Transformadores trifásicos

Resumen

En este documento daremos a conocer las diferente maneras de conexión de los transformadores que es la conexión estrella, triangulo, zig-zag entre otras también daremos a conocer la construcción de los transformadores 3F y una introducción sobre lo que son los autotransformadores 3F en otra parte la ventaja que nos da para los cálculos por el sistema en por unidad y una pequeña reseña sobre los tap´s o derivaciones que tienes los transformadores

PALABRAS CLAVES: bobina, núcleo, trifásico, transformador, conexiones, circuitos

Introducción

Los transformadores trifásicos son utilizados para el suministro o el transporte de energía a grandes distancias de sistemas de potencias eléctricas. Lo que normalmente conocemos como la distribución eléctrica, pero a grandes distancias. Quizás haya oído hablar de los bancos de transformadores. Pues bien, los bancos de transformadores consisten en tres transformadores monofásicos conectados entre ellos para simular un transformador trifásico.

Figura 1.Distribucion de un Transformador trifásico en una red

Esto estaría muy bien para el caso de que se desee tener un transformador monofásico de repuesto para los casos de averías, pero la realidad es que los transformadores trifásicos resultan más económicos, es decir, un transformador trifásico es más barato que tres transformadores monofásicos. Además, esta la relación de tamaño, un único transformador trifásico siempre será más pequeño que un banco de transformadores monofásicos. Tanto los bancos de transformadores monofásicos como el transformador trifásico se pueden

Conectar de diferentes formas

En el caso del transformador trifásico, solo hay que decir que los devanados de las bobinas están conectados internamente y, estas conexiones pueden ser en estrella o en triángulo.

Formas constructivas

CONSTRUCCION

Un sistema trifásico se puede transformar empleando 3 transformadores monofásicos. Los circuitos magnéticos son completamente independientes, sin que se produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos respectivos

Fig. 2. Transformador trifásico

Si la transformación se hace mediante un transformador trifásico, con un núcleo común, podemos ver que la columna central (fig. A) está recorrida por un flujo F que, en cada instante, es la suma de tres flujos sinusoidales, iguales y desfasados 120º. El flujo F será pues siempre nulo. En consecuencia, se puede suprimir la columna central (fig. B). Como esta

Disposición (fig. b) hace difícil su construcción, los transformadores se construyen con las tres columnas en un mismo plano (fig. C). Esta disposición crea cierta asimetría en los flujos y por lo tanto en las corrientes en vació. En carga la desigualdad de la corriente es insignificante, y además se hace más pequeña aumentando la sección de las culatas con relación al núcleo central.

Fig. 3. Contruccion del transformador

• 2.1 CIRCUITO ELÉCTRICO

El circuito eléctrico está compuesto por los devanados primario y secundario. Dichos devanados se fabrican en diferentes tipos, dependiendo de las necesidades del diseño. Los materiales más utilizados son el cobre y el aluminio.

Devanados en alta tensión.- Los transformadores de alta tensión son usados especialmente en líneas de distribución en el cual ingresa 22kV 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 correspondiente 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.

• 2.2 CIRCUITO MAGNÉTICO

Al circuito magnético se lo conoce también como el núcleo. En esta parte del transformador es, en donde se conduce el flujo magnético generado en las bobinas, el cual concatenará magnéticamente los circuitos eléctricos del transformador.

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 4. 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.

Fig5. Transformador trifásico de tipo acorazado

NUCLEO A GRADAS

Un núcleo mejorado de transformador que tiene una junta de núcleo de escalón de extremo traslapado, junta de núcleo de transformador que comprende varias laminaciones flexibles cortadas oblicuamente, cortadas de una red continua arrollada generalmente en un espiral, dichas laminaciones cortadas se re-juntan por sus extremos mediante juntas de empalme plano luego de que las espiras se meten una entre otra en dicho núcleo, las mencionadas varias laminaciones se dividen en varios grupos de laminaciones, cada uno de los cuales incluye un número predeterminado de laminaciones, las laminaciones cortadas de cada grupo se unen empalmadas doblando la parte de la laminación que se extienden a partir de dicho extremo cortado, de manera que los mencionados extremos cortados de las mencionadas laminaciones de cada uno de los mencionados grupos quedan alineados, el corte sesgado evita que se empalmen el alineamiento del extremo de las laminaciones cortadas de un grupo con el extremo de las laminaciones cortadas de otro grupo durante el ensamblaje del mencionado núcleo luego de que las mencionadas espiras se han metido una entre otra y del alargamiento de la vía de flujo adyacente en las mencionadas juntas cortadas.

SISTEMA 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. En la Ingeniería Eléctrica, en el campo de los sistemas eléctricos de potencia, se expresan las cantidades eléctricas (potencia, tensión, Corriente, impedancia) como valores en por unidad.

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.

