Transformación trifásica (conexión triangulo-estrella)

Introducción

La monografía es una herramienta valiosa que complementa y dinamiza el texto básico; con la utilización de creativas estrategias didácticas que ayuda la ausencia del profesor y genera un ambiente de pensamiento y análisis, para ofrecer al estudiante diversas posibilidades que mejoren la comprensión y el autoaprendizaje.

En la presente monografía se abordara el tema de transformación trifásica (conexión triangulo-estrella).

La mayoría de los transformadores utilizados en la transmisión y distribución de energía eléctrica son trifásicos, por una cuestión de costos, tamaños y transporte; pero hay excepciones: cuando las potencias son muy grandes, cientos de MVA, o se requieren varios transformadores de gran potencia e iguales, por ejemplo en una central con una cierta cantidad de máquinas de gran potencia, puede convenir utilizar bancos trifásicos armados con tres transformadores monofásicos, e inclusive tener algún transformador de reserva.

Transformación trifásica

Reseña: 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.

Por razones e 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.

Los transformadores para circuitos trifásicos pueden construirse de la siguiente manera esta es:

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.

Conexión delta-estrella

Este tipo de conexión no presenta muchos inconvenientes, pues su utilización ha de ser adecuada a las características generales que presenta la conexión en triangulo y estrella. Es muy empleado como conexión para transformadores elevador al principio de la línea y no al final, porque cada fase del devanado primario ha de soportar la tensión entre fase de red.

En esta conexión el banco esta conectado en en el primario y en Y el secundario, en el primario los terminales se unen final H2 con principio H1 del siguiente transformador en los puntos de conexión se conectan las líneas de alimentación. Para el secundario los finales X2 se unen todos en un punto en común autorizándolo (siendo este el neutro), mientras que los principios son las líneas principales de alimentación (a,b,c)

PRIMARIO: El voltaje de fase es igual al de línea (Vf=VL) mientras que la corriente de línea es v3 veces la corriente de fase (IL=v3X IF)

SECUNDARIO: El voltaje de línea es v3 veces el de fase (VL=v3X Vf). La corriente de línea es igual a la corriente de fase (If=IL)

Funcionamiento

Cuando los transformadores se conectan en delta-Y, los tres devanados primarios se conectan como aparece en la figura 12.1

Sin embargo, los devanados secundarios se conectan de modo que todas las terminales X2 queden unidas entre sí, lo que crea un neutro común N (Fig. 12.3).

En este tipo de conexión, el voltaje a través de cada devanado primario es igual al voltaje de línea entrante. Sin embargo, el voltaje de línea saliente es tres veces el voltaje secundario a través de cada transformador.

Los valores relativos de las corrientes en los devanados del transformador y las líneas de transmisión se dan en la figura 12.4. Así pues, las corrientes de línea en las fases A, B y C son v3 veces las corrientes en los devanados primarios. Las corrientes de línea en las fases 1, 2, 3 son iguales a las corrientes en los devanados secundarios.

Una conexión delta-Y produce un desplazamiento de fase de 30° entre los voltajes de línea de las líneas de transmisión entrantes y salientes. De este modo, el voltaje de línea saliente E12 está adelantado 30° respecto al voltaje de línea entrante EAB, como se ve en el diagrama fasorial. Si la línea saliente alimenta un grupo aislado de cargas, el desplazamiento de fase no causa ningún problema. Pero si la línea saliente se tiene que conectar en paralelo con una línea proveniente de otra fuente, el desplazamiento de fase de 30° puede hacer que la conexión en paralelo sea imposible, aun cuando los voltajes de línea sean idénticos. Una de las ventajas importantes de la conexión en Y es que reduce la cantidad de aislamiento requerido en el interior del transformador. El devanado de alto voltaje tiene que ser aislado sólo para 1v3 o 58 por ciento del voltaje de línea.

Conexión delta-Y de tres transformadores monofásicos.

