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Apunte n° 1

Rev: B

“Conceptos Básicos de Transformadores”

Módulo Curricular: Máquinas Eléctricas- 7° año - 2015 Profesor: Ing. Pablo Tripodi

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TRANSFORMADOR ELÉCTRICO Descripción General Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación

apropiada

para

optimizar

el

flujo

magnético.

Las

bobinas

o

devanados

se

denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Principio de funcionamiento

Representación esquemática del transformador.

Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro. Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario.

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Relación de Transformación La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:

La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.

Dónde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores. Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:

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El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

Principio de funcionamiento

Transformador monofásico ideal.

El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teoría del electromagnetismo resumida en las ecuaciones de Maxwell. Corriente de inrush La corriente de inrush o corriente transitoria de magnetización es una corriente varias veces la corriente nominal que se produce al momento de conectar el transformador a la red. Puede ser de 10 veces la corriente nominal hasta 100 veces en casos raros. 1

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO Existen muchos tipos de transformadores, entre los cuales el transformador trifásico tiene una importancia indudable. Este tipo de transformador se ocupa tanto en generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en transmisión por líneas de transmisión y en distribución en donde se transporta la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercio e industria. Todos los transformadores desde la generadora hasta la entrada de nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos. Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna. No es necesario decir que un transformador no funciona con corriente continua, puesto que para que exista un voltaje V debe haber una variación del flujo. V = N dΦ/dt donde N es el número de espiras del lado de alta o baja tensión del transformador. El término dΦ/dt es una derivada del flujo, o en términos simples la variación del flujo magnético. Faraday demostró en el siglo XIX que si se acerca un imán a una bobina moviendo el imán o la bobina se induce una corriente y produce un voltaje los cuales pueden hacer trabajo como encender una bombilla. A modo de curiosidad, en Internet existen varios dispositivos, denominados free energy, algunos de los cuales son falsos. Uno de ellos usa un imán permanente de neodimio fijo o estático sujeto a una bobina también fija, supuestamente al conectar una pequeña ampolleta esta daría luz. Esto es claramente un engaño pues no es posible generar corriente con un flujo magnético constante, de hecho el voltaje es 0 en esta situación. El autor sin embargo ocupa otra bobina debajo de la mesa oculta a la cámara, creando un transformador sencillo monofásico (formado por dos bobinas, una oculta y otra visible) en el cual en la primera bobina oculta induce una corriente sinusoidal la cual genera un flujo variable que induce una corriente y enciende la bombilla.

Partes El núcleo El núcleo está formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault,

que

son

corrientes

que

circulan

entre

láminas,

indeseadas pues favorecen las perdidas.

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Bobinas Las

bobinas

son

simplemente generalmente

alambre de

cobre

enrollado en las piernas del núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje

mayor.

Se

juega

entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases. Cambiador de taps El cambiador de taps o derivaciones es un dispositivo generalmente mecánico que puede ser girado manualmente para cambiar la razón de transformación en un transformador, típicamente, son 5 pasos uno de ellos es neutral, los otros alteran la razón en más o menos el 5%. Por ejemplo esto ayuda a subir el voltaje en el secundario para mejorar un voltaje muy bajo en alguna barra del sistema. Relé de sobrepresión Es un dispositivo mecánico que nivela el aumento de presión del transformador que pueden hacerlo explotar. Sin embargo existen varios equipos que explotan a pesar de tener este dispositivo. Existen el relé de presión súbita para presiones transitorias y el relé de sobrepresión para presiones más permanentes. Tablero de control Contiene las conexiones eléctricas para el control, relés de protección eléctrica, señales de control de válvulas de sobrepresión hacia dispositivos de protección. Configuraciones Las bobinas pueden ser conectadas de forma diferente en delta, estrella, o T. Se pueden hacer transformadores trifásicos de tres formas distintas: 1.

Conectando tres transformadores monofásicos

2.

Núcleo tipo acorazado

3.

Transformador tipo núcleo.

