Fig 3 Transformador rural, muy común en nuestras ciudadelas
Según el sistema de refrigeración "El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien líquido. La transmisión de calor se hace por un medio en forma más o menos eficiente, dependiendo de los siguientes valores:"4
La masa volumétrica.
El coeficiente de dilatación térmica.
La viscosidad.
El calor especificó.
La conductividad térmica.
Según estos valores tenemos refrigeración tipo:
TIPO OA
Sumergido en aceite, con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más comúnmente usado y el que frecuentemente resulta el más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones.
Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi
[4]Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
Fig 4 Transformador con refrigeración en resina epoxi
TIPO OA/FA
[4]Sumergido en aceite con enfriamiento propio y con enfriamiento de aire forzado.
Este tipo de transformadores es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento y por lo tanto, aumentar los KVA de salida.
TIPO FOA
[4]Sumergidos en aceite, con enfriamiento por aceite forzado con enfriadores de aire forzado.
El aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlo pasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite colocados fuera del tanque. Su diseño está destinado a usarse únicamente con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando continuamente.
TIPO OW
[4]Sumergidos en aceite, con enfriamiento por agua. Este tipo de transformador está equipado con un cambiador de calor tubular colocado fuera del tanque, el agua de enfriamiento circula en el interior de los tubos y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite fluye, estando en contacto con la superficie exterior de los tubos.
Transformadores Herméticos de Llenado Integral
Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos.
Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
Fig 5 Transformador hermético de llenado integral
Según el diseño de su núcleo:
Tipo núcleo: tipo acorazado
[6]Puede considerarse como tres transformadores monofásicos de tipo acorazado, colocados uno junto a otro, tal como se muestra en la Figura 1 a). La única diferencia entre esta disposición y la de la Figura2 b), que corresponde a un transformador trifásico, es que las láminas del núcleo de este último están entrelazadas, es decir, las tres partes del núcleo no están separadas. Esto hace que los flujos en el núcleo, correspondientes a fases diferentes, se superpongan en las partes indicadas por D-E-F y G.
Fig 6 Acorazado: Con tres transformadores monofásicos
Fig 7 Acorazado: Trifásico con un solo núcleo
Fig 8 Diagrama fasorial para tensiones de Fase Equilibrada.
Fig 9 Sentidos positivos de los flujos para devanados conectados simétricamente.
Fig 10 Sentidos positivos de los flujos cuando se invierten las conexiones de la fase central.
Transformadores auto protegidos
[5]El transformador incorpora elementos para protección del sistema de distribución contra sobrecargas y cortocircuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, conteniendo en su interior fusibles de alta tensión y interruptor de baja tensión.
Potencia: 45 a 150KVA
Alta Tensión: 15 o 24,2KV
Baja Tensión: 380/220 o 220/127V
Fig 11 Transformador auto protegido
Según los devanados o bobinados:
[6]Hay dos formas típicas de bobinados para transformadores los cilíndricos y planos. Los núcleos, con su forma, son los que determinan la elección de uno u otro tipo, salvo que se requieran propiedades especiales, como ser baja capacidad distribuida, para uso en telecomunicaciones u otros.
Bobinado cilíndrico
Este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo núcleo.
Bobinado cilíndrico
Este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo acorazado.
Los dos bobinados primario y secundario, rara vez se apartan en dos simples grupos de espiras, encimándolas; generalmente se apartan en dos partes o más envueltas uno encima del otro,
Los materiales aislantes para el bobinado,
Para colocar entre capas, son: papel barnizado, fibra, micanita, cinta impregnada, algodón impregnado, etc., para transformadores con bobinados al aire, y para los sumergidos en baños de aceite, se utilizan los mismos materiales sin impregnarse; debe evitarse el uso del caucho en los transformadores en baño de aceite, pues este lo ataca, y tiene efectos nocivos también sobre la micanita y aun sobre los barnices.
