Transformadores trifásicos (página 2)

Los transformadores de potencia, usan láminas de cristal orientado cuyo espesor es de milímetros y contienen entre 3% y 4% de silicio. Este tipo de laminación del material magnético, presenta propiedades magnéticas mejores que la laminación anteriormente descrita.

En los transformadores de potencia es necesario formar conductos de refrigeración en el interior del núcleo, para aumentar la capacidad de disipación del calor, esto se lo realiza colocando separadores aislantes, de espesor conveniente para la circulación del aceite.

Con una idea de la composición de los núcleos, se explicara la forma de estos y sus características.

Los tipos de núcleos son: tipo núcleo y tipo acorazado.

Tipo Núcleo.-

El tipo núcleo tiene tres columnas ubicadas paralelamente, unidas en sus partes inferior y superior por medio de láminas de metal dispuestas de forma horizontal como se ve en la figura.

Fig. Transformador trifásico de tipo núcleo

Sobre cada columna se devana el conductor primario y secundario de la fase correspondiente. Existe un desequilibrio debido a las corrientes magnetizantes de las tres fases que son distintas entre sí, dado a que el circuito magnético de la columna central es corto que las columnas laterales. Este desequilibrio tiene influencia solamente para las condiciones de operación en vacío.

Tipo Acorazado.-

Este tipo de núcleo, a comparación con el núcleo tipo columna tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, es el más común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central.

Dado que las tenciones en el transformador tipo acorazado presentan menos desviaciones en las salidas de las fases este trasformador es principal que el trasformador tipo núcleo.

Fig. Transformador trifásico de tipo acorazado

• Formas de los devanados:

La forma de los devanados en los transformadores dependen en parte del nivel de voltaje que manejan consiguiéndolos clasificar en devanados de baja y alta tensión, la razón principal por la que los hemos clasificado los devanados de esta manera es porque los razones que se toman en cálculo al momento del diseño de los devanados en baja tensión son diferentes a los usados en el diseño de los devanados de alta tensión.

Devanados en alta tensión.- Los transformadores de alta tensión son usados especialmente en líneas de distribución en el cual ingresa 22000V al primario y se obtiene 220V al secundario, donde se puede prestar atención una gran contradicción de tensiones razón por la cual los criterios de diseño son diferentes a los usados en los transformadores de baja tensión.

Estos tienen muchas más espiras que los devanados de baja tensión. Son compuesto de dos maneras: la primera se conoce como tipo bobina y está formado de varias capas de cable, estas bobinas tienen forma discoidal y se conectan en serie para obtener el total de espiras de una fase; la segunda forma de construcción es la de capas, que es una sola bobina con varias capas, la longitud de esta bobina es similar a las varias bobinas discoidales precisas para transigir el devanado equivalente, por lo normal, el número de espiras por capa en este tipo de devanado; es principal al constituido de varias bobinas discoidales.

Devanados en baja tensión.- Son aquellos que trabajan en baja tensión están constituidos de dos o tres capas sobrepuestas de espiras, estas espiras están encerradas entre sí por papel o más habitualmente se usan cables esmaltados.

Disposición de los devanados. En el transformador los devanados deben estar colocados de manera que se encuentren bien aislados y que eviten en todo lo posible la difusión del flujo. Esto se logra de mejor manera cuando existe un buen alejamiento entre las espiras de la bobina y ubicando al primario lo más cerca posible del secundario. Para alcanzar estos requerimientos tenemos estos tres tipos de disposición de devanados:

El devanado concéntrico simple, donde cada uno de los devanados está distribuido a lo largo de toda la columna del núcleo, el devanado de tensión más baja se encuentra en la parte interna, más cerca del núcleo y aislado de este, mientras que el de tensión más elevada, sobrepuesto a este pero debidamente aislados.

En el devanado tipo alternado, cada uno de los dos devanados está subdividido en cierto número de bobinas que están dispuestas en las columnas en forma alternada.

