Transformadores Trifásicos

El transformador común es empleado para bajar o elevar voltajes de voltajes que pueden ser manejados por decir domésticamente pero los transformadores trifásicos son empleados para llevar energía eléctrica a grandes distancias esto es más conocido como distribución eléctrica a gran escala, ya que estos transformadores podrían manejar voltajes a partir desde lo 500KVA hasta los 500MKVA .

Transformadores 3F

Los transformadores trifásicos (3F) puede estar constituido por tres transformadores monofásicos en un solo banco, también puede estar diseñado por un núcleo de tres columnas. Los principales sistemas de generación y distribución de potencia en el mundo son sistemas trifásicos de corriente alterna, debido a las grandes ventajas que presentan. Los transformadores son una parte principal en sistemas trifásicos de. Por lo que para su utilización en estos sistemas, se pueden considerar dos configuraciones, la primera consiste en tomar tres transformadores monofásicos y conectarlos en un banco trifásico, es decir, tres transformadores por separados, unidos mediante algún tipo de conexión cuya conexión está hecha internamente dentro del banco de transformadores monofásicos, esta configuración presenta la desventaja de ser más caro que utilizar un solo transformador trifásico, y tiene como ventaja que cualquier unidad del banco puede ser reemplazada individualmente si es que presenta algún daño. Se muestra en la Fig (1.0) el transformador trifásico un modelo que está siendo empelado en una subestación, y en la Fig (1.1) se puede ver un transformador 3F con tres columnas.

Fig (1.0)

Fig (1.1)

Formas Constructivas Transformadores Trifásicos

Los transformadores trifásicos pueden ser construidos por tres transformadores monofásicos, en donde los circuitos magnéticos están o son independientes sin que hay alguna interferencia alguna entre los flujos respectivos, en la Fig (1.2) se puede observar el grupo de transformadores que están conectados en la red y un gráfico de como se ve físicamente un transformador de tres columnas.

Fig (1.2)

También existe la posibilidad de construir un transformador trifásico de un núcleo único que esté compuesto por tres columnas como se aprecia en la Fig (1.2), los flujos que circulan por las columnas se podrán entender mejor viendo la Fig (1.3) los cuales también forman parte de la constitución de un transformador 3F.

Fig (1.3a)

Fig (1.3b)

El flujo de cada instante es la suma de los tres flujos que circulan por las columnas que se encuentra desfasados 120o, por lo que el flujo será nulo cuando se hace la construcción el plano de la Fig (1.4) se muestra que crea una asimetría por lo que las corrientes al vacío son insignificantes además se hace más pequeñas aumentando la sección.

Fig (1.4)

Construcción Circuito Magnético

Se verá las conexiones más usuales. Por efectuar una transformación trifásica a base de tres transformadores monofásicos independientes que pueden ser del tipo de columnas o acorazado, que muestra la siguiente Fig (1.5).

Fig (1.5)

A continuación se puede observar cómo está constituido el transformador trifásico; lo tres transformadores monofásicos tienen de un lado sus primarios y del otro lado los secundarios, como muestra la Fig (1.6).

Fig (1.6)

Los circuitos magnéticos son independientes sin que se produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos respectivos, la cual se puede ver en la Fig (1.7), se puede ver que los flujos no chocan.

Fig (1.7)

Sistema por Unidad

En el campo de los estudio de la ingeniería eléctrica o electrónica existen valores (Potencia, Tensión, Corriente, Impedancia) , se expresan las cantidades eléctricas; como valores en por unidad El sistema por unidad (pu, per-unit en inglés) de cualquier cantidad se define como la relación entre esta cantidad y la cantidad base y se expresa como un decimal.

Por ejemplo, pensemos en el tablero de una subestación, observamos en el indicador de voltaje de barras y tenemos un voltaje de 126 kV, este valor adquiriría un significado adicional si establecemos como base un voltaje nominal de 120 kV entonces sabríamos que tenemos un sobre voltaje ya que el valor de 126 kV equivale a un 1.05 pu del valor nominal base de 120 kV.

La relación en por ciento (%) es 100 veces el valor en por unidad (1 / 0). Ambos métodos de cálculo; el porcentual y el por unidad son más simples y más informativos que los voltios, amperios y ohmios reales. Contiene ventajas como si de dos cantidades expresadas en por unidad se expresa también en por unidad, mientras que el producto de dos cantidades dadas en por ciento se debe dividir entre 100 para obtener el resultado en por ciento. La ventaja de los cálculos en el sistema por unidad solo se aprecia en la práctica, al simplificar el trabajo en gran medida.