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Clases de ventilación Hay diferentes tipos de ventilación en un transformador. La ventilación puede ser por: 

Convección natural (N).



Ventilación forzada (F).

El refrigerante al interior del estante del transformador es de varios tipos: 

Aceite (O del inglés Oil).



Agua (W, del inglés Water).



Gas (G).

La nomenclatura que designa la ventilación es del tipo XXYY, donde XX indica el tipo de ventilación, y el YY el refrigerante usado. Según esto existen: 

ONAN



ONAF



ONWF



OFAF

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AUTOTRANSFORMADOR Un autotransformador es una máquina eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanado alrededor de un núcleo ferromagnético. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos eléctricos (fuente y carga). Cada toma corresponde a una tensión diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso). En un autotransformador, la porción común (llamada por ello "devanado común") del devanado único actúa como parte tanto del devanado "primario" como del "secundario". La porción restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la que proporciona la diferencia de tensión entre ambos circuitos, mediante la adición en serie (de allí su nombre) con la tensión del devanado común. La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a un autotransformador ocurre a través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético (como en un transformador común) y la conexión galvánica (a través de la toma común) entre los dos circuitos. Por esta razón, un autotransformador resulta en un aparato más compacto (y a menudo más económico) que un transformador de la misma potencia y tensiones nominales. De igual manera, un transformador incrementa su capacidad de transferir potencia al ser conectado como autotransformador.

Construcción de un autotransformador a partir de un transformador. En un transformador, las definiciones de primario y secundario son: 

: Tensión en el devanado primario



: Corriente en el devanado primario



: Tensión en el devanado secundario



: Corriente en el devanado secundario

Al conectarlo como autotransformador, hay que redefinir primario y secundario como:

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

: Tensión en el primario (devanado serie + común)



: Tensión en el secundario (devanado común)



: Corriente en el primario (devanado serie + común)



: Corriente en el secundario (devanado común)

Comparando ambas posibilidades de conexión, se observa que se cumplen las siguientes relaciones:

Pero:

Despreciando la rama en paralelo:

Con respecto a la potencia, para el transformador se cumple que:

o bien, despreciando las pérdidas,

La potencia al conectarlo como autotransformador es:

o bien, despreciando las pérdidas,

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si se sustituyen los valores y se agrupa correctamente, se obtiene:

Por lo tanto, al conectar un transformador como autotransformador, este aumenta su capacidad para transferir potencia en una proporción determinada por la relación de transformación de la conexión como transformador. La implicación directa de esta deducción matemática es que para transferir la misma cantidad de potencia entre dos circuitos, un autotransformador es de menor tamaño que un transformador equivalente. Principio de funcionamiento: Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, por lo que no pueden ser utilizados en circuitos de corriente continua. Para reducir al mínimo las pérdidas en el núcleo debidas a corrientes de Foucault y a la histéresis magnética, se suele utilizar acero eléctrico, laminado en finas chapas que luego se apilan y compactan. Las láminas del núcleo así construido se orientan haciendo coincidir la dirección

del flujo

magnético con

la

dirección

de

laminación,

donde

la permeabilidad

magnética es mayor. La relación de transformación de un autotransformador es la relación entre el número de vueltas del devanado completo (serie + común) y el número de vueltas del devanado común. Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puede obtener una tensión de salida (en el devanado "común") igual a la mitad del de la fuente (o viceversa). Dependiendo de la aplicación, la porción del devanado que se utiliza sólo para el circuito de alta tensión se puede fabricar con alambre de menor calibre (puesto que requiere menos corriente) que la porción del devanado común a ambos circuitos; de esta manera la máquina resultante es aún más económica.