El devanado concéntrico doble, es aquel que se consigue cuando el devanado de menor tensión se divide en dos mitades dispuestas correspondientemente al interior y al exterior uno de otro. Esta configuración de devanado tiene la ventaja de que el valor de la reactancia de dispersión es la mitad del valor de la reactancia de dispersión que produce el concéntrico simple, mientras que el tipo alternado, en cambio, permite variar tales reactancias, repartiendo en forma distinta las posiciones de las bobinas de los dos devanados.

Fig. Tipos de Devanados

• Grupos de conexión

Existe un grupo de conexión sistematizada, consiste en las conexiones de los dos arrollamientos y el desfase entre las fuerzas electromotrices correspondientes a ambos arrollamientos. Cada uno de estos se identifica con una cifra o índice de conexión que multiplicada por 30º, da como deducción el desfase en retraso, que existe entre las tensiones del mismo género (simples o compuestas) del secundario respecto al primario del transformador en cuestión.

Fig. Representacion de Potencias

Estudio de la transformación trifásica en conexión estrella-estrella (Yy) con arrollamiento terciario:

La conexión estrella–estrella posee la gran ventaja de reducir la tensión por fase del transformador, pero muestra inconvenientes cuando las cargas no están equilibradas. Para evitar estos inconvenientes se dispone de un arrollamiento terciario el cual está conectado en triángulo y cerrado en cortocircuito sobre sí mismo. Las fuerzas magnetos motrices, primarias y secundarias, debidas a esta sobrecarga, se compensan en cada columna, con lo que desaparecen los flujos adicionales y, con ellos, los inconvenientes que resultaban de las cargas desequilibradas.

El devanado terciario puede utilizarse para suministrar cargas locales con la tensión más conveniente.

Puede alimentar los circuitos de control y las instalaciones auxiliares en las estaciones transformadoras.

Estudio de la transformación trifásica en conexión triángulo estrella (Dy)

Existen cuatro formas de montaje con lo que respecta a la estrella secundaria:

• Desfase de 30º (Dy1).

• Desfase de 150º (Dy5).

• Desfase de -30º (Dy11).

• Desfase de -150º (Dy7).

De estos grupos de conexión se utilizan en la práctica el Dy5 y el Dy11. Este sistema de conexión es el más utilizado en los transformadores elevadores de principio de línea, es decir en los transformadores de central. En el caso de cargas desequilibradas no provoca la circulación de flujos magnéticos por el aire, ya que el desequilibrio se compensa magnéticamente en las tres columnas.

Como se puede disponer de neutro en el secundario, es posible aplicar este sistema de conexión a transformadores de distribución para alimentación de redes de media y baja tensión con cuatro conductores.

Reparto de las corrientes en los arrollamientos de un transformador trifásico en conexión triángulo estrella, con una carga desequilibrada

Estudio de la transformación trifásica en conexión estrella-zigzag (Yz)

Para evitar el inconveniente de cargas desequilibradas se conecta el arrollamiento secundario en zigzag. Esta conexión consiste en hacer que la corriente circula por cada conductor activo del secundario, afecte siempre igual a dos fases primarias, estas corrientes se compensan mutuamente con las del secundario.

Designando arbitrariamente los terminales del primario y con respecto a estas designaciones el secundario ofrece cuatro posibilidades distintas de conexión, dos de ellas que proceden del neutro. Estos grupos de conexión son:

• Desfase de 30º (Yz1).

• Desfase de 150º (Yz5).

• Desfase de -30º (Yz11).

• Desfase de -150º (Yz7).

De estos grupos de conexión los más utilizados son el Yz5 y el Yz11. Este tipo de conexión se emplea para transformadores reductores de distribución, de potencia hasta 400KVA; para mayores potencias resulta más favorable el transformador conectado en triángulo estrella.

Representación esquemática y diagrama vectorial de un transformador trifásico conexión estrella zig-zag.

Estudio de la transformación trifásica en conexión triángulo-triángulo (Dd)

También ahora existen cuatro posibilidades de conexión que corresponden a las siguientes condiciones.

a) los terminales de la red primaria y secundaria pueden ser homólogos o de opuesta polaridad

b) la sucesión de estos terminales en el circuito interno puede ser la misma para ambos sistemas o inversa.

