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TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Jorge Alonso Flores Chacolla Universidad Nacional del Altiplano
Notas del autor Jorge Alonso Flores Chacolla, Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Universidad Nacional del Altiplano La información concerniente a este documento debe ser enviada a Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Universidad Nacional del Altiplano, Av. Floral 1153, Puno Puno 51 Contacto: [email protected] CODIGO: 161086 Puno, Perú – 19/12/
CONTENIDO
Objetivos Explicar lo que es un transformador trifásico, sus características, las leyes de la física que están incluidas en este y todo lo que se necesite para tener una amplia visión de este.
Introducción Como menciona Stephen J. Chapman (2012, p.90) “Casi todos los sistemas principales de generación y distribución de potencia en el mundo de hoy son trifásicos de ca. Debido a que los sistemas trifásicos tienen una función tan importante en la vida moderna, es necesario entender cómo se utilizan los transformadores en ellos”, para poder entender con mayor claridad lo que es un transformador trifásico, debemos ver su comportamiento. Y ese es el contenido de esta monografía, e incluso ver si habría la forma de mejorar un transformador trifásico conociendo su comportamiento.
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Los transformadores para los circuitos trifásicos se pueden fabricar de dos maneras. Una de ellas consiste simplemente en tomar tres transformadores monofásicos y conectarlos en un banco trifásico. Otra alternativa es construir transformadores trifásicos con tres grupos de devanados enrollados en un núcleo común. En las Figuras 1 y 2 se muestran estos dos tipos de construcción de transformadores. Ambos diseños (tres transformadores separados y un transformador trifásico sencillo) se usan hoy en día y usted estará a gusto trabajando con ellos en la práctica. El transformador trifásico como tal es más ligero, pequeño, barato y un poco más eficiente, pero el uso de tres transformadores monofásicos por separado tiene la ventaja de que cualquier unidad del banco puede ser reemplazada individualmente si se presenta alguna falla. A fin de potencialmente ahorrar dinero, una instalación solo podría necesitar tener un transformador monofásico separado sencillo para respaldar todos los trifásicos. [1]
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. Los bancos de transformadores consisten en tres transformadores monofásicos conectados entre ellos para simular un transformador trifásico.
En el caso del transformador trifásico, solo hay que decir que los devanados de las bobinas están conectadas internamente y, estas conexiones pueden ser en estrella o en triángulo. [2]
Conceptos previos sobre circuitos trifásicos En los circuitos trifásicos se parte que las fuentes de tensión o de corriente constituyen siempre sistemas sinusoidales perfectos, esto es directos y equilibrados, representados por tres fasores (1, 2, 3 o r, s, t o u, v, w o x, y, z) de igual módulo y desfasados 120 grados girando en sentido antihorario a una velocidad 2𝜋𝑓.
La clave para analizar un banco trifásico es ver un solo transformador del banco. Cualquier transformador del banco se comporta exactamente como los transformadores monofásicos ya estudiados. La impedancia, la regulación de voltaje, la eficiencia y los demás cálculos para los transformadores trifásicos se llevan a cabo con base a un criterio por fase, utilizando exactamente las mismas técnicas desarrolladas para los transformadores monofásicos. [1]
Conexión estrella Los transformadores conectados en estrella, también conocidos como “Y” se usan normalmente cuando la fuente de voltaje proviene de un secundario conectado en estrella.
En la Figura 3, se indican cuatro representaciones con el objeto de comprender mejor las conexiones. En la práctica, se puede usar cualquiera de estas, en donde se muestran tres transformadores monofásicos. Cuando se hacen las conexiones, el primer paso es alambrar todas las terminales 𝐻 2 juntas y después conectarlas al neutro. En la conexión estrella se requiere de un neutro para transportar cualquier desbalance en la carga entre las tres fases del transformador.
El resto de la instalación es simple. La terminal 𝐻 1 de alta tensión de cada transformador monofásico se conecta a las fases separadas de la fuente. Se puede usar el diagrama de “Y” para verificar la precisión de la actividad. [6]
Para los transformadores conectados en estrella, la corriente en el devanado (fase) es igual a la corriente de línea:
𝐼𝑓𝑎𝑠𝑒 = 𝐼𝑙í𝑛𝑒𝑎 Los voltajes de línea en la conexión estrella se calculan con respecto a los voltajes de fase de acuerdo con la siguiente expresión:
𝐸𝑓𝑎𝑠𝑒 = 𝐸𝑙í𝑛𝑒𝑎 √
Conexión delta El otro método común de conexión de transformadores trifásicos es el llamado sistema delta. En la Figura 4 siguiente se muestra esta conexión, presentándose cuatro distintas versiones usadas en los diagramas eléctricos.
