TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS LUIS ALBERTO CALDAS – PABLO PORTOCARRERO UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA I. INTRODUCCIÓN En
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TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS LUIS ALBERTO CALDAS – PABLO PORTOCARRERO UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA I. INTRODUCCIÓN En la mayoría de los sistemas de generación de corriente eléctrica del mundo son sistemas de corriente alterna trifásicos, por lo que es necesario entonces conocer la forma como los transformadores se utilizan en ella.
cortocircuito tomados a uno u otro lado del transformador, y estos valores se pueden emplear, sin modificación, o en el circuito equivalente de la figura 2a o en el circuito equivalente de la figura 2b.
Por razones importancia en la sociedad, por razones de tipo económico, de espacio en las instalaciones y confiabilidad en los equipos, se puede decir, que en general, es preferida la solución del uso de transformadores trifásicos en las instalaciones eléctricas. II. CONSTITUCION DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS. Los transformadores para circuitos trifásicos pueden construirse de dos maneras. Estas son: a. Tomando tres transformadores monofásicos y conectándolos en un grupo trifásico. Para el análisis de su circuito equivalente se debe representar cada uno de los transformadores monofásicos que componen un banco trifásico (Conjunto de los tres transformadores monofásicos) por un circuito equivalente; entonces se podrá utilizarse cualquiera de los circuitos equivalentes deducidos para el caso de los monofásicos.
Figura 2 Transformador Trifásico: Modelos Equivalentes.
b. Haciendo un transformador trifásico que consiste en tres juegos de devanados enrollados sobre un núcleo común.
Figura 3 Transformador Trifásico: Tres devanados.
Figura 1 Transformador Trifásico: 3 Transformadores Monofásicos.
Los valores de los elementos de los circuitos equivalentes se pueden obtenerse a partir de los datos de diseño o por las pruebas en circuito abierto o en
A Cada columna del transformador trifásico se la puede considerar como un transformador monofásico. Así, cuando en un banco o un transformador trifásico funciona con cargas equilibradas, todos los transformadores monofásicos del banco o todas las columnas del transformador están igualmente cargados y con ello solo tendríamos con estudiar solo uno de ellos mediante su circuito equivalente. III. FORMAS DEL NUCLEO
Si la transformación se hace mediante un transformador trifásico, con un núcleo común, podemos ver que la columna central de la figura 4 está recorrida por un flujo F que, en cada instante, es la suma de tres flujos sinusoidales, iguales y desfasados 120º. Figura 7 Forma del Nucleó: Diagrama a bloques.
Como sabemos esto se aplicaría para que en un transformador trifásico cada columna está formada por un transformador monofásico, entonces toda la teoría para los transformadores monofásicos es válida para los trifásicos, teniendo en cuenta que las magnitudes que allí aparecen hace referencia ahora a los valores por fase.
Figura 4 Forma del Nucleó: Flujos magneticos.
El flujo F será pues siempre nulo. En consecuencia, se puede suprimir la columna central figura 5.
Figura 8 Forma del Nucleó: Diagrama real.
Figura 5 Forma del Nucleó: Flujos magneticos.
La diferencia de un transformador trifásico de tipo núcleo y de otro de tipo acorazado, esta en que en un transformador trifásico de tipo acorazado las tensiones están menos distorsionadas en las salidas de las fases. Lo cual hace mejor al transformador trifásico de tipo acorazado.
Como esta disposición en la figura 5 se hace difícil para su construcción, los transformadores se construyen con las tres columnas en un mismo plano figura 6.
Figura 6 Forma del Nucleó: Flujos magneticos.
Esta disposición crea cierta asimetría en los flujos y por lo tanto en las corrientes en vació.
Figura 8 Transformador Trifásico Acorazado.
IV. FORMAS DE LOS DEVANADOS Como sabemos un transformador trifásico está constituido por tres transformadores, que se encuentran separados o combinados sobre un solo núcleo. Los primarios y secundarios de cualquiera de ellos pueden tener diferentes formas en los devanados, así que se pueden conectarse en estrella o en delta, dando lugar a un total de cuatro posibilidades de conexión en el transformador trifásico: Estrella-estrella, delta-estrella, estrella/zig-zag, estrella-delta, delta-delta. Cuando los devanados primario y secundario de un transformador trifásico tienen conexiones distintas, la relación entre las dos tensiones de vacío (sin carga) en las terminales, no es igual a la relación entre las espiras de una fase primaria y secundaria.
