico de orden 5 produce, por amperio, mucho más calor que la fundamental.
- Pérdidas adicionales en partes metálicas: cuba, abrazaderas, pantallas.
El resultado es un transformador que se calienta con una corriente que en el amperímetro parece cómoda. Lo explicamos en por qué se calienta un transformador.
Qué es el factor K
El factor K de una carga mide cuánto calor adicional producen sus armónicos en los devanados. Se calcula a partir del espectro de corriente: cada corriente armónica, expresada en por unidad de la corriente eficaz total, se eleva al cuadrado y se multiplica por el cuadrado de su orden, y se suman todos los términos.
- Una carga lineal, sin armónicos, tiene K = 1.
- Cuanto más contenido de armónicos de orden alto, más grande es K.
Un transformador factor K es un transformador (normalmente seco, de baja tensión) diseñado y certificado bajo UL 1561 para alimentar a su potencia nominal una carga con un factor K hasta el valor de su rating. Los valores comerciales más comunes son K-4, K-13 y K-20. Para lograrlo, el fabricante usa conductores que reducen las pérdidas por corrientes parásitas, más capacidad térmica y un neutro sobredimensionado, porque los armónicos múltiplos de 3 se suman en el neutro de un sistema en estrella con cargas monofásicas.
| Rating | Orientación habitual de los fabricantes |
|---|---|
| K-1 | Transformador estándar; carga esencialmente lineal |
| K-4 | Mezcla de cargas lineales y electrónicas moderadas |
| K-13 | Alta proporción de cargas electrónicas monofásicas: oficinas, hospitales, centros educativos |
| K-20 o más | Cargas casi totalmente no lineales: centros de datos, salas de UPS |
La tabla orienta; el valor correcto sale de medir y calcular. Los fabricantes advierten además que un factor K sobredimensionado para alimentar variadores trifásicos puede llevar a un transformador más grande de lo necesario: para transformadores dedicados a convertidores existen diseños específicos (IEC 61378).
Las tres formas de manejar el calentamiento
1. Reducir la capacidad de un transformador estándar. IEEE C57.110 da el método para calcular cuánta carga puede llevar un transformador convencional con una corriente no sinusoidal dada, mediante un factor de pérdidas armónicas. Es la respuesta correcta para un transformador que ya está instalado: dice cuántos kVA puede entregar sin sobrecalentarse con su carga real.
2. Comprar un transformador factor K. Para un transformador nuevo que alimentará una carga predominantemente electrónica. Tolera los armónicos; no los reduce.
3. Reducir los armónicos. Reactancias de línea, variadores con rectificador activo o de 12 y 18 pulsos, filtros pasivos sintonizados o filtros activos. Ataca la causa y beneficia a toda la red de la planta. Vea filtro de armónicos activo o pasivo.
- ¿El transformador ya está instalado?
- Sí¿Se calienta o la carga está cerca de la nominal?
- SíCalcular la capacidad reducida según IEEE C57.110 y evaluar filtros
- NoMedir y registrar; sin acción inmediata
- No¿La carga será mayoritariamente electrónica monofásica?
- SíEspecificar factor K con base en el espectro medido o estimado
- NoEvaluar filtros en los variadores o un transformador para convertidor
En la práctica se combinan: un estudio puede concluir que un filtro en el grupo de variadores más grande, más un transformador estándar algo más grande, cuesta menos y resuelve más que un transformador K de alto rating.
Un detalle de normas y de países
El factor K de UL 1561 y de los catálogos de Estados Unidos y México no es el mismo «factor K» que aparece en algunas normas europeas, donde se usa con otra definición para calcular una reducción de capacidad. Si compara ofertas de fabricantes de distinto origen, confirme qué definición usa cada uno.
En Colombia, el RETIE pide que el diseño detallado de una instalación incluya el cálculo de transformadores con los efectos de los armónicos y del factor de potencia de la carga (numeral 3.3.1.1). Un transformador elegido solo por kVA, en una planta con muchos variadores, no cumple ese criterio de diseño.
Cómo se especifica bien
- Medir el espectro armónico de la corriente con un analizador de calidad de potencia, en operación representativa y en el punto que alimentará el transformador. Vea analizador de calidad de potencia.
- Calcular el factor K y el factor de pérdidas armónicas con esas mediciones.
- Considerar el crecimiento: nuevas líneas, más variadores.
- Revisar el neutro y los cables, que también se calientan con los armónicos de orden 3.
- Revisar el efecto en el punto de conexión: el transformador K no cambia lo que ve el operador de red. Vea estudio de armónicos según IEEE 519.
Cómo le ayudamos
Nuestro equipo hace el estudio de armónicos de su planta: analizamos las mediciones, calculamos el factor K y la capacidad real de sus transformadores según IEEE C57.110, y comparamos el transformador K con las opciones de filtrado para que elija con números. El estudio lo hacemos de forma remota con sus mediciones; en Colombia también medimos en sitio. Conozca nuestro servicio de calidad de potencia y escríbanos.
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Referencias
- UL 1561, Dry-Type General Purpose and Power Transformers (factor K).
- IEEE C57.110, Recommended Practice for Establishing Liquid-Immersed and Dry-Type Power and Distribution Transformer Capability When Supplying Nonsinusoidal Load Currents.
- IEC 61378-1, Converter transformers – Transformers for industrial applications.
- IEEE 519-2022, Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems.
- Ministerio de Minas y Energía de Colombia, Resolución 40117 de 2024 (RETIE), numeral 3.3.1.1.
Preguntas frecuentes
¿Qué significa K-13 en un transformador?
Que el fabricante lo diseñó y lo certificó para alimentar, a su potencia nominal, una carga cuyo factor K no supere 13 sin exceder su temperatura de diseño. El número no es un porcentaje de armónicos; resulta de sumar cada armónico de corriente, en por unidad, al cuadrado y multiplicado por el cuadrado de su orden.
¿Cómo sé qué factor K necesito?
Midiendo el espectro armónico de la corriente de la carga con un analizador, en operación representativa, y calculando el factor K con esas mediciones. Se elige un transformador con un factor K igual o mayor, con margen para las cargas futuras. Sin medición, el número se adivina.
¿Es mejor un transformador factor K o un filtro de armónicos?
Resuelven problemas distintos. El transformador K evita que el transformador se sobrecaliente, pero los armónicos siguen en la red de la planta y pueden afectar otros equipos o superar los límites en el punto de conexión. Un filtro reduce los armónicos en su origen. La decisión sale de un estudio de armónicos.