Tipos de construcción Existen autotransformadores con varias tomas en el secundario y por lo tanto, con varias relaciones de transformación. De la misma manera que los transformadores, los autotransformadores también pueden equiparse con cambiadores de toma automáticos y utilizarlos en sistemas de transmisión y distribución para regular la tensión de la red eléctrica. Con la incorporación de varias tomas, es posible obtener más de un valor para la tensión del secundario e incluso es posible obtener tensiones ligeramente mayores a los de la fuente -para ello, el devanado debe construirse para que su tensión nominal sea ligeramente mayor que el del lado fijo o primario-. También existen autotransformadores en los que la toma secundaria se logra a través de una escobilla deslizante, permitiendo una gama continua de tensiones secundarias que van desde cero hasta la tensión de la fuente. Este último diseño se comercializó en Estados Unidos bajo el nombre genérico de Variac y en la práctica funciona como una fuente de corriente alterna regulable en tensión, de esta manera tenemos una máquina de CA más eficaz.

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Aplicaciones Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia, para interconectar circuitos que funcionan a tensiones diferentes, pero en una relación cercana a 2:1 (por ejemplo, 400 kV / 230 kV ó 138 kV / 66 kV). En la industria, se utilizan para conectar máquinas fabricadas para tensiones nominales diferentes a la de la fuente de alimentación (por ejemplo, motores de 480 V conectados a una alimentación de 600 V). Se utilizan también para conectar aparatos, electrodomésticos y cargas menores en cualquiera de las dos alimentaciones más comunes a nivel mundial (100-130 V a 200-250 V). En

sistemas

de

distribución

rural,

donde

las

distancias

son

largas,

se

pueden

utilizar

autotransformadores especiales con relaciones alrededor de 1:1, aprovechando la multiplicidad de tomas para variar la tensión de alimentación y así compensar las apreciables caídas de tensión en los extremos de la línea. Se utilizan autotransformadores también como método de arranque suave para motores de inducción tipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandar una alta corriente durante el arranque. Si se alimenta el motor conectándolo a la toma menor de un autotransformador, la tensión reducida de la alimentación resultará en una menor corriente de arranque y por lo tanto en condiciones más seguras de operación, tanto para el motor como para la instalación eléctrica. Una vez que el motor ha alcanzado suficiente velocidad, se puede ir aumentando la tensión de alimentación (en tantos pasos como tomas posea el autotransformador) gradualmente, hasta llegar a la tensión de la red (cuando la relación de tomas es 1:1). En sistemas ferroviarios de Alta velocidad existen métodos de alimentación duales tales como el conocido como 2x25 kV. En este, los transformadores de las subestaciones alimentan a +25 kV a la catenaria, a -25 kV (en realidad 25 kV desfasados 180º) al feeder o alimentador negativo y con la toma intermedia o neutro puesta al carril. Cada cierto tiempo, 10 km típicamente, se conectan autotransformadores con 50 kV en el primario (entre catenaria y feeder negativo) y 25 kV en el secundario (entre feeder negativo y carril). De esta manera, la carga (trenes) se encuentra alimentada a 25 kV entre catenaria y carril pero la energía se transporta a 50 kV, reduciendo las pérdidas. Limitaciones Una falla en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede producir que la carga quede expuesta a recibir plena tensión (la de la fuente). Se debe tener en cuenta esta situación al decidir utilizar un autotransformador para una determinada aplicación. Las ventajas en ahorro de material (tanto en los devanados como en el núcleo) tienen una limitación física, que en la práctica es una relación de tensiones de 3:1. Para relaciones de tensión mayores a ésta, o bien el transformador convencional de dos devanados es más compacto y económico, o bien resulta imposible construir el autotransformador. En sistemas de transmisión de energía eléctrica, los autotransformadores tienen la desventaja de no filtrar el contenido armónico de las corrientes y de actuar como otra fuente de corrientes de falla a tierra. Sin embargo, existe una conexión especial -llamada "conexión en zig-zag"- que se emplea en

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sistemas trifásicos para abrir un camino de retorno a la corriente de tierra que de otra manera no sería posible lograr, manteniendo la referencia de tierra.

