La respuesta primero: un transformador para terminal de contenedores se dimensiona a partir de una lista de cargas de la flota de grúas con factores de demanda de ciclo de trabajo, y la grúa no es una carga de motor normal. Las grúas ship-to-shore (STS) y las grúas pórtico sobre raíles (RMG) consumen una carga cíclica que oscila entre la regeneración y el 150% del promedio dentro de un ciclo de 90 segundos, por lo que el transformador se selecciona en función del RMS térmico y de la temperatura del punto caliente, y no de la suma de las placas de características de los motores. Los enchufes de contenedores reefer son el problema opuesto — una carga estable, impulsada por las condiciones meteorológicas, que fija la base de la curva y el pico de verano. Dimensione la subestación de media tensión según la coincidencia entre esas dos familias, luego elija los transformadores de grúa según la potencia nominal cíclica, el factor K y la caída de tensión a lo largo del muelle, y el kVA, la impedancia, el grado de protección IP y la decisión entre seco y aceite se convierten todos en resultados calculados en lugar de hábitos.
Puntos clave
- Dimensione la capacidad de las grúas STS en 1.200–1.600 kVA instalados por grúa twin-lift para ULCV y aplique un factor de demanda de ciclo de trabajo de 0,40–0,50 — no el 0,7–0,9 utilizado para cargas de edificios. La coincidencia entre grúas en el mismo muelle es alta; la coincidencia entre grúas y reefers no lo es.
- Los reefers son la mayor carga estable en una terminal de transbordo. Un reefer integral de 40 pies consume aproximadamente 5–9 kW en régimen estable y 11–13 kW durante el pull-down, y el enchufe en sí tiene una capacidad nominal de aproximadamente 22 kVA a 32 A/400 V trifásico, por lo que la demanda de diseño se toma en kW a la temperatura ambiente de diseño y luego se convierte a kVA con un factor de potencia de 0,85–0,90.
- Seleccione los transformadores de grúa según la corriente RMS de 10 minutos y el límite del punto caliente (98 °C para una vida cíclica normal, según IEC 60076-7), no según el pico instantáneo. Una unidad de resina fundida con una constante de tiempo térmica de 30–60 minutos apenas responde a un pico de elevación de 20 segundos, que es exactamente la razón por la que una unidad de 1.600 kVA puede alimentar una grúa cuya demanda instantánea alcanza los 2.000 kVA.
- Los accionamientos de las grúas son la fuente de armónicos que decide el diseño del transformador. Un front-end de tiristores o diodos de 6 pulsos produce un THD de corriente del 25–35%; el de 12 pulsos lo reduce a la mitad; un front-end activo (AFE) con regeneración lo lleva al 4–8%. Especifique el factor K o una reducción de potencia según IEEE C57.110, porque un transformador de distribución estándar que transporta contenido armónico K-13 pierde del 10–20% de su capacidad útil por calentamiento de corrientes parásitas.
- Alimente las grúas a 6,6, 11 o 20 kV mediante un carrete de cable o un carril conductor y transforme a bordo o en una subestación de muelle. A 400 V, una grúa de 1.400 kVA al final de un recorrido de muelle de 400 m cae aproximadamente un 9% a plena carga; a 6,6 kV la misma carga cae un 0,3%. Ese único número decide la tensión.
- Las terminales costeras son un entorno de corrosión C5-M con temperatura ambiente de 40–45 °C, niebla salina y ciclos de condensación. Eso significa un mínimo de IP54 (IP55 en la grúa), sistemas de pintura ISO 12944 C5-M, aisladores de silicona o de resina fundida de alta tensión, herrajes de acero inoxidable y un diseño de refrigeración que asuma que el recinto no es una sala limpia.
- La capacidad firme N-1 en una terminal no es opcional: un atracadero sin grúas deja de generar ingresos. La disposición habitual es una barra colectora de grúas de 11 kV seccionada, alimentada desde dos o tres transformadores de 33/11 kV, de modo que cualquier indisponibilidad de un solo transformador deja todos los atracaderos con un número reducido de grúas en lugar de un atracadero fuera de servicio.
¿Qué cargas tiene una terminal de contenedores que no tiene una fábrica ordinaria?
Una fábrica tiene un proceso que define su perfil de carga. Una terminal tiene una flota, y la flota se mueve. Cuatro familias de cargas se comportan de manera completamente diferente, y la especificación del transformador la decide la que sea peor para el parámetro que se está especificando — las grúas para el servicio térmico cíclico y los armónicos, los reefers para el kVA estable, el cold ironing para el bajo factor de potencia a baja carga, y la capa de automatización y TI para la tolerancia a indisponibilidades.