Grupos de conexiones
GENERADORES:
[3]Los generadores constan esencialmente de tres devanados (fases) , o sea disponen de 6 bornes , dos por cada fase, y las bornes activas de salida se denominan U , V, W, y van conectados a los conductores activos R, S, T
Fig 12 Generador Trifásicos con tres devanados estatóricos
Fig 13 Conexión de un alternador trifásico
[3]Según se observa en la figura, las conexiones del generador pueden efectuarse en estrella (mayor tensión entre fases) , o en triangulo (menor tensión entre fases). Cuanto mayor es la tensión en los conductores activos, menor es la intensidad para igualdad de potencia transportada por la línea, y menor por tanto la sección necesaria de los conductores.
Fig 14 Conexión en estrella
Fig 15 Conexión en triángulo del generador
[3]Las tensiones normalizadas para la distribución a los usuarios finales para aplicaciones generales, son de 220V y 380V . (la tensión de 125 V está a extinguir) Ambas dos tensiones, se pueden transportar utilizando las 3 fases y el neutro, conectando el generador en estrella.
Secuencia de fase
[2]La secuencia de fase de un sistema polifásico trifásico es el orden en el que los voltajes de las fases individuales llegan a su pico .Se dice que el sistema de potencia trifásico .A si entonces decimos que el sistema trifásico siguiente tiene secuencia de fase abc :
También se puede conectar las tres fases de un sistema de potencia de tal manera que los voltajes en las fases lleguen a su pico en el orden a , c , b
Fig 16 Secuencia acb(izquierdo),secuencia abc (derecho)
A la secuencia de fase a,b,c también otros autores los llaman secuencia positiva mientras que a la secuencia a, c ,b le llaman secuencia negativa .
CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFASICOS
[2]Un transformador trifásico consta de tres transformadores , ya sea separados o combinados sobre un solo núcleo. Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico se pueden conectar independiente en ye en ye (Y) o en delta ()esto nos da un total de cuatro conexiones posibles para el banco de transformadores trifásicos.
1.-YE –ye (Y-Y)
2.-Ye-delta(Y-)
3.-Delta-ye(-Y)
4.-Delta-delta()
Conexión YE -YE:
[2]La conexión Y-Y de transformadores trifásicos se muestra a continuación .En esta conexión , el voltaje del primario en cada fase del transformador esta dado por :
La conexión Y-Y tiene dos problemas graves:
1.-Silas cargas en el circuito del transformador no están equilibradas , entonces los voltajes en las fases del transformador pueden llegar a desequilibrarse severamente
2.- Los voltajes de terceras armónicas pueden ser grandes.
Fig 17 Conexión YE-YE
Los dos problemas mencionados con anterioridad se pueden solucionar como sigue:
a) Conectando sólidamente a tierra los neutros del los transformadores.
b) Añadir un tercer devanado terciario conectando en al banco de transformadores.
Conexión Ye- DELTA:
[2]En esta conexión, el voltaje de línea del primario está relacionado con el voltaje de fase del primario por:
Entonces se llega a determinar que el voltaje de línea tanto para el primario como para el secundario es de:
Esta conexión es más estable con respecto a las caras desequilibradas , debido a que redistribuye parcialmente cualquier desequilibrio que se presente .
El problema que presenta es que el voltaje secundario se desplaza 30º CON RESPECTO AL VOLATE DEL PRIMARIO .El hecho que se desplace una fase puede causar problemas en la puesta en paralelo, lo que quiere decir que se tiene que poner atención a la dirección de los desplazamiento de fase de 30º en cada banco del transformador para ponerlos en paralelo
Fig 18 Conexión YE-delta
Conexión Delta- Ye
[2]En una conexión Delta Ye , el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario
Esta conexión tiene las mismas ventajas y el mismo desplazamiento de fase que la conexión YE-delata. La conexión que se muestra en la figura siguiente ocasiona que el voltaje secundario este, en retraso con respecto al voltaje primario .