Ventajas y consideraciones de los cálculos en por unidad

La ventaja de los cálculos en el sistema por unidad solo se aprecia en la práctica, al simplificar el trabajo en gran medida.

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

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.

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.

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.

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.

Las impedancias en por unidad de maquinas 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.

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.

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.

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.

TAP´S

Transformadores con Cambio de Derivaciones: Los transformadores con cambio de derivaciones se emplean para regular la tensión en un punto determinado de un SEP, mediante el cambio manual o automático de las derivaciones (TAP) de alguno de sus enrollados. Existen transformadores

Con cambio de derivaciones en vacío, los que requieren su desconexión del sistema antes de proceder al cambio de TAP, suministrando un método de regulación fija, y transformadores con cambio de derivaciones en carga, que no requieren su desconexión del sistema para realizar la maniobra, permitiendo una regulación casi continua.

Fig.6 Presencia de un Transformador con Cambiador de TAP, en un Sistema Enmallado

En la especificación de un transformador con cambio de derivaciones, se deben tener en cuenta dos aspectos importantes como son: el rango total de variación de la tensión y la magnitud del paso entre derivaciones sucesivas. Atendiendo a razones económicas y calidad de la regulación, se emplean usualmente los siguientes valores para las magnitudes mencionadas:

Rango total de variación: ± 10% ; ± 12% ; ± 15% (como límite)

Magnitud del paso entre derivaciones: 1,25%; 1,5%

Grupos de conexión 3F

Las conexiones básicas de los transformadores trifásicos son: Y-y; Y-d; D-y; D-d; Y-z. Vamos a analizar las ventajas e inconvenientes de cada tipo de conexión.

CONEXIÓN Y-Y

En esta clase de transformadores, las tres fases de ambos bobinados están conectadas en estrella, siendo la tensión de línea v3 veces mayor que la tensión de fase.

Aquí también coincide que la relación d transformación

Fig.7 Conexión Y-y

La conexión estrella – estrella tiene dos problemas graves:

• Si las cargas en el circuito del transformador no están equilibradas, entonces los voltajes en las fases del transformador pueden llegar a desequilibrarse en forma muy severa.

• Los voltajes de tercer armónica pueden ser grandes

Estos problemas con la tercera armónica se deben a la no linealidad del circuito magnético del hierro.

Dos de las técnicas utilizadas para reducir y hasta anular sus efectos son:

• Conectar sólidamente a tierra los neutros es decir el centro de la estrella de ambos bobinados del transformador, especialmente el neutro del lado primario, esta conexión a tierra permite que las componentes de tercer armónica, (secuencia cero), causan un flujo de corriente por el neutro en lugar de acumularse altos voltajes en el transformador.

• Insertar en el transformador un tercer bobinado, llamado terciario, el cual deberá conectarse en triangulo o delta. Como las componentes de tercer armónica son de secuencia cero se inducen corrientes en el bobinado terciario que anula los efectos perniciosos que ocurren en los restantes bobinados. Este tipo de transformadores es muy poco utilizado

CONEXIÓN Y-D

En esta clase de transformadores las tres fases del bobinado primario están conectadas en estrella y las del secundario en triángulo. Aquí el voltaje de línea primario está relacionado con el voltaje de fase por: VL1 = v3 VF2, mientras que el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario VL1 = VF2, por tanto la relación de voltajes de fase es: m= VF1 / VF2, por lo que la relación general entre voltajes de línea será:

Fig.8 Conexión Y-d

Expresión que indica que la relación de transformación general de la conexión Y–d es v3 veces mayor que la relación de transformación de voltajes de fase o de espiras.

Esta conexión no presenta problemas con los componentes de tercer armónica puesto que se consumen en una corriente circulante en el lado conectado en delta o triángulo. Esta conexión también es más estable con respecto a las cargas desequilibradas.

Sin embargo presenta como problema que debido a la conexión el voltaje secundario se desplaza 30 grados con respecto al voltaje del primario del transformador. Este hecho del desplazamiento angular puede causar problemas en la puesta en paralelo de los secundarios de los transformadores. Los ángulos de fase de los bobinados del secundario de los transformadores deben ser iguales si se desean conectar en paralelo, por tanto se tiene que poner especial atención en la dirección del desplazamiento de la fase en 30 grados. Según sea la secuencia de fase que se conecta el lado primario la tensión del secundario puede adelantar o atrasar en 30 grados.

CONEXIÓN D-Y

En esta clase de transformadores, las tres fases del bobinado primario están conectadas en triángulo, mientras que las del bobinado secundario lo están en estrella. Aquí el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario, VL1 = VF1, mientras que los voltajes secundarios VL2 = v3 VF2

Por lo tanto VL1 / VL2 = m / v3

Fig.9 Conexión D-y

CONEXIÓN D-D

Se utiliza esta conexión cuando se desean mínimas interferencias en el sistema. Además, si se tiene cargas desequilibradas, se compensa dicho desequilibrio, ya que las corrientes de la carga se distribuyen uniformemente en cada uno de los devanados.