tensiones mantienen un buen equilibrio. Los voltajes primarios de línea y de fase son iguales:
Las tensiones secundarias cumplen la siguiente relación:
La relación entre tensiones de fase es:
La relación entre los voltajes de línea es:
Gráfica Explicativa:
Para relacionar las tensiones y/o corrientes primarias con las secundarias se debe indicar los desfases relativos entre las tensiones de una misma fase entre el lado de Alta tensión y el de Baja tensión. La selección de la combinación de las conexiones depende de consideraciones económicas y de las exigencias que impone la operación. Por ejemplo, en las redes de distribución que usan tres fases con neutro, es necesario el uso de devanados secundarios en estrella, ya que éstos tienen un punto accesible para el neutro. V. CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Conexión Delta-Delta:
Este tipo de conexión tiene la desventaja de no disponer de ningún neutro, ni en el primario ni en el secundario. Otra desventaja es el aislamiento eléctrico que resulta más caro que otro de conexión (estrella), para las mismas especificaciones técnicas. En este tipo de conexión las tensiones de entrada y salida se encuentran en fase. Este sistema de conexión es utilizado en sistemas trifásicos donde la tensión no es muy elevada. La principal ventaja de este modo de conexión es que aunque las cargas no estén bien equilibradas las
Figura 9 Grafica Explicativa: Conexión Delta-Delta.
Conexión Delta-estrella:
Con una conexión de este tipo se consigue un adelanto de fase de 30 ° de las tensiones de salida respecto a las tensiones de entrada. La principal ventaja de este tipo de conexión es que se reduce considerablemente el gasto económico en el aislamiento interno del transformador. Sin embargo, la desventaja del desfase de 30° puede ser negativa, pues la conexión en paralelo con otra fuente de energía es imposible, por otro lado, en el caso de que este banco de transformadores tenga que alimentar a un grupo de cargas aisladas no representaría ningún inconveniente el desfase. Asimismo, podemos apreciar en la figura 10 que el secundario tiene un neutro. Este tipo de conexión se utiliza en aplicaciones de elevación de tensiones. Los voltajes de línea y de fase son iguales en el primario y en el secundario:
Los voltajes de línea de primario y secundario guardan la siguiente relación:
Figura 11 Grafica Explicativa: Conexión Estrella- Delta.
Gráfica Explicativa:
Figura 10 Grafica Explicativa: Conexión Delta-Estrella.
Conexión Estrella-delta:
Con este tipo de conexión la corriente en el devanado de las bobinas secundarias es de un 58% de la corriente carga. Las distorsiones de las tensiones de salida no resultan tan severas como en una conexión estrella-estrella. También tenemos que señalar que existe un desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada y de salida de 30 °. Este tipo de conexión se puede utilizar en aplicaciones de reducción. Los voltajes primarios de línea y de fase cumplen la relación:
Conexión Estrella-estrella:
Con este tipo de conexión se tienen dos neutros, uno en las bobinas primarias y otro en las bobinas secundarias. El problema surge cuando no se conectan estos neutros a la masa o tierra, porque las señales u ondas senoidales salen por el secundario distorsionadas. Solamente no es necesario conectar los neutros a tierra cuando el sistema trifásico esta muy equilibrado. Asimismo, debemos indicar que no hay un desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada y las tensiones de salida. Los voltajes de línea se relacionan con los voltajes de fase según las expresiones:
Los voltajes de línea de primario y secundario guardan la siguiente relación:
Gráfica Explicativa:
Las tensiones secundarias de línea y fase son iguales:
Figura 12 Grafica Explicativa: Conexión Estrella- Estrella.
La relación de tensiones de fase es:
La relación entre los voltajes de línea del primario y secundario es:
Un caso particularmente especial es la conexión Delta - Abierta
Gráfica Explicativa:
Conexión Delta-abierta:
Figura 13 Grafica Explicativa: Conexión Delta - abierta.
La nomenclatura a1a2-b1b2-c1c2 me indica que la parte izquierda representa el secundario del transformador (en una conexión Delta o Triángulo en el secundario) y la parte derecha representa un conjunto de cargas con impedancia Z que hemos colocado en este caso en configuración también Delta o Triángulo. Ya que es una conexión Dd, mas a la izquierda del secundario del transformador que se ha indicado líneas arriba está ubicado el primario del transformador que no se dibujó por razones de espacio. En este caso la tensión entre los puntos a1(c2) y b2(c1) sigue siendo la misma que la que se tendría si no se hubiese quitado el bobinado c1c2. Es decir, si con todo el sistema completo, la tensión de línea V c1c2 era U, luego, con el sistema sin el arrollamiento c1c2 la tensión de línea sigue siendo U. La explicación de esto reside en el hecho que se tiene que realizar una suma vectorial de voltajes para obtener el voltaje final resultante entre los puntos requeridos. En la figura 14 vemos tres vectores correspondientes al voltaje en cada fase que tienen un punto común y están separados 120º. Si tuviéramos el sistema completo al realizar la suma de voltajes en todo el triángulo obtendríamos 0.
