Construcción de transformadores trifásicos

Abstract

The transformers of three phases are an incredibly extensive topic of studying, to analyze and to discuss due to the diverse strategies that different makers have designed along many years with the end to improve their machines looking for to give to the users teams more light, more small, more efficient, less costs, friendlier with the environment, with better benefits in all the possible aspects, it is for it that we plow an analysis on these big and important machines to help reader in their compression on them. The topics that were embraced document presently will be in a very significant way the construction of transformers of three phases, and in a briefer way the system of mensuration"s for unit", Taps and car transformers of three phases.

Introducción

Los transformadores trifásicos no son más que tres transformadores monofásicos juntos dispuestos en diferente tipo de conexiones, también debido a que los fabricantes tienen la necesidad de presentar equipos mejorados en todos los aspectos (económicos, eficientes, tamaños, peso, etc.) a fin de competir entre empresas o bridar más seguridad al usuario, han nacido formas muy particulares de núcleos, también han fusionado el concepto de autotransformadores con el de transformadores trifásicos, entonces debido a este gran mundo que se abre y amplia cada vez más en busca de acercarse al funcionamiento ideal de un transformador empezaremos este análisis.

Construcción

La manera más antigua o rustica de construir un transformador trifásico nació de unir tres transformadores monofásicos de similares características (igual número de bobinas en el primario y secundario, similares dimensiones de núcleo, soportarán la misma cantidad de potencia) y disponer los tres bobinados primarios para que se conecten a una red trifásica, y así tener en el bobinado secundario una red trifásica con o sin neutro (dependiendo de la conexión) pero con más o menos tensión, dependiendo si el equipo es elevador o reductor respectivamente, a continuación se muestra esquemas simples para una mejor explicación de lo escrito, la explicación de los tipos de conexiones y demás se expondrá en secciones siguientes.

FIG. 1. CONEXIÓN DE TRES TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS EN Yy.

Detalle de la figura: como se aprecia cada recuadro de color representa un transformador entonces nos damos cuenta que lo único que hemos hecho es tomar tres transformadores monofásicos y conectarlos de alguna manera para que hagan la transformación y tener una tensión disminuida o aumentada, como antes se mencionó.

Ahora una vez que se realizó la explicación de la manera o la forma más inmediata de tener un transformador procedemos a decir las desventajas, bien como claramente se aprecia al usar tres transformadores, esto nos implica que en su conjunto el transformador trifásico es muy pesado, e incluso las pérdidas que se den por magnetizar al núcleo se verán multiplicadas por tres, entonces bajo estas circunstancia, manteniendo la idea de tener tres transformadores monofásicos nace la idea de reemplazar los convencionales y colocar autotransformadores para que hagan el mismo trabajo, pero como es de conocimiento estos son mucho más livianos, tienen menos perdidas y son mucho más eficientes, aparentemente esta era una solución buena desde muchos puntos de vista, a continuación se presenta un esquema para entender con más profundidad lo que se explica.

FIG. 2. CONEXIÓN DE TRES AUTOTRANSFORMADORES Y.

En la fig. 2 mostramos lo que sería un transformador trifásico compuesto por tres autotransformadores al igual que en la parte anterior siguen siendo tres equipos unidos, se mejora mucho utilizando esta clase te transformadores debido a que se disminuye el peso, perdidas y se gana en eficiencia, aparentemente mejor, pero perdemos aislamiento entre el primario y el secundario, debemos procurar en lo máximo que la tensión entre el primario y secundario sean lo más cercanas, entonces debido a que se intentó mejorar pero no de manera muy convincente se volvió a la idea anterior pero ahora las ideas que surgieron fueron mejorar la forma del núcleo, buscando siembre disminuir costos, hacer que el transformador sea más eficiente, disminuir el peso, tamaño, etc.

A continuación se presenta muchas formas o maneras de tener distintas formas de los núcleos, a estas adjuntaremos diagramas, esquemas fotografías o graficas con el fin de mejorar el entendimiento del lector.

FIG. 3. NUCLEOS SEPARADOS.

FIG. 4. NUCLEO ACORAZODO PARA TRANSFORMADORES TRIFASICOS.