| Familia de carga | Tamaño unitario típico | Característica de la carga | Qué exige en la especificación del transformador |
|---|---|---|---|
| Grúas STS (ship-to-shore) | 1.200–1.600 kVA instalados por grúa twin-lift para ULCV; demanda media de 400–800 kVA | Ciclo de 90–120 s, descenso regenerativo, accionamientos de cuatro cuadrantes, alta corriente de arranque | Régimen cíclico, factor K, uk% bajo para la caída de tensión, AFE o filtrado de armónicos, IP55 a bordo |
| Grúas de patio RMG / RTG | 300–600 kVA instalados; 150–300 kVA de media | Mismo servicio que las STS a menor escala; las RTG pueden ser diésel-eléctricas o e-RTG con carrete de cable | Régimen cíclico, tolerancia de la barra de BT, protección de falta a tierra y carrete de cable en e-RTG |
| Enchufes para contenedores reefer | 32 A/400 V trifásico por enchufe (unos 22 kVA), consumo real de 5–9 kW | Constante 24/7, dependiente de la meteorología, ciclado de compresores sincronizado con alta temperatura ambiente | Base de kVA constante, bajas pérdidas en vacío, tolerancia a armónicos de los accionamientos de compresores, regulación de tensión en el enchufe |
| Conexión a tierra (shore power) | 1–8 MVA por atraque según la clase de buque | Cero durante semanas, luego 60–80% de la potencia nominal durante una escala completa; conversión 50/60 Hz | Transformador y convertidor de frecuencia dedicados; véase la guía de shore power |
| Automatización, puertas, TI y seguridad | 0,5–2 MVA | Continuo, tolerancia casi nula a cortes, fuentes conmutadas | 2N o respaldado por UPS, K-13, bajo ruido si está cerca de oficinas |
| Iluminación de terminal y edificios | 1–3 MVA en total | Iluminación de mástiles altos de anochecer a amanecer, drivers LED, desequilibrio monofásico | Tolerancia a armónicos triples, dimensionado del neutro, regulación de tensión por pasos |
| Electrificación del patio y carga de AGV | 2–6 MVA | Carga de oportunidad, alta demanda de corta duración, bidireccional en patios más recientes | Régimen cíclico, estudio de armónicos, coordinación de protecciones con los rectificadores de los cargadores |
Lo primero que muestra esta tabla es que una cifra de "kVA instalados" carece prácticamente de significado en una terminal. Sumar 12 grúas STS de 1.400 kVA da 16.800 kVA de capacidad conectada, y un diseño simplista que aplique un factor de 0,8 especificaría una subestación de 13 MVA solo para las grúas. Las grúas nunca consumirán eso: los accionamientos de elevación, carro y pórtico están enclavados por el propio sistema de control de la grúa, y la demanda media de una grúa ULCV en funcionamiento es de 400–800 kVA con picos de corta duración.
¿Cómo se elabora la lista de cargas de las grúas y se dimensiona la subestación de la terminal?
El método tiene tres entradas genuinamente distintas de un cálculo de cargas de un edificio: los kVA instalados de la grúa, su ciclo de servicio medido o especificado y la productividad de atraque que la terminal está diseñada para alcanzar. Todo lo demás es aritmética.
Paso 1 — tomar los kVA instalados por grúa del listado de accionamientos, no de la suma de motores
Una grúa STS moderna tiene un accionamiento de elevación, uno de carro, uno de pórtico (traslación larga) y normalmente uno de elevación de pluma, además de cargas auxiliares para el spreader, la iluminación, el aire acondicionado y la ventilación de la sala de máquinas. En una grúa twin-lift para ULCV, la potencia instalada de los accionamientos suele situarse entre 1.200 y 1.600 kVA, pero la cifra que importa es la del transformador principal o la del interruptor principal de la propia grúa, porque el diseñador de la grúa ya ha aplicado los factores de simultaneidad internos. Solicite el diagrama unifilar de la grúa y la intensidad nominal del interruptor de entrada; no sume las placas de características de los motores.
Esa intensidad nominal de entrada también indica la corriente de arranque que verá el transformador. Una grúa con front-end AFE se energiza suavemente y consume poco más que la corriente nominal; una grúa con front-end de diodos de 6 pulsos y un gran bus de CC carga su banco de condensadores a través de una resistencia de precarga, pero el primer movimiento de un elevador en frío sigue produciendo un escalón de corriente de 1,5–2,0 veces la nominal. La guía de corriente de arranque cubre el lado del transformador de este aspecto; en una terminal también debe verificarse el generador o la protección aguas arriba frente al escalón de arranque de la grúa.
Paso 2 — aplicar un factor de demanda por ciclo de servicio y, además, un factor de coincidencia por atraque
Los factores de demanda de las grúas de 0,40–0,50 sobre los kVA instalados son normales para una flota en funcionamiento, porque una grúa pasa parte de cada ciclo esperando y los accionamientos no están todos a plena potencia a la vez. La coincidencia por atraque es mayor que la coincidencia de máquinas de una fábrica: cuando se atiende un buque, todas las grúas de ese atraque trabajan, y cuando el buque está atracado todo el muelle es productivo. La coincidencia entre atraques se aproxima a 1,0 durante un pico.
La excepción es la carga de los contenedores reefer, que no está anticorrelacionada con nada y simplemente persiste. A los reefers no les importa si se está trabajando un buque, y su demanda alcanza su máximo por la tarde con temperatura ambiente alta, que en una terminal de transbordo es también cuando la productividad de las grúas alcanza su pico, porque el patio intenta despejar el retraso acumulado.