En esta conexión se han unido los tres terminales libres de las bobinas del alternador a un punto común, formando el conductor neutro (O). Las otras partes activas de las bobinas (1), (2) Y(3) forman los conductores de cada una de las fases del sistema trifásico. Para hacer un estudio completo de esta conexión, se ha conectado el alternador a un receptor que consta de tres cargas óhmico inductivas (Z¡, Z2 y Z3)

Formas de los devanados

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

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.

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.

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. 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.

Diagramas

Diagrama N 1

Diagrama N 2

Diagrama N 3

Relación entre las corrientes de línea y las corrientes de fase en un circuito en forma de delta

En las siguientes imágenes se muestra cuáles son las corrientes de línea y las corrientes de fase para una carga en forma de delta:

Es de mucha utilidad el poder obtener las corrientes de fase a partir de las corrientes de línea y viceversa en problemas que involucren cargas o fuentes en forma de delta. La razón es que cuando en un circuito trifásico tenemos una carga en forma de delta no podemos obtener un circuito monofásico equivalente ya que no hay línea neutra. Como un circuito monofásico es más fácil de resolver que uno trifásico lo mejor en este caso es transformar la delta utilizando transformaciones delta-Y a una Y, posteriormente ya que se tiene la carga y la fuente en forma de Y se puede obtener el circuito equivalente monofásico como se explicó anteriormente y así obtener la corriente de línea. Una vez que obtenemos esta corriente de línea es posible saber en base a esta cuánto vale la corriente en cada una de las ramas de la delta y por lo tanto se da respuesta al problema inicial.

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.

Utilidad

Es utilizado para sistemas de 4hilos: 3 potenciales (A,B,C) y el neutro (n). el uso del neutro permite tener un voltaje mas equilibrado; por lo que se usa en baja tensión en residencias, comercios e industrias es muy común

VENTAJAS

• No presenta problemas con las componentes en sus voltajes de terceros armónicos

• Es muy útil para elevar el voltaje a un valor muy alto.

•  Utilizando esta conexión en el lado de alta, se puede poner a tierra el neutro permitiendo que quede limitado el potencial sobre cualquier carga.

•  Al producirse un desequilibrio en la carga, no motiva asimetría del flujo, por producirse un reparto entre las tres columnas del primario.

Las ventajas que esta conexión presenta y los escasos inconvenientes motivan la utilización de este transformador tanto en trasmisión como en distribución de energía

DESVENTAJAS:

•  La falla de una fase deja fuera de operación al transformador.

• No se dispone de neutro en el primario para conectarlo con la tierra. Esto no es precisamente un inconveniente, pues, por lo general en el circuito del primario del transformador hay una toma de tierra, sea en el generador, sea en el secundario del transformador elevador de tensión.

•  El devanado en delta puede ser mecánicamente débil.

•  Debido al desplazamiento que existe en las fases entre las mitades de los enrollamientos, que están conectados en serie para formar cada fase, los enrollamientos que están en estrella interconectadas, requieren de un 15.5% más de cobre, con el consiguiente aumento del aislamiento total.

•  El tamaño del armazón, debido a las razones expuestas anteriormente, es mayor con el aumento consiguiente del coste del transformador.

Los sistemas trifásicos nos ayudan a hacer la utilización de los motores de inducción más sencilla, permitiéndoles arrancar sin devanados de arranque auxiliares especiales, 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.

Gracias a la conexión triangulo-estrella se puede dar servicio a pequeños clientes comerciales que necesitan servicio trifásico en áreas rurales donde no están disponibles las tres fases.

Referencias

Theodore Wildy (2007) Maquinas Eléctricas y sistema de potencia

Stephen. J. Chapman (2000) Maquinas Eléctricas

Hay Williams, Enginnering Electromagnetism 5a Edición McGraw Hill, Nueva York

H.HUSBCHER, Electrotecnia Curso Elemental ,2ª edición

LINKS:

Prof. Francia Becerra H (2003) Transformadores y maquinas asincrónicas.

Andrés Peña, Jonathan Suarez (2013) Maquinas eléctricas I

Inggilberto.com/transformadorestrifasicos.htm

 Seminario de tecnologia- Electrotecnia_Transformadores.PDF- Severino Arguelles García

Barquisimeto, Marzo 2017

Autor:

Roldan.