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PRINCIPALES CONEXIONES DE LOS TRANSFORMADORES Introducción. Dependiendo del propósito de la instalación, un transformador se puede conectar de distintas formas. En el caso de los transformadores monofásicos, hay distintas formas de conectarlos a la fuente de alimentación y a la carga. Dos o más transformadores se pueden conectar en distintas formas para cumplir con distintos requerimientos. El concepto de polaridad. A diferencia de la corriente directa, no hay polaridad positiva o negativa fija en la corriente alterna, de aquí que los transformadores no pueden tener polaridad fija en sus terminales. La dirección relativa en la cual los devanados primarios y secundario de un transformador. Se devanan alrededor del núcleo, determina la dirección relativa del voltaje a través de los devanados. Por ejemplo, si en la figura siguiente, se supone que el voltaje aplicado en cualquier instante tiene dirección de A a B, al dirección del voltaje en el secundario será de C a De ó de D a C, dependiendo de la dirección relativa de los devanados. Polaridad en un transformador monofásico. 

Polaridad aditiva.



Polaridad sustractiva.

Dado que es importante, cuando dos o más transformadores se conectan juntos, conocer la dirección relativa del voltaje de cada transformador, se han establecido ciertas convenciones para designar la llamada POLARIDAD de un transformador. Esta designación de polaridad se puede obtener de la figura anterior. Si una de las terminales del devanado de alto voltaje se conecta al lado adyacente opuesto del devanado de bajo voltaje (por ejemplo de A a C), el voltaje en las terminales restantes (B y D) es, o la suma o la diferencia de los voltajes primario y secundario, dependiendo de las direcciones relativas de los devanados. Si el voltaje de B a De es la suma, se dice que el transformador tiene polaridad ADITIVA y si es la diferencia, entonces se dice que tiene polaridad SUSTRACTIVA. Si los devanados de los lados de alto y bajo voltaje están en direcciones opuestas, los voltajes aplicado e inducido tendrán direcciones opuestas y se dice que el transformador tiene “polaridad sustractiva”. Las terminales H1 y X1 estarán del lado izquierdo cuando se “ve” al transformador del lado de bajo voltaje hacia el lado de alto voltaje. Si los devanados de los lados de alto y bajo voltaje están en la misma dirección, los voltajes aplicado e inducido tendrán la misma dirección y se dice entonces que el transformador tiene “polaridad aditiva”, la terminal X1 se encontrará del lado derecho cuando se “ve” al transformador del lado de bajo voltaje hacia el lado de alto voltaje. Cuando se desea conectar en paralelo los secundarios de dos (o más) transformadores, se conectan en forma similar, las terminales que tiene la misma marca de polaridad.

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La prueba de polaridad. Cuando en un transformador no está especificada la polaridad o se desconoce, se puede determinar por una simple medición de voltaje como se indica a continuación: 

Hacer una conexión entre las terminales de alto voltaje y bajo voltaje del lado derecho cuando se ve al transformador desde el lado de las boquillas y de bajo voltaje.



Aplicar un voltaje bajo, por ejemplo 120 volts a las terminales de alto voltaje y medir este voltaje con un voltímetro.



Medir el voltaje de la terminal del lado izquierdo del lado de alto voltaje al terminal del lado Iz quiero de bajo voltaje.