En la práctica se emplean solamente dos grupos de conexión que corresponden, respectivamente a un desfase de 0º y a un desfase de 180º.

Cada aislamiento debe soportar la tensión total de la línea correspondiente y, si la corriente es reducida, resulta un número elevado de espiras, de pequeña sección. Si se interrumpe un arrollamiento, el transformador puede seguir funcionando aunque a potencia reducida, con la misma tensión compuesta y con una intensidad de línea a la que permite una sola fase.

Se limita a transformadores de pequeña potencia para alimentación de redes de baja tensión, con corrientes de línea muy elevadas por la ausencia de neutro en ambos arrollamientos.

Transformador trifásico en conexión triángulo-triángulo y desfase de 0º (grupo de conexión Dd0)

Fig. Conexión triangulo-triangulo con arrollamiento interrumpido

• Transformación trifásica utilizando dos transformadores

También de las conexiones estándar de los transformadores existen otras conexiones para lograr una transformación trifásica solamente con dos trasformadores:

Algunas de las más importantes son:

• Conexión abierta (o V-V)

• Conexión en Y abierta – abierta

• Conexión Scout-T

• Conexión trifásica en T

Brevemente explicaremos el funcionamiento de cada una de ellas:

Conexión abierta (o V-V)

Conexión abierta (o V-V)

Esta transformación puede utilizarse cuando por ejemplo en una conexión de transformadores separados, una fase tiene una falla, la cual debe remitirse para ser reparada.

Entonces, si los dos voltajes secundarios que permanecen son:

Entonces esta quiere decir que a pesar de que se remueva una fase el sistema sigue manteniendo sus características primordiales. Aplicación de la conexión abierta esta es usada fundamentalmente para suministrar una pequeña cantidad de potencia trifásica a una carga monofásica, como se muestra en la siguiente figura:

Aplicación de la conexión abierta

Conexión en Y abierta – abierta

La conexión Y abierta – delta abierta es muy similar a la conexión delta abierta con una variante que los voltajes primarios se derivan de dos fases y el neutro. Su aplicación primordial es la de proveer de un sistema trifásico en donde solo existe la presencia de dos fases. La desventaja es este tipo de sistemas es que la corriente de retorno es muy grande y debe fluir por el neutro del circuito primario.

Conexión Scott-T

La conexión Scott-T es una manera de derivar de una fuente trifásica, dos fases desfasadas La aplicación fundamental es producir la potencia necesaria para cubrir cualquier necesidad.

Para la conexión Scott-T es necesario que conste de dos transformadores trifásicos de idénticas capacidades; uno de ellos tiene una toma en su devanado primario a 86.6% del valor del voltaje pleno. Esta toma se conecta a la toma central del otro transformador; los voltajes aplicados se colocan como se muestra la siguiente figura.

Fig. Conexión Scott

Puesto que los voltajes están desfasados lo que se produce es un sistema bifásico. También con esta conexión es posible convertir potencia bifásica en potencia trifásica.

Conexión trifásica en T

Esta conexión es una pequeña variante de la conexión Scott-T para convertir potencia trifásica en potencia trifásica pero a diferente nivel de voltaje. Esta conexión se muestra en la figura siguiente.

Como en la conexión Scott-T los voltajes en los devanados primarios están desfasados al igual que los voltajes secundarios con la única diferencia de las dos fases se re combinan para darnos un sistema trifásico. La ventaja de esta conexión con respecto a las demás conexiones con dos transformadores es que en esta se puede conectar el neutro tanto en los devanados primarios como secundarios.

Fig. Conexión trifásica en T

Una pequeña investigación obtuve acerca de la protección de los transformadores trifásico que a mi parecer es de suma importancia estos conceptos tenerlos en cuenta para en muchos de los prevenir algún accidente.

• La protección en Transformadores

Los transformadores deben ser protegidos adecuadamente de las sobrecargas y cortocircuitos a los que pueden verse sometidos durante su utilización y que pueden provocar su deterioro y poner en peligro a las personas, animales o instalaciones.