1. Una de la ventajas principales de utilizar cálculos en por unidad en el análisis de sistemas eléctricos de potencia es que cuando se especifican apropiadamente las bases para las diferentes partes del sistema, los valores en por unidad de las impedancias en donde se encuentran, son iguales a aquellos vistos desde la otra parte. Por lo que solo es necesario calcular cada impedancia sobre la base en donde se encuentra. En resumen la gran ventaja proviene en que no se requieren cálculos para referir la impedancia de un lado del transformador al otro.

2. Para otras partes del sistema, es decir para otros lados del transformador, se determinan los kilovoltios base de cada parte de acuerdo con las relaciones de voltaje línea a línea de los transformadores. Los kilo amperes base serán los mismos en todo el sistema.

3. Generalmente la información disponible sobre la impedancia de los transformadores trifásicos está disponible en por unidad o en por ciento sobre la base de sus valores nominales.

4. Para tres transformadores monofásicos conectados como una unidad trifásica, los valores nominales trifásicos se determinan de los nominales monofásicos de cada transformador. La impedancia en por ciento, de la unidad trifásica es la misma que la de los transformadores individuales.

5. Generalmente los fabricantes especifican la impedancia de una pieza de equipo en por ciento o en por unidad sobre la base de los valores de placa nominales.

6. Las impedancias en por unidad de máquinas del mismo tipo y valores nominales muy diferentes quedan dentro de un estrecho rango, aunque sus valores óhmicos difieran grandemente. Por esta razón es posible seleccionar, cuando no se conoce la impedancia, valores promedio tabulados razonablemente correctos.

7. De una manera general, la experiencia de trabajar con valores en por unidad, familiariza con valores típicos de impedancia de los diferentes equipos, además de otras cantidades que tienen también un comportamiento visiblemente típico en los rangos por unidad como las corrientes de cortocircuito y los voltajes de los buses.

8. La impedancia en por unidad una vez que es referida sobre una base apropiada es la misma independientemente del lado del transformador a la que este referida.

9. La manera en que se conectan los transformadores en circuitos trifásicos no afecta a las impedancias en por unidad del circuito equivalente, aunque la conexión del transformador determine la relación de los voltajes base a los lados del transformador.

Tipos de Conexión de los transformadores Trifásicos

Conexiones Estrella-Estrella Yy

Esta conexión es la que está conectada internamente del transformador trifásico y el cual se ve en la Fig (1.8).

Fig (1.8)

La conexión en estrella Yy es preferible siempre, desde el punto de vista económico para altas tensiones, mas todavía sí la capacidad del transformador no es muy elevada. Le corresponde la tensión más baja por devanado e intensidad.

Facilita así el aislamiento y empleo de secciones amplias de cobre, que dan rigidez a las bobinas y las protege contra los enormes esfuerzos mecánicos que a veces se producen por accidentes de cortocircuito.

El montaje en estrella permite también sacar neutro para la alimentación de las redes de baja con doble tensión de alimentación, y para la protección por medio de la puesta a tierra en el lado de alta. Con transformadores monofásicos independientes el transformador averiado debe desconectarse íntegramente de la línea, si por el contrario se trata de un transformador trifásico de columnas, el devanado defectuoso ha de aislarse separado de la red el otro arrollamiento correspondiente de la misma fase y poniéndolo en cortocircuito para anular el flujo de dispersión que tendiese a pasar por su núcleo. Los vectores de las tensiones quedarían de la siguiente forma de la Fig (1.9).

Fig (1.9)

Conexión Triángulo-Triángulo Dd

En la Fig (1.9) se puede ver la conexión que posee internamente el transformador tanto en el primario como secundario.

Fig (1.9)

Cada devanado debe soportar la tensión total de línea, y si la corriente es reducida, resultan numerosas espiras de pequeña sección. Por el contrario, si la capacidad es elevada y la tensión reducida, la intensidad por fase, siendo inferior a la línea, permite disminuir la sección a igualdad de densidad de corriente en la relación del tamaño de los conductores es más apropiado. Careciendo de neutro, no permite la protección de puesta a tierra ni la alimentación de redes mixtas de doble nivel de tensión, estos inconvenientes limitan sus posibilidades de aplicación.

Conexión Estrella Triangulo Yd

La Fig (1.10) muestra la conexión mencionada en el subtítulo además en la misma figura se puede ver la conexión Triangulo- Estrella Dy.

Fig (1.10)

Con la estrella en lado el alta y el triángulo en el de baja, las tensiones por devanado son las más beneficiadas. Cualquier avería en una fase impide completamente el funcionamiento del sistema. El tercer armónico de corriente magnetizante circula sin dificultad por los devanados en triángulo, y no se producen sobretensiones por defectos de excitación. El centro de la estrella puede ponerse a tierra como protección, pero si en el otro extremo se línea se ha tomado también esta medida. Sea cual fuera la clase de circuito magnético empleado, el desequilibrio de cargas secundarias se transmite al primario de forma compensada para cada fase sin producir sobreexcitaciones en ninguna de ellas.

Conexión Zigzag Yz

Se ha dicho que la conexión Y/y, junto a la ventaja apreciable de proveer neutro en ambos sistemas, primario y secundario presenta un grave inconveniente cuando existe desequilibrio de consumo por exceso de carga en una fase respecto a las demás. Para evitar este inconveniente se unen los bobinados en zig-zag como la Fig (1.11).

Fig (1.11)

esta conexión trata de hacer que la corriente que pasa por cada hilo activo de la red secundaria proceda siempre de dos fases y afecte así por igual a dos fases primarias en las cuales habrán que circular, respectivamente, intensidades que se neutralizan mutuamente con las del secundario. La forma de conseguir en estos devanados en un transformador de columnas, por ejemplo la conexión en zig-zag que muestra la Fig (1.12).

Fig (1.12)

Conexiones Normalizadas

Depende de los tipos de conexión de los devanados de un transformador, pueden aparecer unas diferencias de fase entre las tensiones compuestas de primario y secundario. Para que esta fase

Quede unívocamente determinada se supondrá que el transformador se alimenta por medio de un sistema equilibrado de tensiones de sentido directo RST, de tal forman que se consideran ángulos positivos, lo que permite identificarlos son las formas entre sí de las agujas de un reloj cuando marca

Una hora exacta, esto da lugar a lo que llamamos índice horario del transformador. Así pues un índice igual a 5 significa un retraso de 5*30=150° de la tensión menor con respecto a la superior.

A continuación se podrá ver el índice de horario que toma dependiendo de la conexión que tenga se puede ver en la siguiente Fig (1.13)

Fig (1.13)

Fig (1.13)

A continuación se podrá ver una tabla en la cual se tendrá todo como conexiones ubicación de vectores relaciones entre espiras esto nos facilitara mucho para para hacer cálculos o lo que amerite analizar de un transformador a continuación la tabla 1.0.

Tabla 1.0

Taps

Los taps son derivaciones que poseen los transformadores trifásicos, los cuales hacen que se tenga la posibilidad de poder cambiar la tensión a la salida del transformador, ya que cuando el transformador tenga que alimentar a una carga que pase los limites el transformador no podrá abastecer con la misma tensión ya que esta sobrepasando su tensión, por lo que este tap o conmutador puede ser cambiado para elevar la tensión.

Teniendo en cuenta que para hacer el cambio en el tap se debe tener des energizado el transformador, haciendo corto cortocircuito en la entrada del transformador y en la salida del transformador evitando así, que llegue el voltaje al transformador ya sea por el primario o secundario. A continuación se puede ver en la Fig (1.14) un modelo de cómo está constituido el taps en el transformador.

Fig (1.14)

Autotransformadores Trifásicos

Autotransformadores trifásicos aquellos casos donde se requiera una adaptación de tensiones de forma económica sin necesidad de obtener una separación galvánica ni una reducción de las perturbaciones de red. Las principales aplicaciones comprenden la adaptación de tensiones en motores, bombas, maquinaria, equipos de aire acondicionado, etc. Conexión mediante bornes de brida o tornillos para terminales de presión. Fabricados con chapa magnética de bajas pérdidas y devanados de cobre. Bajo demanda pueden fabricarse con otras tensiones, con tomas de regulación, protector térmico, etc., como se muestra en la Fig (1.3) son las conexiones de los bobinados internamente, cabe decir que cuando se hace alguna de las conexiones ya sea triangulo o estrella en el primario esta sería la misma conexión para el secundario.

Fig (1.3)

Conexiones Autotransformadores

Conexión de estrella a estrella. Se puede ver el primario tiene la destinado manejar la alta tensión, por lo que el secundario entregara la tensión reducida todo esto se ve en la Fig (1.15)

Fig (1.15)

Cabe decir que también en autotransformador la conexión que se realice en el primario será por consecuencia la del secundario Esta conexión del autotransformador es quizá la que se emplea más extensamente, siendo la más sencilla, la más robusta, y con ella puede disponerse de un neutro para conectar con la tierra y para un transformador del tipo acorazado trifásico, o una distribución con cuatro cables. La conexión de la figura se aplica igualmente a autotransformadores elevadores como reductores, y solo es cuestión de intercambiar los terminales a, b, c, y A. B. C, respetivamente. Las características de los enrollamientos son similares a las de los transformadores de doble bobinado con conexión de estrella a estrella.

Conexión Triangulo-Triangulo

El esquema de la Fig (1.16 a) se puede ver el grupo de conexiones de triangulo a triangulo en los autotransformadores, muestra la disposición más simétrica posible, pero solo es factible en la relación de dos a uno.

Fig (1.16 a)

El esquema de la Fig (1.16b) el grupo muestra las conexiones de un autotransformador elevador, con las cuales la relación de transformación puede tener el valor que se desee. El Angulo de fase entre los terminales del primario y del secundario depende de la relación de transformación.

Fig (1.16b)

El esquema de la última Fig (1.16 c) para estas posibles conexiones del grupo muestra las conexiones de un transformador reductor para cualquier valor de la relación de transfiguración. En este caso, también el ángulo de fase entre los terminales del primario y del secundario depende de la relación de transformación.

Todas estas conexiones de triangulo-triangulo presentan el inconveniente de que no hay neutro disponible para conectar con la tierra o red de distribución. Las características de los enrollamientos son semejantes a las de los transformadores de doble bobinado en conexión de triangulo a triangulo.

Fig (1.16 c)

Existe la posibilidad de tener La conexión de V a "V no se emplea con mucha frecuencia, pues, aunque su coste inicial es bajo, carece de los mismos problemas que los transformadores trifásicos usuales de doble bobinado, del grupo con conexión de V a V. Esta conexión es electrostáticamente desequilibrada, no se dispone de neutro, y las características del enrollamiento son parecidas a las de los transformadores de doble bobinado del grupo con conexiones de V a V, que muestra la Fig (1.17)

Fig (1.17)

Otra posibilidad de conexión es una que se emplea también muy raramente en los autotransformadores trifásicos, pero ofrece sobre la de V a V la ventaja de que se puede disponer de un neutro, por lo que el equilibrio de la tensión puede mantenerse, posee el enrollamiento son similares a las del grupo de doble bobinado con conexión de T con T, pero los neutros no coinciden y solo se puede conectar con la tierra uno de ellos. Fig (1.18)

Conclusiones

Los transformadores trifásicos están capacitados para manejar altos rangos de voltaje dependiendo de la necesidad que se amerite estos pueden estar compuestos por tres transformadores monofásicos, existe una gama muy amplia ya sea de su procedencia o las cualidades de las que se posee. Siendo utilizados para reducir voltajes en las subestaciones y también en los postes para que reduzcan el voltaje y sea de uso domiciliario. Se pueden encontrar transformadores con diferentes conexiones interiormente las cuales estén sujetas a la necesidad. También estas conexiones hacen que el sistema debe de acoplarse para poder encontrarse en equilibrio por lo que el sistema debe ser equilibrado con las cargas. Los taps nos facilitan la modificación de las tensiones que podamos tener a la salida del transformador.

Los autotransformadores podrían ser una alternativa que se toma en cuenta para la distribución ya sea reduciendo o elevando el voltaje, está compuesto por tres bobinados que tienen tomas en las espiras en donde se necesiten el voltaje, pero las desventajas pueden hacer que el transformador sea más garantizado.

Referencias

[1]Wikipedia.org

[2]Sistema por unidad – Sitio Buenas tareas

[3] Transformación mediante tres transformadores monofásicos< http://endrino.pntic.mec.es/jhem0027/eltrafotrifasico/eltrafotrifasico.htm>

[4] universidad Carlo III de Madrid< http://ocw.uc3m.es/ingenieria-electrica/circuitos-magneticos-y-transformadores/practicas-de-laboratorio/practica-2-grupos-de-conexion-de-transformadores-trifasicos>

[5]Transformador Trifásico Autotransformadores< http://es.scribd.com/doc/8163949/transformador-trifasico>

[6]Transformadores trifásicos Jorge Chuya< /trabajos-pdf4/los-transformadores-trifasicos/los-transformadores-trifasicos.pdf>

[7]El transformador Trifásico< http://www.tuveras.com/eltrafotrifasico/eltrafotrifasico.htm>

[8]Transformadores trifásicos< http://www.slideshare.net/PatoGuaraca/ensayo-mquinas-elctricas-transformadores-trifsicos>

[9]Esteban Arguello Xavier Méndez Transformadores Trifásicos< /trabajos78/transformadores-trifasicos/transformadores-trifasicos2>

[10]Universidad Autónoma de Campeche< http://es.scribd.com/doc/51626236/9/TRANSFORMADORES-TRIFASICOS>

Bibliografía Imágenes

http://patricioconcha.ubb.cl/transformadores/_borders/transfo.gif

http://html.rincondelvago.com/000599010.png

http://www.monografias.com/trabajos11/tradi/Image5560.jpg

Autor:

Fernando Siavichay

Materia: Maquinas Eléctricas

Profesor: Ing. Omar Álvarez