Si el voltaje anterior es menor que el voltaje a través de las terminales de alto voltaje, el transformador tiene polaridad sustractiva. Si este voltaje es mayor, entonces la polaridad es aditiva. Conexión de los transformadores monofásicos. La conexión más simple de las conexiones de los transformadores es la conexión monofásica. Un método sencillo de llevar las terminales de los devanados primarios y secundario a las boquillas que llevan al exterior del tanque del transformador dos indicó en la figura anterior. Para proporcionar flexibilidad en las conexiones, las bobinas de los devanados primario y secundario, se arreglan en dos secciones, cada sección de una bobina tiene el mismo número de espiras, por lo tanto, genera el mismo voltaje. Las dos primeras secciones se conectan por lo general juntas, dentro del tanque y únicamente dos son llevadas al exterior del tanque a través de las boquillas, las cuales las aíslan de la tapa. Se pueden sacar cuatro conductores secundarios de cada bobina del secundario, con los dos conductores o terminales transpuestos del interior, antes de ser llevado al exterior. En transformadores nuevos del tipo distribución. Es práctica común estas dos terminales transpuestas, se conecta dentro del tanque uy sólo un conductor común se lleva al exterior. La boquilla secundaria centro se le denomina por lo general “Boquilla del nuestro” y en muchos casos es una tuerca que conecta también a la pared del tanque proporcionando un medio de conexión a tierra al tanque del transformador. Sistemas polifásicos. Como se sabe, en corriente alterna hay dos tipos de circuitos: los denominados circuitos monofásicos y los circuitos polifásicos (los más comunes son los trifásicos). En los circuitos monofásicos sólo una fase o conjunto de voltajes de onda de forma senoidal se aplican a los circuitos y únicamente en una fase circula corriente senoidal. En un sistema polifásico se aplican dos o más voltajes senoidales a las diferentes partes del circuito y circulan en las mismas artes las correspondientes corrientes senoidales. Cada parte del sistema polifásico se conoce como “fase” y prácticamente se denominan FASE A, FASE B y Fase C y en la misma forma se designan los voltajes indicando “voltajes de la fase A”, “voltaje de la fase B”, etc., y las corrientes, corriente de la fase A, corriente de la fase B, etc.

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Los voltajes aplicados a un sistema polifásico se obtienen de una fuente de suministro plolifásica, también, de manera que cada fase está siempre separada, por ejemplo, en un sistema trifásico se tienen tres fases separadas. Los métodos más comunes de conectar los devanados de una máquina eléctrica trifásica son en delta y en estrella, como se muestra a continuación: 

Conexión triángulo o delta.



Conexión estrella.



Vectores de voltaje.

Se puede observar que en tanto los voltajes en las terminales A, B y C, son los mismos para las conexiones delta y estrella. Los voltajes a través de los devanados 1, 2 y 3 en los dos sistemas, no sólo son de diferente magnitud, también se observa que sus direcciones no coinciden. Este hecho es importante en la conexión de transformadores, ya que puede provocar dificultades en al conexión de transformadores cuando no se tiene cuidado en esto. Conexión trifásica de transformadores. La transformación trifásica se puede realizar por medio de tres transformadores monofásicos en conexión trifásica o por medio de transformadores trifásicos. Los métodos de conexión de los devanados par a la conexión trifásica son los mismos, ya sea que se usen tres devanados en un transformador trifásico, o bien tres transformadores monofásicos por separado, en conexión trifásica. Las conexiones trifásicas más comunes son las denominadas DELTA y ESTRELLA. Conexión DELTA-DELTA. Esta conexión se usa con frecuencia para alimentar cargas de alumbrado pequeñas y cargas trifásica simultáneamente. Para esto se puede localizar una derivación o Tap en el punto medio del devanado secundario de uno de los transformadores conectándose a tierra y se conecta también al neutro del secundario. De esta manera, las cargas monofásicas se conectan entre los conductores de fase y neutro, por lo tanto, el transformador con la derivación en el punto medio toma dos terceras partes de la carga monofásica y una tercera parte de la carga trifásica. Los otros dos transformadores cada uno toman un tercio de las cargas monofásicas y trifásicas. Para poder cargar al banco trifásico en forma balanceada, se deben cumplir con las siguientes condiciones: 

Todos los transformadores deben tener idéntica relación de transformación.



Todos los transformadores deben tener el mismo valor de impedancia.



Todos los transformadores deben conectar en el mismo tap o derivación.