Paso 3 — construir la demanda coincidente y luego aplicar N-1 sobre ella
Un ejemplo desarrollado para una terminal de 1,2 millones de TEU con seis atracaderos, 12 grúas STS, 24 RMG, 1.200 tomas reefer, 2 atracaderos con conexión eléctrica a buque (cold ironing) y un patio electrificado:
| Familia de carga | Capacidad conectada | Factor de demanda | Demanda kVA | Base |
|---|---|---|---|---|
| 12 grúas STS | 12 × 1.400 = 16.800 kVA | 0,45 | 7.560 | Ciclo de trabajo y simultaneidad de accionamientos dentro de la grúa |
| 24 grúas RMG | 24 × 450 = 10.800 kVA | 0,40 | 4.320 | Menor utilización que las STS; algunas unidades inactivas |
| 1.200 tomas reefer | 1.200 × 8,5 kW ÷ 0,88 = 11.591 kVA | 0,65 | 7.534 | Consumo medio de 8,5 kW a 40 °C, 65% simultáneo |
| Iluminación de terminal, edificios, puerta, TI | 2.400 kVA | 0,75 | 1.800 | LED de mástil alto, HVAC, fuentes conmutadas |
| Electrificación del patio y carga de AGV | 3.600 kVA | 0,50 | 1.800 | Carga de oportunidad, escalonada |
| Cold ironing, 2 atracaderos | 2 × 2.500 = 5.000 kVA | 0,35 | 1.750 | Ambos atracaderos ocupados solo en días punta |
| Suma de las demandas por familia | 24.764 | |||
| Pico coincidente con factor interfamiliar de 0,85 | 21.049 | Grúas y reefers alcanzan su pico juntos en verano | ||
| Con margen de diseño del 10% | 23.154 | ≈ 23 MVA con factor de potencia 0,95 |
Los 23 MVA de demanda coincidente recaen sobre una subestación de 33/11 kV con dos transformadores de 20 MVA, cada uno cargado a aproximadamente el 58% en el pico, con una tercera unidad de 20 MVA — o una bahía de subestación móvil preingenierizada — que proporciona capacidad firme N-1. Solo dos unidades darían únicamente 20 MVA de capacidad firme, lo que está por debajo del pico de diseño, y en una terminal eso significa desconectar grúas el día de mayor actividad del año. La guía de dimensionamiento del sistema de distribución cubre el nivel de alimentador del mismo cálculo.
¿Por qué el ciclo de trabajo de la grúa, y no la potencia pico en kW, determina la potencia nominal del transformador?
Un transformador es un dispositivo térmico. Su vida útil se consume por la temperatura del punto caliente, que sigue a la temperatura del devanado con una constante de tiempo de minutos (resina fundida) a un par de horas (sumergido en aceite con una gran masa de aceite). Por lo tanto, un ciclo de grúa de 90 segundos le parece al transformador una carga estable ligeramente elevada en lugar de una serie de picos. Por eso la entrada correcta para el cálculo de la potencia nominal es la corriente RMS en una ventana de 10 minutos, más una verificación de que el punto caliente se mantiene dentro de los límites durante el pico.
| Parámetro del ciclo de trabajo de la grúa | Valor típico | Efecto sobre el transformador |
|---|---|---|
| Tiempo de ciclo | 90–120 s (de lado tierra a lado buque y de vuelta) | Más corto que la constante de tiempo térmica del devanado, por lo que los picos se promedian |
| Demanda media en 10 min | 40–55% de los kVA instalados | Determina la carga RMS, que es la base real de dimensionamiento |
| Demanda pico durante la aceleración del izaje | 130–160% de la media | Determina la verificación de caída de tensión y la ponderación de la ventana RMS |
| Periodo regenerativo durante el descenso | 20–35% del tiempo de ciclo, −30 a −45% de la potencia nominal | Flujo de potencia bidireccional; energía devuelta a la barra o disipada en resistencias |
| Arranques por hora | 20–40 arranques de izaje | Etapas repetidas de magnetización y carga del bus de CC; la protección debe soportarlas |
| Horas de operación anuales | 6.000–8.000 h | Las pérdidas se pagan en casi todas las horas del año |
Pongámosle números. Una grúa con 1.400 kVA instalados consume 700 kVA durante 70 s del ciclo y 1.050 kVA durante 20 s, y regenera 450 kVA durante 20 s. En un ciclo de 110 s, el valor RMS es de aproximadamente 700 kVA, por lo que un transformador de 1.000 kVA parecería adecuado según la placa de características — pero el pico de 1.050 kVA con un factor de potencia de 0,8 equivale a 1,31 veces la corriente nominal, y el devanado debe mantenerse por debajo de su límite de punto caliente durante todo el turno, no solo durante el pico. El resultado práctico es que los transformadores para grúas se especifican entre 1,15 y 1,3 veces el RMS de 10 minutos, lo que para este ejemplo supone 800–900 kVA de transformador para una grúa de 1.400 kVA. Ese es el número que debe figurar en la hoja de datos, junto con la clase de servicio de la grúa y el cálculo del RMS adjunto.