FIG. 5. NUCLEO EN FORMA DE "Y"

Estos tres tipos de núcleos son los más utilizados para transformadores trifásicos hasta de mediana tensión, como se puede ver en la figura tres los núcleos están separados y se los utilizaría como se muestra en la figura 1, en la figura 4 se muestra un núcleo muy similar al acorazado, la diferencia es que la columna que se encuentra en el medio es que es de la misma medida que las laterales, en cambio en el núcleo acorazado esta siempre es el doble de las laterales. La figura 5 muestra claramente un núcleo en forma de "Y".

• ARROLLAMIENTO DE BOBINAS

En las figuras 3, 4, 5 la manera de arrollar las bobinas es muy similar y se describen a continuación:

• BOBINADOS MONTADOS.-

Los bobinados montados no es otra cosa que arrollar primero el bobinado primario, después recubrir de algún material aislante para después sobre esto arrollar el bobinado secundario, así quedaría el bobinado secundario montado sobre el primario, en seguida se muestra una gráfica.

FIG. 6. GRAFICA DE LOS BOBINADOS MONTADOS.

Como se muestra en la gráfica en las columnas del centro nacen 4 hilos que serían los terminales de los bobinados primario y secundario.

• BOBINADOS SEPARADOS.-

Esta forma de arrollar los bobinados es muy diferente a la anterior, básicamente si nos referimos a los conceptos o la teoría el efecto sería el mismo ya que al tener una bobina y si a esta la atraviesa un flujo magnético en la misma se induce una tensión y se genera una tensión en los bornes, a continuación se muestra una imagen que describe claramente este tipo de bobinado.

FIG. 7. NÚCLEO CON BOBINADOS SEPARADOS

Una vez expuesto las dos maneras de arrollar los bobinados en los núcleos, aremos una manera de diferenciarlos, a más de la diferencia que se aprecia claramente que es que en la primera los bobinados están mondados y en la segunda están separados, es la manera de colocar el aislante entre los bobinados ya qye en la primera el aislante queda entre los bobinados, y en la segunda se suele colocar un aislante en la parte que muestra la flecha roja de la figura 7 para que los bobinados no se unan, está básicamente seria la diferencia entre uno y otro ya que por conocimientos teóricos en ambos se inducirá tensión en los bobinados.

• NÚCLEOS ESCALONADOS Y CON CANALES.

Debido a que en transformadores que estarán alimentado a grandes cargas, la potencia disipada por la magnetización o por perdidas en el cobre también son elevadas, y estas a su vez se convertirán en calor, el núcleo de estos trasformadores alojaran temperaturas grandes, los fabricantes se han visto en la necesidad obligatoria de diseñar o inventar maneras o medios para que el calor en los núcleos se evacuado, de ahí que se da lugar a la utilización de núcleos de formas escalona o introducir tubos a manera de canales entre paquetes de chapas para que de alguna u otra manera el calor o temperatura no se acumule.

FIG. 8. NÚCLEO CON CHAPAS ESCALONADAS.

FIG. 9. NÚCLEO CON CANALES Y CHAPAS ESCALONADAS.

Ya que se ha explicado y detallado las formas de los núcleos y las maneras de arrollar las bobina en los mismos, ahora explicaremos otras maneras que han nacido para resolver problemas que aparecen a medida que los transformadores deben hacer trabajos mucho más exigentes, esto sería que si un transformado se coloca para la alimentación de grandes ciudades o cargas inmensas la temperatura en los núcleos se eleva de manera directamente proporcional a la cargas que se coloca, esto quiere decir a grandes cargas, grandes temperaturas, en ocasiones ni siquiera los núcleos a columnas escalonadas o con canales son capaces de disipar, es por esta razón que los fabricantes han colocado ventiladores en las carcasas de los transformadores para ayudar a evacuar la temperatura, otros sumergen los núcleos con las bobinas en aceites dieléctricos, otros transformadores tendrán disipadores o rejas en las carcasas para que estas también ayuden con la disipación de calor, debido a la complejidad de hablar de aceites dieléctricos para transformadores aremos un análisis un tanto detallado sobre este tema, las demás estrategias mencionada se las detallará brevemente ya que de estas no es mayor la profundidad de análisis que hacen los fabricantes.

• VENTILADORES.

Los fabricantes colocan ventiladores a los costados de los grandes transformador que suministraran potencias de la escalas de los megavatios, estos ventiladores tienen sistemas de controles que los aran accionar cuando se supere alguna temperatura establecida por los fabricantes, antes de esta temperatura deben estar apagados.