Conexión delta abierta-delta abierta. La conexión delta-delta representa en cierto modo la más flexible de las conexiones trifásicas. Una de las ventajas de esta conexión, es que si uno de los transformadores se daña o se retira de servicio, los otros dos pueden continuar operando en la llamada conexión “delta-abierta” o “V”. Con esta

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conexión se suministra aproximadamente el 58% de la potencia que entrega un banco en conexión delta-delta. En la conexión delta abierta, las impedancias de los transformadores no necesitan ser iguales necesariamente, aunque esta situación es preferible cuando es necesario cerrar la delta con un tercer transformador. La conexión delta abierta, se usa normalmente para condiciones de emergencia, cuando en una conexión delta-delta uno de los transformadores del banco se desconecta por alguna razón. En forma similar a la conexión delta-delta, del punto medio del secundario de uno de los transformadores se puede tomar una derivación para alimentar pequeñas cargas de alumbrado o bien otros tipos de cargas. Conexión estrella-delta. Esta conexión se usa con frecuencia para alimentar cargas trifásicas grandes de un sistema trifásico de alimentación conectado en estrella. Tiene la limitante de que para alimentar cargas monofásicas y trifásicas en forma simultánea, no dispone del neutro. Por otra parte, tiene la ventaja relativa de que la impedancia de los tres transformadores no necesita ser la misma en esta conexión. Las relaciones entre corrientes y voltajes de fase de línea a línea para la conexión estrella delta, son las mimas que se tienen en la conexión delta-estrella estudiada en el párrafo anterior. Conexión estrella-estrella. Esta conexión se usa cuando se requiere alimentar grandes cargas monofásicas en forma simultánea, con cargas trifásicas. También se usa sólo si el neutro del primario se puede conectar sólidamente al neutro de la fuente de alimentación ya sea con un neutro común o a través de tierra. Cuando los neutros de ambos lados del banco de transformadores no se unen, el voltaje de línea a neutro tiende a distorsionarse (no es senoidal). La conexión estrella-estrella, se puede usar también sin unir los neutros, a condición de que cada transformador tenga un tercer devanado que se conoce como “devanado terciario”. Este devanado terciario está siempre conectado en delta. Con frecuencia, el devanado terciario se usa para alimentar los servicios de la Subestación. Transformadores de una sola boquilla. En la conexión estrella-estrella, los transformadores que tienen sólo la boquilla de tal tensión o primaria, esta boquilla se conecta a la línea de alimentación. La conexión especial en al parte externa del tanque del transformador, toma el lugar de la segunda boquilla de alta tensión y se debe conectar entre los tres transformadores y al hilo de neutro o tierra. Los transformadores de distribución tienen una conexión instalada entre la boquilla de bajo voltaje del neutro y el tanque. Transformadores trifásicos. En términos generales, un banco formado por tres transformadores monofásicos, se puede reemplazar por un transformador trifásico. Estos transformadores trifásicos, como se ha descrito en

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capítulos anteriores, tienen un núcleo magnético con tres piernas, en donde se alojan los devanados primario y secundario de cada una de las fases. Los devanados se conectan internamente, en forma similar a los bancos de transformadores monofásicos, en cualquiera de las conexiones trifásicas, en cualquiera de las conexiones trifásicas, es decir, estrella-delta, delta abierta, etc. Para una capacidad dada, un transformador trifásico es siempre de menor tamaño y más barato que un banco formado por tres transformadores monofásicos con la misma capacidad. En alunas ocasiones, aun con lo mencionado antes, se prefiere el uso de bancos de transformadores monofásicos, especialmente cuando por mantenimiento y confiabilidad resulta importante la facilidad para reemplazar a una de las unidades. Conexión de transformadores en paralelo. Los transformadores se pueden conectar en paralelo por distintas razones, las principales están relacionadas con problemas de confiabilidad y de incremento en la demanda. Cuando se excede o se está a punto de exceder la capacidad de un transformador ya en operación. Para conectar los transformadores en paralelo y garantizar su correcta operación, se deben cumplir ciertas condiciones como son: 

Deben tener los mismos voltajes primarios y secundarios.



Deben tener los mismo valor de impedancia expresado en porciento o en por unidad.



Se debe verificar que la polaridad de los transformadores sea la misma.