La clase de servicio en sí debe indicarse de la misma manera en que se clasifica la grúa. Las grúas se clasifican por el número de ciclos y el espectro de carga (grupos A1 a A8 de ISO 4301-1 para la grúa en su conjunto, FEM 9.511 para los mecanismos, M1–M8), y una grúa de terminal que trabaja 24/7 se sitúa en los grupos superiores. Un transformador adquirido para un servicio M4 e instalado en una grúa M8 funcionará caliente durante toda su vida útil, y ningún grado de reducción de potencia posterior corrige la constante de tiempo del devanado. Indique el grupo de servicio de la grúa en la consulta.
¿Por qué las grúas STS inyectan más armónicos que una fábrica normal?
Una fábrica tiene un único accionamiento grande que repite el mismo movimiento. Una grúa tiene cuatro accionamientos, cada uno acelerando y desacelerando de forma independiente, consumiendo energía a través de un rectificador que la mayor parte del tiempo está solo parcialmente cargado. Por lo tanto, el espectro armónico cambia continuamente, y a carga ligera la THD de corriente es peor — un accionamiento que consume un 8% de THD a plena carga puede consumir un 40% al 20% de carga, porque la fundamental se desploma mientras las muescas de conmutación mantienen el mismo tamaño.
| Etapa de entrada | THD de corriente, típica | Regeneración | Implicación en el transformador |
|---|---|---|---|
| Puente de diodos de 6 pulsos con chopper de frenado | 25–40% | No (disipada en resistencias) | K-13 o K-20, reducción de potencia según IEEE C57.110, a menudo un filtro pasivo |
| Tiristor de 6 pulsos (accionamiento CC, grúas más antiguas) | 25–35%, FP retrasado a baja velocidad | Parcialmente (inversión del rectificador controlado) | K-13, filtro de armónicos, mayor kVA para la componente reactiva |
| 12 pulsos (dos puentes, transformador desfasador) | 8–15% | No | Dos devanados secundarios, uno en delta y uno en estrella; el transformador forma parte del filtro |
| Frontal activo (AFE) con rectificador IGBT | 4–8% | Sí, cuatro cuadrantes, FP cercano a la unidad | Una unidad estándar K-4 a K-9 es adecuada; verificar el contenido de alta frecuencia por encima del armónico 25 |
| AFE más filtro activo | 2–5% | Sí | Unidad estándar; el filtro es un activo separado con su propio modo de falla |
Vale la pena entender el caso de 12 pulsos porque traslada el problema de los armónicos al transformador. Dos puentes de 6 pulsos alimentados desde un secundario en delta y uno en estrella, con 30° de desfase entre ellos, cancelan los armónicos 5.º y 7.º en el primario. Esa cancelación solo se cumple si los dos secundarios están cargados por igual, lo cual no ocurre cuando un accionamiento de carro está inactivo, por lo que una grúa de 12 pulsos sigue necesitando un transformador diseñado para el espectro residual, no para una cancelación ideal de libro de texto. Un transformador de tres devanados construido para este servicio es un producto diferente de una unidad de distribución de dos devanados, y debe especificarse como tal.
Para cualquiera de estos casos, el factor K es el lenguaje en el que hay que especificar. El factor K pondera cada armónico por el cuadrado de su orden, porque la pérdida por corrientes parásitas aumenta con el cuadrado de la frecuencia, y un transformador K-13 está diseñado para soportar un espectro cuyo factor K es 13 sin exceder su punto caliente nominal. La guía de selección del factor K proporciona el cálculo, y la guía de armónicos cubre la física y las opciones de mitigación. Del lado de la red en el punto de acoplamiento común, IEEE 519-2014 establece los límites de distorsión de corriente; en una terminal, el PCC suele ser la entrada de 33 kV, y los armónicos de la grúa se atenúan por la impedancia del transformador de 33/11 kV, lo que es una razón más para no hacer innecesariamente alto el uk% de ese transformador.
¿Por qué se alimenta la grúa a 6,6–11 kV en lugar de 400 V?
Porque el muelle es largo. Una grúa recorre toda la longitud de un atracadero, y el carrete de cable transporta 300–600 m de cable. En baja tensión, la resistencia y la reactancia de ese cable dominan el diseño; en media tensión son irrelevantes.
El cálculo de la caída de tensión es el estándar:
ΔU% = √3 × I × (R cosφ + X sinφ) ÷ Un × 100
Tomemos una grúa de 1.400 kVA con un factor de potencia de 0,9, alimentada a través de 400 m:
| Tensión de distribución | Corriente de la grúa | Disposición de cables en más de 400 m | Caída de tensión a plena carga |
|---|---|---|---|
| 400 V | 2.021 A | 4 × 240 mm² Cu por fase en paralelo | ≈ 9,0% — inaceptable |
| 690 V | 1.172 A | 3 × 240 mm² Cu por fase en paralelo | ≈ 5,2% — marginal, gran cantidad de cobre |
| 6,6 kV | 122 A | 1 × 3 × 95 mm² Cu | ≈ 0,27% — despreciable |
| 11 kV | 74 A | 1 × 3 × 50 mm² Cu | ≈ 0,21% — despreciable |
Un nueve por ciento a 400 V no es un problema de margen de diseño, es una falla: los variadores de la grúa dispararán por subtensión durante el arranque de un izaje, y la solución es o bien un cable tan grande que el carrete no pueda transportarlo o bien una distribución de media tensión. Esta es la razón por la que las grúas STS se alimentan a 6,6 o 11 kV mediante un carrete de cable motorizado o una barra conductora en el muelle, con el transformador ya sea a bordo de la grúa (lo más habitual, de 11 kV o 6,6 kV a 0,69 kV o 0,48 kV) o en una subestación de muelle que alimenta una barra colectora de baja tensión. La guía de regulación de tensión cubre el cálculo con más detalle, incluido el efecto del factor de potencia en los términos resistivo y reactivo.