Fig 19 Conexión DELTA – ye
Conexión DELTA-DELTA
[2]En una conexión Delta- delta SE TIENE QUE el voltaje de línea del primario es igual a voltaje de fase del primario y el voltaje de línea del secundario es igual al voltaje de fase del secundario , por lo que los voltajes de línea entre primario y secundario es:
Esta conexión no tiene un desplazamiento de fase asociado y no tiene problemas con cargas desequilibradas o armónicos.
Fig 20 Conexión DELTA – delta
Banco de transformadores
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. 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/?, ?/Y, ?/?. 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.
Deducción de algunas conexiones:
Conexión YY0 o YY12:
[6]Según lo indicado, significa que el primario y el secundario están en estrella y que el desfase entre ellos es de 0º (ó 360º)
Fig 21 Conexión YY0: a) Diagrama fasorial b) Conexión de los enrollados
Conexión ?Y5 :
Significa que el primario está conectado en delta o triángulo y el secundario en estrella y que el secundario atrasa al primario en 150º.
Fig 22 Conexión ?Y5 : a) Diagrama fasorial b) Conexión de los enrollados
Conexión YZ11
[6]La conexión Z, llamada Zig-Zag, requiere que cada fase tenga dos secundarios iguales, los que se interconectan por pares en serie, teniendo presente que la serie esté formada por enrollados de distinta fase. Uno de los objetivos de esta conexión, es que las corrientes de secuencia cero, que circulan por todas las fases con igual dirección y sentido, que producen fuerzas magneto motrices (fmm) iguales y opuestas en cada fase, se compensen entre si.
Fig 23 Conexión YZ11: a) Diagrama fasorial b) Conexión de los enrollados
Determinación experimental del desplazamiento angular de la conexión o del diagrama fasorial.
[7]Se utiliza un método de corriente alterna, que permite determinar directamente el diagrama fasorial, efectuando una serie de medidas de voltaje en los bornes del transformador. Este consiste en lo siguiente:
[7]Se conectan juntos un borne primario con uno secundario (H1 y X1, por lo general) y se excita el transformador con un voltaje igual o inferior al nominal y de secuencia conocida, efectuándose medidas de tensión entre todos los otros terminales. Con los valores obtenidos se dibuja el diagrama fasorial a escala, lo que permite determinar el desplazamiento angular de la conexión. A manera de ejemplo, consideremos la Figura siguiente, que muestra la conexión ?Y5 ya vista.
Fig 24 Diagrama fasorial obtenido para la conexión ?Y5
En la figura se aprecia que :
Transformación trifásica utilizando dos transformadores
Además de la conexiones trifásicas conocidas existen la posibilidad de llevar a cabo utilizando solo dos transformadores la transformación trifásica. En este tema veremos las cuatro conexiones más importante s utilizadas para con dos transformadores :
1. Conexión DELTA ABIERTA
[2]En ciertas ocasiones no puede utilizarse un banco de transformadores completo para realizar una transformación trifásica .Por ejemplo supóngase que un banco de transformadores que consta de transformadores separados tiene una fase dañada que se debe retirar para su reparación como se ve a continuación :
Fig 12 Conexión de un transformador en delta abierto o V-V
Este es el mismo voltaje que estaría presente si el tercer transformador siguiera ahí. A la fase C a veces de le denomina fase fantasma.
¿Qué potencia aparente puede suministrar el banco con dos transformadores?
Para ello nos valdremos de la siguiente figura que es una conexión en mención para una carga puramente resistiva:
Fig 12 Conexión de un transformador en delta abierto o V-V
Debido a que falta una fase , la corriente de línea de transmisión es igual a la corriente de fase en cada transformador y las corrientes y voltajes en el banco de transformadores tienen un ángulo que difiere por 30º .Ya que los ángulos de la corriente y el voltaje difieren en cada uno de los transformadores , es necesario examinar cada uno individualmente para determinar la potencia máxima que pueda suministrar .Para el transformador 1 el voltaje tiene un ángulo de 150º y la corriente de 120º , por lo que la expresión para la potencia máxima es:
Así entonces la potencia disponible que sale del transformador en delta abierta en solo 57.77% del valor nominal del banco original.