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ENSAYOS A TRANSFORMADORES Introducción. Las pruebas se hacen en los transformadores y sus accesorios por distintas razones, durante su fabricación, para verificar la condición de sus componentes, durante la entrega, durante su operación como parte del mantenimiento, después de su reparación, etc. Algunas de las pruebas que se hacen en los transformadores e consideran como básicas y algunas otras varían de acuerdo a la condición individual de los transformadores y pueden cambiar de acuerdo al tipo de transformador, por lo que existen distintas formas de clasificación de las pruebas a transformadores, por ejemplo algunos las clasifican en prueba de baja tensión y prueba de alta tensión. También se pueden agrupar como pruebas preliminares, intermedias y de verificación (Finales). Las pruebas preliminares se realizan cuando un transformador se ha puesto fuera de servicio para mantenimiento programado o para revisión programada o bien ha tenido aluna falla. Las pruebas se realizan antes de “abrir” el transformador y tienen el propósito general de encontrar el tipo y naturaleza de la falla. Las llamadas pruebas preliminares incluyen: 

Prueba al aceite del transformador.



Medición de la resistencia de aislamiento de los devanados.



Medición de la resistencia óhmica de los devanados.



Determinación de las características del aislamiento.

Las llamadas pruebas intermedias, como su nombre lo indican se realizan durante el transcurso de una reparación o bien en las etapas intermedias de la fabricación, cuando el transformador está en proceso de armado o bien desarmado (según sea el caso) y el tipo de pruebas depende del propósito de la reparación o la etapa de fabricación, por lo general se hacen cuando las bobinas \no han sido montadas o desmontadas (según sea el caso) y son principalmente las siguientes: 

Medición de la resistencia de aislamiento de tornillos y herrajes contra el núcleo.



Prueba de la resistencia de aislamiento de tornillos y herrajes por voltaje aplicado.



Prueba de las boquillas por medio de voltaje aplicado.

Cuando se han desmontado las bobinas durante un trabajo de reparación, entonces las pruebas se incrementan. Las pruebas finales se hacen sobre transformadores terminados de fabricación o armados totalmente después de una reparación e incluyen las siguientes: 

Prueba al aceite del transformador.



Medición de la resistencia de aislamiento.



Prueba de relación de transformación.

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

Determinación del desplazamiento de fase de los grupos de bobinas.



Determinación de las características del aislamiento.



Prueba del aislamiento por voltaje aplicado.



Prueba para la determinación de las pérdidas en vacío y en corto circuito (determinación de impedancia).



Prueba del aislamiento entre espiras por voltaje inducido.



Medición de la corriente de vacío y la corriente de excitación.

El orden de las pruebas no es necesariamente el mencionado anteriormente. Y de hecho existen normas nacionales e internacionales que recomiendan que pruebas y en qué orden se deben realizar, así como cuando se deben efectuar. Pruebas al aceite del transformador. El aceite de los transformadores se somete por lo general a pruebas de rigidez dieléctrica, prueba de pérdidas dieléctricas y eventualmente análisis químico. Cuando se trata de pruebas de campo, la condición del aceite se puede determinar por dos pruebas relativamente simples. Una que compra el color de una muestra de aceite del transformador bajo prueba, con un conjunto o panel de colores de referencia que dan un indicación de la emulsificación que puede tener lugar. El recipiente en que se toma la muestra debe enjuagar primero con el propio aceite de la muestra ya debe ser tomado de la parte inferior del transformador de la válvula de drenaje. Cuando se usa un probador de color, la muestra de aceite se debe colocar en tubo de vidrio transparente que se introduce en una parte del probador diseñada ahora tal fin. Se tiene un pequeño disco que gira y que tiene distintos colores de referencia, cuando el color le disco es similar al de la muestra, aparece la designación numérica del color de la muestra de aceite. De hecho esta prueba sirve para verificar el grado de oxidación de la aceite y debe marcar 0.5 para aceites nuevos y 5 máximo para aceites usados. En el rango de color amarillo, naranja y rojo indican que el transformador puede tener daños severos. Prueba de rigidez dieléctrica del aceite. Esta prueba se hace en un probador especial denominado “probador de rigidez dieléctrica del aceite”. En este caso, la muestra de aceite también se toma de la parte inferior del transformador, por medio de la llamada válvula de drenaje y se vacía en un recipiente denominado “copa estándar” que puede ser de porcelana o de vidrio y que tiene una capacidad del orden de ½ litro. En ocasiones el aceite se toma en un recipiente de vidrio y después se vacía a la copa estándar que tiene dos electrodos que pueden ser planos o esféricos y cuyo diámetro y separación está normalizado de acuerdo al tipo de prueba. El voltaje aplicado entre electrodos se hace por medio de un transformador regulador integrado al propio aparato probador. Después de llenada la copa estándar se debe esperar alrededor de 20 minutos para permitir que se eliminen las burbujas de aire