La elección entre 6,6 y 11 kV suele ser un estándar del emplazamiento más que una cuestión técnica, pero dos cosas sí cambian: a 11 kV el cable y el carrete son más pequeños y económicos para la misma potencia, y el nivel de aislamiento y el BIL del transformador aumentan, lo que cuesta un poco más. Cuando la terminal también dispone de conexión a tierra para buques (cold ironing) a 6,6 o 11 kV, alinear la tensión de la grúa con la tensión de la red de tierra permite que la misma familia de aparamenta y los mismos repuestos sirvan para ambas. Las terminales en redes de 60 Hz se enfrentan al problema adicional de que una grúa de 60 Hz comprada para un proyecto puede reasignarse a una terminal de 50 Hz; la guía de 50 Hz frente a 60 Hz explica por qué la relación V/f, y no la frecuencia de placa de características, determina si eso funciona.
¿Qué efecto tiene el frenado regenerativo sobre el transformador y sobre la factura energética?
Cada movimiento de descenso devuelve energía. Un izaje que baja una carga de spreader de 40 toneladas recupera entre el 30 y el 45% de la energía que el izaje consumió al elevarla, y un pórtico que desacelera recupera su energía cinética. En una grúa con rectificador de diodos, esa energía se disipa en una resistencia de frenado y aparece como calor en la sala de máquinas; en una grúa con AFE, se inyecta de vuelta a la barra de 11 kV, donde puede ser absorbida por otra grúa que esté izando, por los contenedores refrigerados (reefers) o exportada a la compañía eléctrica.
Tres consecuencias para el transformador. Primera, el transformador debe ser capaz de soportar potencia inversa, lo cual es una cuestión de protección y medición más que térmica, pero a menudo se pasa por alto cuando una grúa con rectificador de diodos se reequipa con variadores AFE. Segunda, el espectro armónico en regeneración no es el mismo que en motorización, por lo que un filtro sintonizado para motorización puede no cubrir el caso de regeneración. Tercera, la energía recuperada tiene que ir a algún sitio: si la terminal no tiene otra carga, el transformador de 33/11 kV la devuelve a la compañía eléctrica, y algunas compañías cobran por la exportación de reactiva o exigen un relé de potencia inversa. Cuando la energía regenerada es grande y la conexión a la red es débil, las terminales instalan un volante de inercia o almacenamiento en baterías en la barra de 11 kV, lo cual es un activo independiente pero modifica la carga RMS del transformador y debe incluirse en el estudio de cargas.
¿Deben los transformadores de grúa ser secos o sumergidos en aceite?
La respuesta se divide por ubicación, no por preferencia. A bordo de una grúa, el transformador se sitúa en una sala de máquinas sobre el muelle, a menudo con ventilación limitada, y constituye un riesgo de incendio que la autoridad portuaria no aceptará en forma de aceite. En una subestación de muelle o en la subestación principal de 33/11 kV, las unidades sumergidas en aceite son más económicas por kVA, toleran mejor el ambiente costero y tienen una constante de tiempo térmica más larga, lo que se adapta a la carga cíclica.
| Ubicación | Elección típica | Motivo |
|---|---|---|
| Grúa STS a bordo (11/0,69 kV, 1.000–1.600 kVA) | Seco de resina fundida, IP55, Clase F o H | Sin aceite sobre el muelle; riesgo de incendio y derrame inaceptable; refrigeración por aire forzado para el pico |
| RMG / e-RTG a bordo (6,6/0,4 kV) | Seco de resina fundida, IP55 | Mismo argumento contra incendios a menor escala; vibración e inclinación durante el desplazamiento |
| Subestación de muelle (11/0,4 kV, 1.000–2.500 kVA) | Cualquiera de los dos; resina fundida en recintos cerrados, inmerso en aceite donde el espacio exterior lo permita | El aceite es un 20–30% más económico y tiene mejor margen de sobrecarga; la resina evita el cubeto de retención |
| Subestación principal 33/11 kV (20–40 MVA) | Inmerso en aceite, ONAN/ONAF, con OLTC | Costo, eficiencia, rango de tomas para la tensión de la red; práctica estándar de la compañía eléctrica |
| Subestación de reefer (11/0,4 kV) | Inmerso en aceite o resina fundida | Carga estable, bajo contenido armónico; la capitalización de pérdidas favorece la unidad eficiente |
El caso a bordo tiene un detalle que sorprende a los compradores: el fabricante de la grúa a menudo especifica el transformador como parte del paquete de la grúa, y la especificación propia de la terminal nunca llega a él. Si el puerto desea una clase de aislamiento concreta, un grado IP determinado o un factor K, debe hacerse constar en la orden de compra de la grúa, no en el pedido de transformadores que llega después. La guía de selección entre aceite y tipo seco cubre la lógica general de selección, y la guía de métodos de refrigeración explica por qué una unidad de resina fundida AN/AF puede dimensionarse a 1,25–1,5 veces su potencia nominal AN para el pico corto de la grúa, que suele ser el kVA más económico que puede comprar una terminal.