FIG. 10. TRANSFORMADOR DE GRAN POTENCIA UTILIZANDO TODAS LAS ESTRATEGIAS DE ENFRIAMIENTO.

• DISIPADORES O REJILLAS.

Estos se colocan por lo general a los costados de los trasformadores y brindan un camino para que el calor fluya por ellos y así sea disipado en el ambiente. Para apreciarlas ver la figura 10.

• ACEITE DIELÉCTRICO.

El aceite dieléctrico sirve como aislante y como medio para el enfriamiento de los núcleos y bobinados de los grandes transformadores, la manera o forma de utilizarlos es colocar al transformador en caletas o carcasas las cuales sean herméticamente diseñadas para que el aceite no pueda salir, asegurándonos de esto y una vez que el transformador este dentro se procede a bañarlo o llenar estas caletas del aceite, respecto a este tema se han hecho estudios enteros, se han escriño una cantidad inmensa de libros e inventados diferentes instrumentos y normas para que bajos estas sean elaborados dichos aceites, con el fin de mejorar su calidad, ya que debe ser amigable con el medio ambiente y proteger a trasformadores que costarían millones.

Debido a lo extenso que serio hablar de este tema se adjunta a este un documento muy interesante para criterio de los autores y que fue tomado de la página el día martes 12 de junio de 2012, a las 18H45.

Sistema de medida en por unidad

Esto no es más que una invención o manera de reescribir grandes valores de voltajes, corrientes, vatios u ohmios, debidos a que cuando se trabaja con transformadores trifásicos, muchas veces o siempre las tensiones que se manejan son en el orden de los kilovoltios o más, el caso de las corrientes están el el rango de los kilo amperios, entonces las potencias también se obtendrán en estos rangos o con más facilidad en el orden de los megavatios, o mega volta amperios, etc. Debido a esto nos podemos establecer un valor de tensión, corrientes o potencias como base, a continuación se expone un ejemplo para una mejor compresión.

Ejemplo:

Tenemos una tensión de 10MV, entonces por cuestiones de caculo este valor es muy grande, lo procedemos a pasar o representar en el sistema de medida en por unidad:

TAPS

La traducción al español de la palabra TAPS es derivación, entonces de ahí partiremos para dar una explicación de lo que se trata esto. Las TAPS básicamente son derivaciones o tomas que se hacen en diferentes números de espiras por debajo a la nominal del transformador o por encima de esta, esto sirve para que cuando el transformador ya esté en funcionamiento podamos tener la opción de variar la tensión de ingreso o de salida, por lo general los transformadores tienen un selector para que podamos escoger en que numero de bobina queremos que esté conectado el terminal del bobinado primario (por lo general), cabe decir que por default o los fabricantes siempre dejan la selección en el número de bobina nominal o ideal, de ahí nosotros podemos seleccionar un cierto número por debajo de este o por encima.

Autotransformadores

Los autotransformadores trifásicos como ya se explicó al inicio del documento no es más que disponer de tres autotransformadores monofásicos y conectarlos de tal forma que transformemos la tensión de tres líneas o fases a la vez, también dijimos que cuando la diferencia de tensión entre el primario y secundario no sea tan grande es muy factible utilizar este tipo de transformadores, ya que son muy eficientes, cuestan menos debido a que utilizan menos materiales.

Para finalizar el análisis de construcción de autotransformadores trifásicos se puede revisar el anexo1 que comprende un conjunto de 5 hojas tomadas del catálogo de transformadores trifásicos de la compañía dfelectric, tomado de la página de la misma compañía.

Grupos de conexión

Los grupos de conexiones no son más que diversas maneras de realizar conexiones entre los bobinados primarios y secundarios, para autotransformadores trifásicos es un poco más caprichosa las conexiones, ya que si al primario lo disponemos de algún tipo de conexión ya sea estrella o triangulo el bobinado secundario también queda con la misma conexión del primario.

A continuación se hace una breve descripción de cada uno de los tipos de conexiones que existen y se expone gráficos de los mismos.

• CONEXIÓN TRIÁNGULO/TRIÁNGULO.-

Para esta clase de transformador trifásico, las tres fases, tanto del bobinado primario como del secundario, están conectadas en triángulo (figura 11). Esta conexión se expresa abreviadamente por el símbolo que aparece junto a la figura.