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del aceite antes de aplicar el voltaje; el voltaje se aplica energizando el aparato por medio de un switch que previamente se ha conectado ya un contacto o fuente de alimentación común y corriente. El voltaje se eleva gradualmente por medio de la perilla o manija del regulador de voltaje, la tensión o voltaje se ruptura se mide por medio de un voltímetro graduado en kilovolts. Existen de cuerdo distintos criterios de prueba, pero en general se puede afirmar que se pueden aplicar seis rupturas dieléctricas con intervalos de 10 minutos., la primero no se toma en cuenta, y el promedio de las otras cinco se toma como la tensión de ruptura o rigidez dieléctrica. Normalmente la rigidez dieléctrica en los aceites aislantes se debe comportar en la forma siguiente: Aceites degradados y contaminados De 10 a 28 kV Aceites carbonizados no degradados De 28 a 33 kV Aceites Nuevo sin desgasificar De 33 a 44 kV Aceite Nuevo desgasificado De 40 a 50 kV Aceite regenerado De 50 a 60 kV Prueba de resistencia de aislamiento. La prueba de resistencia de aislamiento en transformadores sirve no solo para verificar la calidad del aislamiento en transformadores, también permite verificar el grado de humedad y en ocasiones defectos severos en el aislamiento. La resistencia de aislamiento se mide por medio de un aparato conocido como “MEGGER”. El megger consiste de una fuente de alimentación en corriente directa y un sistema de medición. La fuente es un pequeño generador que se puede accionar en forma manual o eléctricamente. El voltaje en terminales de un megger varía de acuerdo al fabricante y a si se trata de accionamiento manual o eléctrico, pero en general se pueden encontrar en forma comercial megger de 250 votls, 1000 volts y 2500 volts. La escala del instrumento está graduada para leer resistencias de aislamiento en el rango de 0 a 10,000 megohms. La resistencia de aislamiento de un transformador se mide entre los devanados conectados todos entre sí, contra el tanque conectado a tierra y entre cada devanado y el tanque, con el resto de los devanados conectados a tierra. Para un transformador de dos devanados se deben tomar las siguientes medidas: 

Entre el devanado de alto voltaje y el tanque con el devanado de bajo voltaje conectado a tierra.



Entre los devanados de alto voltaje y bajo voltaje conectado entre si, contra el tanque.

Estas mediciones se pueden expresar en forma sintetizada como: Alto Voltaje Vs. Tanque + bajo voltaje a tierra. Bajo voltaje Vs. Tanque + alto voltaje a tierra. Alto voltaje + bajo voltaje Vs. Tanque a tierra.

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Cuando se trata de transformadores con tres devanados las mediciones que se deben efectuar son las siguientes: 

Alto voltaje (primario) Vs. Tanque con los devanados de bajo voltaje (secundario) y medio voltaje (terciario) a tierra.



Medio voltaje (terciario) Vs. Tanque con los devanados e alto voltaje y bajo voltaje a tierra.



Bajo voltaje (secundario) Vs. Tanque, con los devanados de alto voltaje y medio voltaje a tierra.



Alto voltaje y medio voltaje juntos Vs. Tanque, con el devanado de bajo voltaje a tierra.



Alto voltaje + medio voltaje + bajo voltaje Vs. Tanque.

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