2. Conexión ye abierta -delta abierta
[2]La conexión ye abierta delta abierta es muy parecida a la conexión delta abierta excepto en que los voltajes primarios se derivan de dos fases y el neutro .Se utiliza para dar servicio a pequeños clientes comerciales que necesitan servicio trifásico en áreas rurales donde no están disponibles las tres fases .Con esta conexión un cliente puede obtener servicio trifásico provisional hasta que la demanda haga necesaria la instalación de la tercera fase .
Fig 12 Diagrama cableado Y abierta Delta abierta
Una gran desventaja es que debe fluir una corriente de retorno muy grande por el neutro .
La conexión Scott -T
[2]La conexión Scott T es una manera de obtener dos fases separadas 90º a partir de un suministro de potencia trifásica .En los comienzos de la transmisión de potencia de ca los sistemas de potencia bifásicos y trifásicos eran muy comunes .Puesto que por aquellas épocas era necesariamente rutinario conectar sistemas de potencia bifásicos con sistemas de potencia trifásicos .Con este propósito apareció la denominada conexión Scott T.
Hoy en día la potencia bifásica está limitada a aplicaciones de control ,pero aun se usa la Scott para producir la potencia necesaria para operarla .
La conexión Scott consta de dos transformadores monofásicos con idéntica capacidad .Uno tiene una toma en su devanado primario a 86.5% de su voltaje a plena carga .Están conectados como se indica:
Fig 12 Diagrama de cableado
La toma del 86.5% del transformador está conectada a la toma central del transformador T1 . Los voltajes aplicados al devanado primario se muestran así:
Fig 12 Voltajes de entrada trifásicos
Y los voltajes resultantes aplicados a los primarios de los dos transformadores se muestran en la siguiente figura
Fig 12 Voltajes en los devanados primarios del transformador
Debido a que estos voltajes se encuentran desfasados 90º , ocasionan un salida bifásica :
Esta conexión también permite convertir bifásica en trifásica , pero debido a que hay muy pocos generadores en uso , no se hace comúnmente
3. Conexión T trifásica
[2]La conexión Scott-T utiliza dos transformadores para convertir potencia trifásica en potencia bifásica con un nivel diferente de voltaje. Mediante un sencilla modificación de esta conexión ,los mismos dos transformadores pueden convertir potencia trifásica en potencia trifásica con otro nivel de voltaje .A continuación se muestra :
Fig 12 Diagrama de cableado conexión T
[2]En este caso, tanto el devanado primario como el secundario del transformador T2 , TIENE UNA TOMA Al 86.66% y las tomas están conectados a las tomas centrales de los devanados correspondientes del transformador T1 .En esta conexión a T1 se le llama transformador principal y a T2 transformador de conexión en t (TEASER TRANSFORMER ).
[2]Al igual que en la Scott T, el voltaje de entrada trifásico produce dos voltajes desfasados por 90º en los devanados primarios de los transformadores .Estos voltajes primarios producen voltajes secundarios que también están desplazados en 90º. A diferencia de la Scott T los voltajes secundarios se vuelven a combinar en una salida trifásica.
[2]Una de las mayores ventajas de la conexión T trifásica sobre las otras conexiones trifásicas de dos transformadores (la delta abierta y la ye delta abierta ) es que se pueden conectar un neutro tanto al lado primario como al lado secundario del banco de transformadores .
Esta conexión se utiliza en la distribución trifásicos autónomos , puestos que sus costos de producción son menores que los de un banco de distribución trifásicos completos.
[2]Debido a que las partes más bajas de los devanados del transformador de conexión en T no se usan ni en lado primario ni en lado secundario . Se pueden quitar sin alterar los resultados de salida.