Esta protección es además un requisito de las normas que regulan estos productos así como del reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, en su instrucción ICT-BT-48 (RBT2002).

Debido a la fuerte corriente transitoria de arranque, se hace dificultoso realizar la protección de los transformadores por la parte del primario. Si ajustamos el valor de los fusibles al valor de la corriente nominal del primario, el pico de corriente en el arranque nos provocará la fusión de los mismos, mientras que si sobredimensionamos el calibre de los fusibles para soportar el arranque, no vamos a tener una protección suficiente ante las sobrecargas.

Protección de la salida (carga)

En esta parte existe la posibilidad de que se produzcan tanto sobrecargas (que se quiera sacar más potencia de la asignada) como cortocircuitos.

Para asegurar la protección, bastará con que el dispositivo sea capaz de interrumpir toda la gama de corrientes (sobrecargas y cortocircuitos) y tenga una corriente nominal igual o inferior a la corriente asignada de salida del transformador.

Protección de la entrada (alimentación)

En esta parte no hay riesgo de sobrecarga ya que si hemos seleccionado adecuadamente la protección de la salida, en el momento que pretendamos sacar más potencia de la prevista, actuará dicha protección, quedando la carga desconectada del transformador y por lo tanto este quedará trabajando en vacío.

Así pues, tan sólo hemos de proteger la línea que alimenta el transformador ante posibles cortocircuitos que pueden producirse en la línea, en los bornes del transformador o en el interior del mismo debido a un hipotético defecto interno de los aislamientos. En el momento de conectar el transformador a la red, este puede absorber una punta de corriente muy elevada que dura sólo unos milisegundos y que decrece rápidamente hasta estabilizarse a su valor asignado.

Esto debe tenerse presente al elegir el tipo de protección, para evitar la fusión de los fusibles o el disparo no deseado de otros dispositivos de protección:

• Fusibles miniatura 5×20 ó 6×32 temporizados (lentos) según normas IEC/EN60127:

In fusible = 3·In trafo.

• Fusibles tipo aM según IEC/EN60269:

In fusible.

• Investigación de campo

• 1. Transformador 1:

En esta imagen puedo observar un transformador trifásico que mediante una investigación de campo lo pude encontrar en los laboratorios de la universidad el mismo que está compuesto de fases las mismas que nos ayudan en proporcionar las tensiones requeridas por el usuario.

Datos de la placa:

Imagen de la placa

• 2. Transformador 2:

Este es uno de los transformadores que también se lo puede encontrar en la universidad.

Conclusiones:

Puedo concluir diciendo que todas las conexiones que se realizan en los transformadores son importantes, cada uno tiene distintas ventajas y desventajas, las cuales deben ser puestas en una balanza para que al rato de elegir, optemos por la mejor opción. También debemos tener en cuenta que muchos de los transformadores junto con sus conexiones están construidos para aplicaciones específicas en alta y baja tensión por lo que no tendremos que pensar mucho al momento de elegir.

Observaciones:

Las observaciones en los devanados que se deben tomar en cuenta desde el criterio de diseño, para la facilidad de los devanados, son aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la reactancia de dispersión y a los esfuerzos mecánicos.

Análisis de los datos de placa:

• En el transformador que observe en los laboratorios encontré con su respectiva placa y puedo analizar que está compuesto de la frecuencia a 60Hz, también tiene su tensión a 220V y la norma es ANSI

• Está bien especificado la conexión en que este se encuentra elaborado.

Bibliografía

• Maquinas eléctricas, Stephen Champan, Tercera Edición.

• Transformadores, J. Rosslyn, Editorial DALMAU Y JOVER S.A. 1952

• TRANSFOMADORES ELÉCTRICOS INDUSTRIALES, Pedro Camarena M. 2 Edición, Editorial Continental S.A.

Autor:

Ma. Belén Tenezaca

Profesor: Ing. Omar Álvarez

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Máquinas Eléctricas I

5° Ciclo