¿Qué grado IP y clase de corrosión necesita una terminal costera?
Una terminal de contenedores es uno de los entornos eléctricos más severos en uso industrial normal: aire cargado de sal, 80–95% de humedad relativa, condensación cada noche cuando el acero se enfría por debajo del punto de rocío, arena arrastrada por el viento y una temperatura ambiente de 40–45 °C en los trópicos con ganancia solar adicional. IP54 es el mínimo para cualquier envolvente de transformador en una terminal, e IP55 es lo habitual en la grúa debido al lavado y a la lluvia impulsada por el viento. El grado IP protege contra el agua y el polvo; no dice nada sobre la corrosión, que es una especificación independiente.
La especificación de corrosión debe ser ISO 12944-2 categoría C5-M (corrosividad muy alta, marina) para cualquier elemento situado a pocos kilómetros del agua, con un sistema de pintura de al menos 240 µm de espesor total de película seca en un imprimador rico en zinc, una capa intermedia epoxi y un acabado de poliuretano. Detalles prácticos que fallan primero en terminales reales: sujetadores cincados (usar acero inoxidable 316), juntas de cuba sin pintar, bandejas portacables de acero al carbono, respiraderos estándar que aspiran niebla salina y juntas de goma que se endurecen con la radiación UV. Para las unidades inmersas en aceite, un diseño hermético o un conservador con bolsa de membrana evita por completo la respiración de aire costero húmedo.
La temperatura ambiente es la otra mitad del mismo problema. Un transformador dimensionado para 40 °C de ambiente pierde aproximadamente un 8–10% de su capacidad a 45 °C, y una unidad de resina fundida en una envolvente de acero al sol puede alcanzar 50 °C de aire interior. El derrateo debe aplicarse a la cifra RMS de la grúa, no descubrirse después, y la ventilación de la envolvente debe diseñarse para la disipación térmica real, no para la pérdida de placa de características del transformador a 20 °C.
¿Cómo se mantienen las grúas en funcionamiento cuando falla un transformador?
La disponibilidad de una terminal se mide en movimientos por hora, y una interrupción por fallo de un transformador que detiene dos grúas durante una semana cuesta más que el transformador. La respuesta de diseño es una barra colectora de MT seccionada con capacidad N-1, además de una estrategia de repuesto acordada antes de pedir la primera unidad.
La disposición habitual es una barra colectora doble o una barra colectora simple con una sección normalmente abierta a nivel de 11 kV, cada mitad alimentada por su propio transformador 33/11 kV, y cada grúa de muelle alimentada desde una sección de barra colectora a través de un carrete de cable. Cuando un transformador está fuera de servicio, el interruptor de sección se cierra y el transformador restante abastece todo el muelle con un número reducido de grúas, lo que supone una pérdida de productividad en lugar de una parada. Donde la terminal no puede aceptar ni siquiera eso, el tercer transformador está energizado y en reserva caliente, lo que supone una pérdida en vacío cada hora del año pero elimina el tiempo de conmutación.
La protección debe adaptarse a la topología. Los alimentadores de grúas experimentan corrientes de arranque repetidas, regeneración y un carrete de cable que es un componente mecánico móvil con una vida útil finita: la protección de falla a tierra en una grúa alimentada por carrete debe ser lo suficientemente sensible como para detectar una falla en el extremo lejano de 600 m de cable sin dispararse por la capacitancia normal de ese cable. La protección diferencial de transformador en una unidad de 20 MVA es estándar; en un transformador de grúa a bordo de 1.600 kVA generalmente se reemplaza por falla a tierra restringida y un fusible o interruptor en el lado de MT, porque la protección propia de la grúa está coordinada con la del puerto. La guía de dispositivos de protección cubre el conjunto de dispositivos, y la guía de cálculo de corriente de cortocircuito proporciona el método de nivel de falla del que dependen los ajustes.
¿Cómo cambia la impedancia el nivel de falla y la caída de tensión de la grúa?