Fig 12 Voltajes de entrada trifásica y voltajes devanados primarios
Fig 12 Voltajes devanados secundarios y voltajes secundarios trifásicos Resultantes
Normas internacionales para los transformadores trifásicos
Normas americanas: Designan los bornes como H1, H2 y H3 para el lado de alta tensión y x1, x2 y x3 para el lado de baja tensión. En cuanto al desplazamiento angular, aceptan sólo dos grupos de conexiones:
GRUPO 1:
Con un desplazamiento angular de cero grados, obtenido con transformadores conectados en estrella-estrella ó delta-delta.
Grupo2:
Con un desplazamiento angular de 30º, en que el lado de baja tensión atrasa 30º al lado de alta. Este se obtiene con conexiones estrella-delta ó delta-estrella.
Esta clasificación pone en evidencia el hecho de que sólo se acepta polaridad sustractiva.
Normas alemanas: Designan los bornes con las letras U,V y W para el lado de alta tensión y u, v y w para el de baja tensión. Admiten las conexiones tanto de polaridad aditiva como sustractiva.
Ventajas y desventajas de trafos monofásicos vs transformadores trifásicos en bancos de transformadores
[8]Una máquina trifásica puede generar hasta un 95.5% de una máquina ideal con infinito número de fases .
Potencia trifásica puede ser transmitida a largas distancias con un calibre de conductor pequeño.
Las ventajas de usar un transformador trifásico en lugar de un banco de transformadores monofásicos se han reportado y son:
1. Reducción de costos
2. Menor masa
3. Menor necesidad de espacio
Fig 12 Masa de transformador Vs Capacidad en KVA[8]
Fig 12 Costo monetario Vs Capacidad en KVA[8]
Conclusiones
Los sistemas trifásicos nos ayudan a hacer la utilización de los motores de inducción más sencilla, permitiéndoles arrancar sin devanados de arranque auxiliares especiales .
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.
Cuando analizábamos la conexión en delta abierto se nos vino una pregunta porque en vez de salir como potencia 66.7% que era lo que lógicamente tendría que salir ,sale tan solo un 57,7% .La repuesta estaba que un transformador produce potencia reactiva que consumía el otro . por ello el intercambio de energía entre los dos transformadores es lo que limita la potencia de salida .
Por ello se recalca que solo cuando se deba suministrar una pequeña cantidad de potencia trifásica a una carga monofásica se realiza la conexión delta abierta.
Gracias a la conexión ye abierta y delta abierta se puede dar servicio a pequeños clientes comerciales que necesitan servicio trifásico en áreas rurales donde no están disponibles las tres fases.
Tambien se sabe ahora que los sistemas de potencia trifásicos le sacan ventaja a los sistemas monofásicos como por ejemplo se puede obtener más potencia por kilogramo de metal de una maquina trifásica. Así también otra grande ventaja que se logra ver es que la potencia suministrada a una carga trifásica es constante en todo momento , en lugar de oscilar como lo hace en los sistemas monofásicos.
También ahora sabemos que en nuestro medio técnicamente hablando la potencia bifásica se la logra utilizar en medio de control como por ejemplo en el control de temperatura de quirófanos (HOSPITAL DEL RIO) en donde con la lógica de control y potencia bifásica el grado de error es de +-2 º centígrados.
Referencias
[1]Hay Williams, Enginnering Electromagnetism 5a Edición McGraw Hill, Nueva York
[2]Stephen Chapman, Maquinas Electricas,4 edición, Mac Graw Hill ,México
[3]JESUS FRAILE MORA; Máquinas Eléctricas;5 Edición , Mac Graw Hill ,México
[4]Alexander, Charles K Fundamentos de Circuitos Electricos,3a edición Mc Graw Hill
[5]H.HUSBCHER, Electrotecnia Curso Elemental ,2ª edición
LINKS:
[6]www.inele.ufro/apuntes.com
Autor:
Tema: transformadores trifásicos
[7]www.electronicaelemental.com
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