FIG. 11. CONEXIÓN TRIÁNGULO-TRIÁNGULO

• CONEXIÓN ESTRELLA/ESTRELLA

En esta clase de transformador trifásico, las tres fases de ambos bobinados están conectadas en estrella (figura 12). Esta conexión se expresa abreviadamente por el símbolo que aparece junto a la figura.

FIG. 12. CONEXIÓN ESTRELLA-ESTRELLA

La conexión estrella se utiliza cuando la línea tiene neutro, el neutro se emplea siempre en baja tensión; mientras que, en alta tensión, se usa poco, ya que ahorrar un conductor supone en una línea de alta tensión un ahorro muy importante, debido a que, generalmente, las líneas de alta tensión tiene muchos kilómetros de largo.

• CONEXIÓN TRIÁNGULO/ESTRELLA.

En esta clase de transformador trifásico, las tres fases del bobinado primario están conectadas en triángulo, mientras que las tres fases del bobinado secundario lo están en estrella (figura 13). Esta conexión es expresada abreviadamente por el símbolo junto a la figura

FIG. 13 CONEXIÓN TRIÁNGULO-ESTRELLA

• CONEXIÓN ESTRELLA/TRIÁNGULO

En el transformador estrella/triángulo, las tres fases del bobinado primario están conectadas en estrella, mientras que las tres fases del bobinado secundario lo están en triángulo (figura14). Esta conexión es expresada abreviadamente por el símbolo que aparece junto a la figura.

FIG. 14. CONEXIÓN ESTRELLA-TRIÁNGULO

• CONEXIÓN ESTRELLA/ZIGZAG

Se obtiene una nueva forma de transformador trifásico conectando las tres fases del bobinado secundario de una manera especial conocida con el nombre de zigzag (figura 15). Esta conexión está representada abreviadamente por el símbolo que aparece junto a la figura.

FIG. 15 CONEXIÓN ESTRELLA-ZIGZAG

Conclusiones

Debido al gran avance tecnológico concerniente a la construcción de transformadores trifásicos, y la incansable búsqueda de mejoras para equipos nos hace dar de cuenta que ante estas diversas formas o maneras de construir los transformadores trifásicos el eterno problema es disminuir la temperatura de los núcleos, y con esto mejorar la eficiencia de las maquinas, pero como conclusión podemos decir que ante todos lo que se hace siempre tendremos algo en corta, entiéndase contaminación del medio ambiente, ideas costosas difíciles de poner en marcha, entonces la utilización de este tipo de transformadores siempre tendremos problemas y dificultades.

Bibliografía

[1] Technical Electrical – Spanish Vocabulary, 1 de mayo de 2012, < http://www.sapiensman.com/ESDictionary/T/Technical_vocabulary_Spanish(T14-C).php>.

[2] Ing. Douglas Aguirre, "Autotransformador", Escuela Politécnica del Litoral, 19 de febrero de 2009.

[3] G.M., "El Autotransformador", 22 del julio del 2009.

[4] Dr. Rodolfo estrada, "Los Autotransformadores", Universidad Iberoamericana, México, 2002.

[5] Federico Milano, "Autotransformadores", universidad de castilla, departamento de ingeniería eléctrica, España, 2010.

[6] Miguel Rodríguez, "Autotransformadores", Universidad de Cantabria, Departamento de ingeniería eléctrica y electrónica.

[7] el día martes 12 de junio de 2012, a las 18H45.

[8] Ing. José Hugo Argañaraz, "Transformadores Trifásicos", Universidad Nacional Del Sur – Departamento De Ingeniería Eléctrica Y De Computadoras – Área 4 – Conversión Electromecánica De La Energía

[9] Ing. Octavio Fonseca, Gerente General de Kay Electric CA "Ensayos al Aceite Dieléctrico… Diagnósticos Esenciales en cualquier programa de Mantenimiento Eléctrico".

Anexos

ANEXO 1

ANEXO 2

ANEXO 3

MODELOS DE TRANSFORMADORES NORMALIZADOS PARA CONEXIONES Yy0

Autor:

Kevin Jaramillo

Luis Zhunio

Bryan Salvatierra

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

CUENCA – ECUADOR