Dos requisitos tiran en direcciones opuestas. Un uk% bajo mantiene pequeña la caída de tensión durante el arranque de una elevación y ayuda a la grúa a superar la perturbación; un uk% alto limita el nivel de falla en la barra colectora de 0,4 kV o 0,69 kV para que los interruptores y las barras colectoras de la grúa puedan ser productos estándar. En una terminal, la caída de tensión suele ser la restricción determinante porque cada arranque de grúa es visible en la misma barra.
| Transformador | uk% típico | Efecto |
|---|---|---|
| 33/11 kV, 20 MVA | 10–12% | Limita el nivel de falla de 11 kV; también aísla los armónicos de la grúa del PCC de 33 kV |
| Grúa a bordo de 11/0,69 kV, 1.600 kVA | 5–6% | Compromiso entre la caída de tensión y el nivel de falla de BT; verificar la capacidad de ride-through del accionamiento de la grúa |
| Subestación de muelle de 11/0,4 kV, 1.600 kVA | 5–6% | Estándar; nivel de falla de BT de alrededor de 30–40 kA en la barra colectora |
| Subestación de contenedores reefer de 11/0,4 kV, 2.000 kVA | 6% | Carga constante, sin requisito de caída de tensión; un uk% más alto ahorra costo en la aparamenta de BT |
El cálculo de la caída de tensión es el mismo que el cálculo de la caída de tensión a corriente de arranque. Un transformador de 1.600 kVA con uk de 5,5% que alimenta una grúa que pasa a 2,5 veces su corriente nominal durante un segundo provocará una caída en la barra de aproximadamente 5,5% × 2,5 ≈ 13,75% si la fuente aguas arriba fuera infinita, y de más una vez que se suman el transformador de 33/11 kV y la impedancia de la fuente de la red eléctrica. La mayoría de los accionamientos de grúa toleran una caída de 15–20% durante un segundo; algunos accionamientos AFE disparan a un 10% por debajo de la nominal durante más de unos pocos ciclos. Esa tolerancia es el valor con el que se debe diseñar, y debe obtenerse por escrito del proveedor de la grúa en lugar de suponerse.
¿Qué debe incluirse en la consulta y en la hoja de datos?
Dos ofertas de transformadores de terminal son comparables solo si ambas responden las mismas preguntas. La lista a continuación es lo suficientemente corta como para enviarla con una RFQ y lo suficientemente específica como para que un proveedor no pueda responderla con una hoja de catálogo estándar.
| Campo | Qué indicar |
|---|---|
| Potencia nominal y régimen de servicio | kVA a la temperatura ambiente especificada, más el régimen cíclico (kVA RMS, kVA pico, tiempo de ciclo, arranques por hora) y el grupo de servicio de la grúa (ISO 4301-1 / FEM 9.511) |
| Tensiones y grupo de conexión | AT y BT, rango de tomas y tipo de cambiador de tomas, grupo de conexión (Dyn11 es normal; una grúa de 12 pulsos necesita dos secundarios, p. ej. Dyn11d0) |
| Impedancia | uk% a corriente nominal, con la tolerancia, y el nivel de falla de BT resultante |
| Régimen de armónicos | Factor K o el espectro medido, factor de reducción de capacidad según IEEE C57.110, y si un filtro forma parte del paquete |
| Refrigeración y elevación de temperatura | AN/ANAF/AF, clase de elevación de temperatura, temperatura ambiente de diseño (40 °C, 45 °C o 50 °C), límite de punto caliente |
| Envolvente | Grado de protección IP, interior/exterior, disposición de ventilación, entrada de cables, puntos de izaje y de gato para una sala de máquinas de grúa |
| Corrosión | Categoría ISO 12944-2, sistema de pintura y espesor de película seca, material de los sujetadores, material y acabado del tanque |
| Pérdidas | Pérdidas en vacío y en carga en kW, garantizadas con tolerancia, y la tasa de capitalización utilizada en la evaluación |
| Ensayos y documentación | Ensayos de rutina según IEC 60076-1, informes de ensayos de tipo, ensayo de elevación de temperatura, nivel sonoro según IEC 60076-10, y el régimen de inspección de embarque |
| Normas | Serie IEC 60076 más cualquier desviación local (GB/T 6451 en China, IEEE C57.12.00 en Norteamérica, listado UL donde la terminal esté en una jurisdicción UL) |
Los dos datos que suelen faltar en las consultas reales son la clase de servicio y el espectro de armónicos, y son los dos que más influyen en el precio. A un proveedor que no se le indica el régimen de trabajo de la grúa cotizará un transformador de distribución estándar con pérdidas estándar, y la terminal descubrirá la diferencia en el tercer verano. Envíe el ciclo de accionamiento de la grúa, el diagrama unifilar, el número de tomas para contenedores reefer y la temperatura ambiente de diseño de forma conjunta, y solicite en la oferta las cifras de pérdidas y el cálculo de reducción de capacidad. La lista de verificación de inspección previa al envío recoge lo que hay que verificar antes de que la unidad se embarque, lo cual en una terminal es importante porque la grúa no puede ponerse en servicio sin ella.
¿Cómo afecta la elección del transformador al coste a veinte años?
Una terminal opera entre 6.000 y 8.000 horas al año, y las pérdidas se pagan con tarifas industriales que con frecuencia superan los 0,10 USD/kWh. Tomemos un transformador de grúa a bordo de 1.600 kVA con 2,4 kW de pérdidas en vacío y 16 kW de pérdidas en carga a plena carga, con una carga media del 45% durante 7.000 horas:
Pérdidas = 2,4 + 16 × 0,45² = 2,4 + 3,24 = 5,64 kW, lo que durante 7.000 horas supone 39.480 kWh al año. A 0,10 USD/kWh son 3.948 USD al año, y el valor actual a veinte años al 6% es de unos 45.300 USD. En 12 grúas STS la factura de pérdidas supera el medio millón de dólares de valor actual, lo que normalmente es varias veces la diferencia de precio entre un diseño estándar y uno de bajas pérdidas.