Figura 15 Conecion Delta-abierta
VI. INDICE HORARIO Para indicar el desfase existente entre las tensiones simples, se suele utilizar el llamado índice horario (ángulo formado por la aguja grande y la pequeña de un reloj cuando marca una hora exacta), expresado en múltiplos de 30º (ángulo entre dos horas consecutivas, 360º/12=30º). El conocimiento del desfase (índice horario) es muy importante cuando se han de conectar transformadores en paralelo, dado que entonces, todos los transformadores deben tener el mismo índice horario, para evitar que puedan producirse corrientes de circulación entre los transformadores cuando se realice la conexión. Dependiendo del tipo de conexión, las tensiones simples del primario y del secundario pueden no estar en fase, cosa que siempre ocurre en los transformadores monofásicos. A continuación veremos algunas de las formas más frecuentes de conexión (el desfase se obtiene multiplicando el número que acompaña la denominación por 30, ejemplo: en Yy6 el desfase es 6*30=180º), Adema utilizaremos la siguiente simbología para reducir las formulas expuestas: VFP = Tensión fase primario; VFS = tensión fase secundario; VLP = Tensión línea primario; VLS = tensión línea secundario:
Conexión Estrella-Estrella (Yy0)
Figura 14 Grafica Fasorial: Conexión Delta - abierta.
Y si realizamos una suma vectorial desde a1 hasta b2 se obtendrá el mismo voltaje que en un sistema sin el bobinado c1c2. El siguiente dibujo representa a dos transformadores monofásicos conectados entre si en la manera denominada triángulo abierto o delta abierta.
Figura 15 Conexión Estrella-Estrella (Yy0)
VFP / VFS = m VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / VFS VLP / VLS = (Ö3 * m)
VFP / VFS = m VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / (Ö3 * VFS) = m
Conexión Estrella-Estrella (Yy6)
Conexión Triangulo-Estrella (Dy11)
Figura 16 Conexión Estrella-Estrella (Yy6)
VFP / VFS = m VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / (Ö3 * VFS) = m
Conexión Triangulo-Triangulo (Dd0)
Figura 19 Conexión Delta-Estrella (Dy11)
VFP / VFS = m VLP / VLS = VFP / (Ö3 * VFS) VLP / VLS = m /Ö3
VII. BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS. Los bancos de transformadores monofásicos son utilizados en sistemas eléctricos trifásicos como sustitución de un transformador trifásico. Por ejemplo, en el transporte a largas distancias de la energía eléctrica. Figura 17 Conexión Delta-Delta (Dd0)
VFP / VFS = m VLP = VFP VLS = VFS VLP / VLS = VFP / VFS = m
Conexión Estrella-Triangulo (Yd11)
Figura 18 Conexión Estrella-Delta (Yd11)
Asimismo, el banco de transformadores monofásicos también sirve para poder cambiar el número de fases del sistema, es decir, un sistema trifásico lo podemos convertir en un sistema bifásico, de 6 fases, de doce fases, etc. Por lo que respecta a las bobinas primarias y secundarias, las podemos conectar de varias formas, teniendo cuatro posibles casos: Y/Y, Y/Δ, Δ/Y, Δ/Δ. Es decir, podemos conectar las bobinas primarias en estrella o en triángulo al igual que las bobinas secundarias. Dependiendo como lo hagamos tendremos unas características técnicas u otras. De esta forma, la relación de las tensiones de entrada y de salida no solamente dependerá de la relación de vueltas (espiras) de las bobinas primarias y secundarias, sino que también dependerá de cómo estén conectadas las bobinas primarias y las bobinas secundarias.
Conclusiones: Al tratar del transformador trifásico suponemos que sus devanados, tanto de alta como de baja tensión, se hallan conectados en estrella. Según la aplicación a que se destine un transformador, deben considerarse las posibilidades de establecer otras conexiones distintas, las cuales ofrecen sobre todo especial interés desde el punto de vista del acoplamiento en paralelo con otros transformadores. Las combinaciones básicas que han de ser tenidas en cuenta por lo que se refiere a sus particularidades para los acoplamientos en paralelo, forman esencialmente cuatro grupos. Cada grupo se caracteriza en particular por el desfase que el método de conexión introduce entre la f.e.m. primaria y las homólogas secundarias. Nº
Grup o
Símbolo Primario Secundario
Conexionado Primario Secundario
En la tabla se detallan los grupos de conexiones normalizados para transformadores de potencia trifásicos. Debe tenerse en cuenta que el esquema de conexionado es válido solamente en el caso que los devanados tengan el mismo sentido de arrollamiento. Además podremos decir las siguientes características de los transformadores trifásicos:
En bajas capacidades los transformadores trifásicos son más pesados.
El costo de los transformadores trifásicos siempre es más bajo (solo el 10% en bajas capacidades pero en altas capacidades llega a ser hasta el 25% menos en comparación con los transformadores monofásicos).
Por estas razones la industria ha preferido usar los transformadores trifásicos ya que esta opción implica un ahorro significativo que conlleva a minimizar los costos de producción.
Dd0
0
Yy0
VIII. BIBLIOGRAFIA Dz0
Dy5
5
Yd5
Yz5
Dd6
6
Yy6
Dz6
Dy11
11
Yd11
Yz11
―MÁQUINAS ELÉCTRICAS‖---Stephen J. Chapman—Tercera Edición. ―MAQUINAS ELECTRICAS‖--Jesus Fraile Mora --- Quinta Edición. www.El transformador.mht
Anexo: