Transformadores trifásicos

Abstract

In this paper we review some of the most important electrical machines in the real world, three-phase transformers are instruments that are present everywhere on the streets, in factories in the stadiums, buildings, etc.., The truth that there much to talk about these sophisticated instruments that their study will make us much good for those who want to deepen this interesting field.

PALABRAS CLAVE: Devanado, bobina, espiras, núcleo.

Introducción

El campo de estudio de los transformadores monofásicos se complementa ahora con el análisis de transformadores trifásicos. Ya entendido lo que son los transformadores monofásicos sin problema alguno podremos entender que los transformadores trifásicos se componen de tres transformadores monofásicos y que estos tienen aplicaciones muy importantes en el mundo real. Los conceptos matemáticos y las relaciones de voltajes y corrientes, son similares para sistemas trifásicos, para no complicarnos en los cálculos si nosotros queremos hallar la potencia de un transformador trifásico en cualquier lado (primario o secundario) de este, tendremos que analizar sólo una fase y luego multiplicarla por tres (trifásica). Por otro lado existen también los autotransformadores que tiene que se analizan de manera diferente que los transformadores trifásicos.

Formas constructivas: circuitos eléctricos y circuitos magnéticos

Casi todos los sistemas de generación y distribución en el mundo de hoy son trifásicos de CA. Ya que los sistemas trifásicos tienen una función tan importante en la vida moderna es necesario entender su funcionamiento.

FABRICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Se fabrican de dos maneras. Una de ellas consiste simplemente en tomar tres transformadores monofásicos y conectarlos en un banco trifásico.

Figura 1: Banco de transformador trifásico compuesto por tres transformadores independientes

Otra alternativa es construir transformadores trifásicos con tres grupos de devanados enrollados en un núcleo común, como se muestran en las figuras siguientes.

Figura 2: Transformador trifásico construido sobre un núcleo de tres columnas

Pero hoy en día se prefiere construir un transformador trifásico como tal por ser más ligero, barato y un poco más eficiente. En cambio el banco de transformadores por separado tiene la ventaja de si presentase un falla pueda ser remplazada por la defectuosa.

PARTES CONSTITUTIVAS DE UN TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

El transformador con cuba de aceite y depósito de expansión es el más utilizado en los centros de transformación. Para hacerlo más funcional, en el propio transformador se incorporan una serie de elementos de control, protección, etc., que lo hacen más práctico y seguro. Estas son las partes constructivas que forman parte del transformador:

Figura 3: elementos que componen el transformador sumergido en aceite con depósito de expansión

Se describen a continuación sus partes:

– Pasa-tapas de entrada: conectan el bobinado primario del transformador con la red eléctrica de entrada a la estación o subestación transformadora.

– Pasa-tapas de salida: conectan el bobinado secundario del transformador con la red eléctrica de salida a la estación o subestación transformadora.

– Cuba: es un depósito que contiene el líquido refrigerante (aceite), y en el cual se sumergen los bobinados y el núcleo metálico del transformador.

– Depósito de expansión: sirve de cámara de expansión del aceite, ante las variaciones se volumen que sufre ésta debido a la temperatura.

– Indicador del nivel de aceite: permite observar desde el exterior el nivel de aceite del transformador.

– Relé Bucholz: este relé de protección reacciona cuando ocurre una anomalía interna en el transformador, mandándole una señal de apertura a los dispositivos de protección.

– Desecador: su misión es secar el aire que entra en el transformador como consecuencia de la disminución del nivel de aceite.

– Termostato: mide la temperatura interna del transformador y emite alarmas en caso de que esta no sea la normal.

– Regulador de tensión: permite adaptar la tensión del transformador para adaptarla a las necesidades del consumo. Esta acción solo es posible si el bobinado secundario está preparado para ello.

– Placa de características: en ella se recogen las características más importantes del transformador, para que se pueda disponer de ellas en caso de que fuera necesaria conocerlas.

– Grifo de llenado: permite introducir líquido refrigerante en la cuba del transformador.

– Radiadores de refrigeración: su misión es disipar el calor que se pueda producir en las carcasas del transformador y evitar así que el aceite se caliente en exceso.

Sistema de medida por unidad

El método de cálculo llamado sistema por unidad de medida (pu) miden sus unidades de volts, amperes, watts, ohms, etc., pero no normalmente sino que cada magnitud eléctrica se mide como una fracción decimal de algún nivel base. En el sistema base por unidad, cualquier cantidad puede expresarse mediante la ecuación:

Donde el valor real es el calor en volts, amperes, ohms, etc. Dos magnitudes por unidad se utilizan como base para definir el sistema por unidad. Seleccionadas esta cantidades base, los otros valores base se relacionan con ellas por medio de la leyes eléctricas corrientes.

Tap´s

Los transformadores de distribución tienen una serie de tomas (taps) en los devanados para permitir pequeños cambios en la relación devueltas del transformador después de haber salido de fábrica. Por ejemplo, una instalación típica podría tener cuatro tomas además del valor nominal, con intervalos entre éstas de 2.5% del voltaje a plena carga. Tal distribución permite ajustes hasta del 5% por encima o por debajo del voltaje nominal del transformador. Las tomas de un transformador permiten que éste se pueda ajustar para acomodarse a las variaciones de los voltajes de las localidades. Sin embargo, estas tomas normalmente no se pueden cambiar mientras el transformador está suministrando potencia, sino cuando se encuentren sin carga.

Grupos de conexión

En los sistemas polifásicos, cuando hablamos de conexión estamos hablando de enlazar entre sí, los arrollamientos de las distintas fases. En las transformaciones trifásicas, los arrollamientos pueden estar montados de las siguientes formas:

• a) Conexión abierta (III)

• b) Conexión en triángulo (D)

• c) Conexión en estrella (Y)

• d) Conexión en zigzag (Z)

El convenio para usar las letras de manera abreviada es el siguiente:

Conexión en triángulo: D (en el primario) d (en el secundario)

Conexión en estrella: Y (en el primario) y (en el secundario)

Conexión en zigzag: Z (en el primario) z (en el secundario)

Figura 4: Representación esquemática de la conexión zigzag

En la conexión en zigzag cada uno de los arrollamientos está dividido en dos partes, que se bobinan sobre dos columnas diferentes del transformador, con inversión de las entradas y de las salidas al pasar de una columna a otra; es decir, que se montan en oposición, siguiendo un orden de permutación circular de núcleos. La fuerza electromotriz correspondiente a cada fase resulta de la composición de dos fuerzas electromotrices defasadas entre sí en 120º, tal como muestra el diagrama vectorial de la figura 5.

Figura 5: Diagrama vectorial de la conexión zigzag

Las conexiones usadas están normalizadas en grupos de conexión, los que caracterizan a las conexiones de los dos arrollamientos sean primarios o secundarios.

Cada grupo se identifica con una cifra o índice de conexión que, multiplicado por 30º, da como resultado el desfase en retraso que existe entre las tensiones de los mismos géneros (simples o compuestos).

Figura 6: Grupos de conexión de los transformadores trifásicos

Al índice de conexión también se lo llama índice horario, el desfase del primario o secundario siempre es un múltiplo de 30º, se identifica con el ángulo formado por la aguja horaria y minutero del reloj, cuando marca la hora exacta, entonces se caracteriza el ángulo de desfase por la hora indicada, para ello se ha convenido:

• Superponer el vector de la fuerza electromotriz primaria E1 con la aguja minutero sobre la división 0.

• Superponer el vector de la fuerza electromotriz secundaria E2 con la aguja horaria.

La hora indicada por la aguja horaria constituye el índice horario del transformador.

El índice horario depende notoriamente de las formas de conexión en el primario y secundario y también de los sentidos relativos de arrollamiento de los devanados primario y secundario, sobre la misma columna.

Para determinar el índice horario se hace lo siguiente:

• a) Adoptar con sentido positivo de un arrollamiento de las fuerzas electromotrices que actúan hacia el terminal exterior.

• b) Representar las fuerzas electromotrices por arrollamiento simples primarios.

• c) Representar las fuerzas electromotrices por arrollamientos simples secundarios recordando que éstas tienen sobre la misma columna, el mismo sentido que las fuerzas electromotrices simples primarias, ya que el flujo magnético es común.

Figura 7: Determinación del índice horario de un transformador trifásico en conexión triángulo – estrella

Las fuerzas magnetomotrices deben compensarse; pero teniendo en cuenta las columnas independientes se observa que en cada columna aparece una fuerza magnetomotriz resultante del mismo sentido y de igual magnitud, hay tres flujos alternos que pulsan al mismo tiempo y que no disponen de caminos de retorno, porque se cierran por el aire a través de los dieléctricos y sobre todo a través de la caja metálica exterior que cubre y protege el transformador y que es el camino que ofrece una máxima reluctancia magnética; por esta razón es que se calienta la caja, después a estas fuerzas magnetomotrices, se inducen tensiones en cada que vienen a sumarse vectorialmente a las fueras electromotrices generadas por flujos magnéticos originales, resultando unas tensiones simples distintas en magnitud y fase a las originales, por consiguiente desplazamiento del neutro.

Entonces de todo lo revisado se puede decir y deducir que siempre que en la carga secundaria pueda existir desequilibrio, como ocurre normalmente en las redes de distribución de cuatro conductores, es necesario emplear transformadores en conexión triángulo-estrella o en conexión estrella-zigzag.

Autotransformadores trifásicos

Como habíamos revisado en la teoría sobre los autotransformadores monofásicos, los trifásicos funcionan de manera parecida. Recordando la definición de autotransformador monofásico decimos que es un transformador ordinario, cuyos arrollamientos primario y secundario se conectan en serie.

El autotransformador trifásico tiene el inconveniente de que por la propia constitución del autotransformador es necesario adoptar el mismo tipo de conexión en el primario y en el secundario, excepto en las conexiones estrella en cuyo caso, la otra conexión pueden ser estrella o zigzag. A causa de esta limitación no existe tanta variación de conexiones trifásicas como en el caso de los tranformadores, a continuación, se describirán brevemente algunas de estas conexiones.

TIPOS DE CONEXIÓN

CONEXIÓN ESTRELLA – ESTRELLA

En la figura 8, vemos esta configuración que es la más utilizada a causa de su sencillez de montaje y de que puede ponerse de conductor neutro para la puesta a tierra o para alimentar redes de cuatro conductores.

Figura 8: Autotransformador trifásico en conexión estrella – estrella

La figura anterior es un autotransformador reductor; pero esta conexión puede aplicarse sin inconvenientes a un autotransformador elevador, en cuyo caso, basta permutar los terminales A, B, C, con sus respectivos homólogos a, b, c. Las características de funcionamiento son similares a las de los transformadores trifásicos en conexión estrella – estrella.

CONEXIÓN TRIÁNGULO – TRIÁNGULO

En la figura 9, se representa esquemáticamente una conexión triángulo – triángulo para un autotransformador reductor, en la que la relación de transformación puede tener cualquier valor; el defasaje entre el primario y el secundario, depende de la relación de transformación.

Figura 9: Autotransformador trifásico en conexión triángulo – triángulo

En la figura 10, se observa un autotransformador elevador, también en este caso, el desfasaje entre el primario y el secundario, depende de la relación de transformación.

Figura 10: Autotransformador trifásico elevador en conexión triángulo – triángulo

En la figura 11, se expresa una conexión zigzag que se utilizan para autotransformadores elevadores; para autotransformadores reductores se permutan los terminales A, B, C por respectivos homólogos a, b, c y se obtiene una conexión zigzag – estrella, estas conexiones se emplean muchas veces porque el autotransformadores puede acoplarse en paralelo con un transformador trifásico en conexión estrella – triángulo o con uno en conexión triangulo estrella.

Figura 11: Autotransformador trifásico en conexión estrella – zigzag

En la figura Vv con frecuencia no se usa a pesar de que su coste inicial es bajo, tiene los mismos defectos que transformadores trifásicos en conexión Vv, lo que resulta desequilibrada y no se dispone de conductor neutro.

Para terminar la conexión Tt tampoco se usa porque tiene la conexión Vv, la ventaja de poseer y disponer de conductor neutro, por lo que su funcionamiento es estable.

Posee las mismas características que las de un transformador en conexión Tt pero en esta oportunidad los conductores neutros no coinciden y solo uno de ellos puede conectarse en tierra.

Sin embargo, a pesar de las ventaja

• 1. Se admitirán autotransformadores, cucando la tensión más reducida sea inferior en menos de 25% de la más elevada. Cuando la diferencia de potencial a tierra no sea superior a 250 V, ni en el primario ni en el secundario, podrán emplearse autotransformadores con cualquier relación de transformación.

• 2. Los puntos neutros de los circuitos de entrada y salida de los autotransformadores deberán conectarse sólidamente a tierra.

• 3. En los autotransformadores polifásicos conectados en estrella o en zigzag, el punto neutro será accesible desde el exterior y el terminal correspondiente estará señalizado para evitar confusiones.

Figura 12: Autotransformadores trifásico en conexión Vv

Los autotransformadores tienen las siguientes aplicaciones:

• Cuando no sea preciso aislar el circuito de baja tensión circuito de alta tensión, es decir, cuando las diferencias una y otra tensión sea inferior a 25%. Esto es lo que muchas veces en la interconexión de redes de alta tensión.

• Como distribuidores de carga entre varios transformadores cuyas impedancias sean inadecuadas para este servicio. Trabajen con tensiones de servicio ligeramente diferenciada instalación puede realizarse con autotransformadores separados o con un autotransformador común con todos los transformadores.

Figura 13: Autotransformador trifásico en conexión Tt

• Como arrancadores para motores trifásicos asíncronos. Generalmente, se utilizan autotransformadores trifásicos en conexión estrella o preferiblemente en conexión V ya que, en este último caso puede disminuirse el número de contactos necesario.

• Para obtener un sistema trifilar a partir de un sistema bifilar; sacando una derivación del punto medio del arrollamiento y conectando esta derivación a tierra, se obtiene el tercer conductor del sistema.

Conclusiones

Los transformadores trifásicos podemos denominarlo como las máquinas de gran poder, porque al ser instrumentos reductores o elevadores, pues han generado desde su invención mayor campo ocupacional pues hoy en día existen empresas dedicadas únicamente a la construcción o fabricación de estos equipos y también a la comercialización de estos instrumentos. Son de grandísima utilidad porque en general queramos negarlo o no, siempre en la vida diaria estamos utilizando un transformador ya sea en la universidad, en la calle, en la casa, en los parques públicos, en los edificios, en fin en todas partes.

Bibliografía

CHAPMAN Stephen J., Máquinas Eléctricas Editorial MaGraw Hill, Tercera edición, Colombia, 2000

Editorial CEAC, Transformadores y convertidores, 1979

KOSOW, Irving L., Máquinas eléctricas y transformadores. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana S.A.. México 1991

Autor:

Pedro Alcibiades Jara Maldonado

Pablo David Auquilla Tenezaca

Christian Amendaño

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

Ingeniería Electrónica