Ese cálculo aboga por dos cosas: especificar las pérdidas y capitalizarlas en la evaluación, y no sobredimensionar. Un transformador de grúa que funciona al 25% de carga media paga casi las mismas pérdidas en vacío que uno al 50%, pero entrega la mitad de movimientos, y los diseñadores de terminales que añaden un 30% de "capacidad futura" a cada transformador de grúa acaban pagándolo durante dos décadas. La guía del coste total de propiedad ofrece el método de capitalización, y la comparativa de normas de eficiencia recoge los mínimos reglamentarios aplicables en la UE, EE. UU. y China — en una terminal esos mínimos son un suelo, no un objetivo.
Si está preparando una consulta para una terminal, una subestación de muelle o un paquete de grúa, la vía más rápida para obtener una oferta comparable es enviar la lista de la flota de grúas con los kVA instalados y la clase de servicio, el número de tomas para contenedores reefer y la temperatura ambiente de diseño, el diagrama unifilar con las tensiones propuestas, y el estudio de armónicos o el ciclo de accionamiento. Nuestro equipo de ingeniería puede convertir eso en una especificación de transformador dimensionado con el régimen cíclico, la reducción de capacidad por factor K, la comprobación de caída de tensión y un presupuesto indicativo en una sola pasada. También puede empezar por las calculadoras de sistemas de potencia para comprobar el nivel de cortocircuito, la caída de tensión y la capitalización de pérdidas antes de dirigirse a cualquier proveedor.
Sources / 资料来源
Fuente: IEC 60076-1 — Transformadores de potencia, requisitos generales.
Fuente: IEC 60076-2 — Elevación de temperatura para transformadores sumergidos en líquido.
Fuente: IEC 60076-3 — Niveles de aislamiento, ensayos dieléctricos y distancias de aislamiento externas en aire.
Fuente: IEC 60076-5 — Capacidad para soportar cortocircuitos.
Fuente: IEC 60076-7 — Guía de carga para transformadores de potencia sumergidos en aceite, incluida la carga cíclica y los límites de punto caliente.
Fuente: IEC 60076-10 — Determinación de los niveles de ruido.
Fuente: IEC 60076-11 — Transformadores de potencia de tipo seco, incluidas las clases de comportamiento climático, ambiental y frente al fuego.
Fuente: IEC 60137 — Aisladores pasantes aislados para tensiones alternas superiores a 1.000 V.
Fuente: IEC 60214 — Cambiadores de tomas.
Fuente: IEC 60034-1 — Máquinas eléctricas rotativas, asignación y comportamiento, ciclos de servicio S1–S10.
Fuente: IEC 61439-1 e IEC 61439-2 — Conjuntos de aparamenta y control de baja tensión.
Fuente: IEC 61936-1 — Instalaciones de potencia superiores a 1 kV en CA, reglas comunes.
Fuente: IEC 60529 — Grados de protección proporcionados por las envolventes (código IP).
Fuente: ISO 4301-1 — Grúas, clasificación, generalidades (grupos de servicio de grúas A1–A8).
Fuente: FEM 9.511 — Reglas para el diseño de equipos de elevación de series, clasificación de mecanismos.
Fuente: IEEE C57.110-2018 — Determinación de la capacidad del transformador cuando suministra corrientes de carga no sinusoidales.
Fuente: IEEE 519-2014 — Control de armónicos en sistemas de energía eléctrica.
Fuente: IEEE C57.12.00 — Requisitos generales para transformadores de distribución, potencia y regulación sumergidos en líquido.
Fuente: IEEE C57.91 — Guía para la carga de transformadores sumergidos en aceite mineral y reguladores de tensión por pasos.
Fuente: GB/T 6451-2015 — Parámetros técnicos y requisitos para transformadores de potencia trifásicos sumergidos en aceite.
Fuente: GB 20052-2020 — Valores mínimos admisibles de eficiencia energética y grados de eficiencia energética para transformadores de potencia.
Fuente: Reglamento (UE) n.º 548/2014 de la Comisión — Requisitos de diseño ecológico para transformadores de potencia pequeños, medianos y grandes.
Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., 10 CFR Parte 431 Subparte K — Estándares de conservación de energía para transformadores de distribución.
Fuente: ISO 12944-2 — Categorías de corrosividad para estructuras de acero, categoría C5-M para atmósferas costeras.
Fuente: NFPA 70 (Código Eléctrico Nacional) Artículo 450 — Transformadores y bóvedas de transformadores.
Fuente: Experiencia de ingeniería de QDTB — listas de cargas de grúas de terminales de contenedores, dimensionamiento RMS del ciclo de servicio de grúas STS, factores de demanda de tomas para contenedores refrigerados, verificaciones de caída de tensión en muelle y reducción de capacidad por armónicos para accionamientos de grúas. Los valores marcados como experiencia del sector son rangos típicos de proyectos portuarios y de elevación pesada, no estándares publicados.