En esta clase de transformadores tanto el bobinado primario y secundario están conectados en triángulo, resultando las tensiones de línea y de fase iguales, resultando la relación de transformación

Conexión Y-z (Zig-zag)

Se consigue la conexión zig-zag descomponiendo cada fase del bobinado secundario en dos mitades, las cuales se colocan en columnas sucesivas del núcleo magnético y arrolladas en sentido inverso, conectando los finales en estrella.

Esta conexión se emplea únicamente en el lado de baja tensión. Tiene un buen comportamiento frente a desequilibrios de carga

Fig.11 Conexión Zig- zag

Conexión de 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:

Brevemente explicaremos el funcionamiento de cada una de ellas:

Conexión abierta (o V-V)

Fig.12 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:

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 14. 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.

Fig.15 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.

Autotransformadores 3F

Los autotransformadores se construyen con un solo enrollamiento por fase, de manera que una parte de este es común para el primario y el secundario.

Las conexiones de los autotransformadores trifásicos, pueden resumirse de este modo:

Conexión de estrella a estrella.

Fig.16 Conexión trifásica en T

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, Si el aparato es un transformador del tipo acorazado trifásico, o bien una batería compuesta de tres transformadores monofásicos, puede aparecer la interferencia del tercer armónico cuando se conecte con la tierra el neutro. Tal como ocurre con los transformadores usuales de doble bobinado; pero, si se adopta el tipo de núcleo trifásico, este inconveniente desaparece.

Conexión de triangulo- triangulo.

El esquema a) del grupo de conexiones de triangulo a triangulo en los autotransformadores, muestra la disposición mas simétrica posible, pero solo es factible en la relación de dos a uno.

Fig.17 Conexión de triangulo- triangulo.

El esquema b) del 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.18 Las conexiones de un autotransformador elevador

El esquema c) 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.19 Conexión de triangulo- triangulo.

Conexión de V a V.

Fig.20 Conexión de V a V.

La conexión de V a "V no se emplea con mucha frecuencia, pues, aunque su coste inicial es bajo, adolece de los mismos inconvenientes 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.

Conexión de T a T.

Fig.21 Conexión de T a T.

Esta conexión 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 estable. Las características del 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.

Conexión de estrella a estrella interconectada o de estrella interconectada a estrella.

Esta conexión puede a veces ser útil por el hecho de que semejante autotransformador se puede montar en paralelo con un transformador de doble bobinado en conexión de estrella a triangulo o de triangulo a estrella.

El esquema a) del grupo muestra las conexiones de un autotransformador elevador de estrella-estrella interconectada al reductor de estrella interconectada a estrella. Se dispone de un neutro para conectar con la tierra o una red de distribución, y las tensiones del tercer armónico no se presentan en el lado de la estrella interconectada. Para las conexiones del esquema, la relación de transformación debe ser de 1 a 1,73.

Fig.22 estrella-estrella interconectada

El esquema b) del grupo muestra las conexiones de estrella-estrella interconectada o de estrella interconectada-estrella en transformadores elevadores o reductores, respectivamente. Para los transformadores de: estrella-estrella interconectada, la tensión primaria se aplica a los terminales a, b. c, mientras que en los de estrella interconectada-estrella, la tensión primaria se aplica a los A, B, C. Las características de los enrollamientos son similares a las de los transformadores de doble bobinado die estrella a estrella interconectada.

Fig.23 estrella-estrella interconectada

Conclusiones

• Se dice que el transformador tiene diferentes maneras de conexión como es la conexión estrella , triangulo, y zigzag

• Encontramos una ventaja en el cálculo de sistema por unidad solo se aprecia en la práctica, al simplificar el trabajo en gran medida

• En otra parte decimos que núcleo más eficaz es el tipo acorazado gracias a su forma, las tenciones en el transformador tipo acorazado presentan menos distorsiones en las salidas de las fases.

• En lo que son los autotransformadores 3F encontramos maneras de conexión y que se caracteriza por tener una solo combinación de conexión ya sea en el primario estrella en el secundario también será estrella o también que se de conexión triangulo en el primario y triangulo en el secundario

• A los autotransformadores se les conoce con una solo conexión bien sea triangulo o estrella

Citas/o referncias

[1]www.monografias.com/trabajos78/transformadores-trifasicos/transformadores-trifasicos2#autotransa.

[2]www.inele.ufro.cl/apuntes/Sistemas_de_Potencia_I/Capitulo_5.pdf

[3]www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/regulaciondetension/default2.asp

[4] Transformadores, J. Rosslyn, Editorial DALMAU Y JOVER S.A. 1952

[5] Maquinas eléctricas, Stephen Champan, Tercera Edición.

NOTA

En la parte de anexos encontraremos tablas de cómo conectar los transformadores

Anexos

CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS

Autor:

Javier Pillco