En la conexión delta, cada fase o grupo de bobinas del tranformador se conecta a través de la fuente de voltaje. Por lo tanto, el voltaje de fase es igual al voltaje de línea, es decir:
𝐸𝑓𝑎𝑠𝑒 = 𝐸𝑙í𝑛𝑒𝑎 En cambio, la corriente de línea se divide entre las dos fases de la conexión delta, de manera que la relación entre la corriente es:
𝐼𝑙í𝑛𝑒𝑎 = √3𝐼𝑓𝑎𝑠𝑒 La conexión delta se usa generalmente cuando la fuente de voltaje o alimentación está en conexión delta o cuando se tiene disponible un solo voltaje y el sistema de distribución requiere de distancias cortas. [6]
Conexión Ye-ye (Y-Y) Podemos ver en la Figura 5, una conexión Y-Y. El voltaje de fase primario se relaciona con el voltaje de fase secundario por medio de la relación de vueltas del transformador. El voltaje de fase en el secundario está relacionado con la línea de voltaje en el secundario por [1]:
𝑉𝐿𝑃 𝑉𝐿𝑆^ =
√3𝑉∅𝑆^ = 𝑎
La conexión Y-Y tiene dos problemas graves:
𝑉𝐿𝑆^ = 𝑎
𝑉𝐿𝑆^ = √3𝑎
La conexión Y-∆ no presenta problemas con los componentes en sus voltajes de la tercera armónica, puesto que se consumen en una corriente circulante en el lado ∆. Esta conexión también es más estable con respecto a las cargas desequilibradas, debido a que ∆ redistribuye parcialmente cualquier desequilibrio que se presente. [1]
Chapman menciona (2012): “En estados Unidos se acostumbra que el voltaje secundario esté 30° en retraso con respecto al voltaje primario. Aunque ésta es la norma no siempre se cumple y las instalaciones más viejas se deben revisar cuidadosamente antes de poner un nuevo transformador en paralelo con ellas para asegurarse de que sus ángulos de fase concuerden”.
Conexión Delta-ye ( ∆ -Y) Podemos ver en la Figura 7 la conexión ∆-Y. En este tipo de conexión el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario, mientras que los voltajes secundarios están
relacionados por 𝑉𝐿𝑆 = √3𝑉∅𝑆. Por lo tanto, la relación de voltaje de línea en esta conexión es:
𝑉𝐿𝑃 𝑉𝐿𝑆^ =^
𝑉𝐿𝑆^ =
Esta conexión tiene las mismas ventajas y el mismo desplazamiento de fase que el transformador Y-∆. La conexión que se muestra en la Figura 7 ocasiona que el voltaje secundario esté, como anteriormente, en retraso de 30° con respecto al voltaje primario. [1]
Conexión Delta-delta ( ∆ - ∆ ) Podemos observar en la Figura 8 la conexión ∆ - ∆. En esta conexión obtenemos la siguiente relación entre los voltajes de línea primario y secundario:
𝑉𝐿𝑃 𝑉𝐿𝑆^ =
𝑉∅𝑆^ = 𝑎
Este transformador no tiene un desplazamiento de fase asociado y no tiene problemas con cargas desequilibradas o armónicos. [1]
Como lo resumiría Umans (2003): “La conexión Y-∆ generalmente se utiliza al disminuir un voltaje alto hasta lograr un voltaje medio o bajo. Una razón para emplear este tipo de conexión es que se añade un conductor neutro con conexión a tierra en el lado de alto voltaje, este procedimiento es recomendable en muchos casos por seguridad. De manera inversa, la conexión ∆ - Y se emplea comúnmente para aumentar el voltaje. La conexión ∆ - ∆ presenta la ventaja de poder eliminar un transformador para reparación o mantenimiento, mientras que los otros dos restantes continúan funcionando como un banco trifásico con una capacidad reducida a 58% con respecto al banco original; a esta conexión se le denomina conexión delta abierta o conexión en V. La conexión Y-Y se emplea en muy pocas ocasiones debido a que presenta dificultades con los fenómenos de las corrientes de excitación.
Transformadores trifásicos en paralelo Para que dos transformadores monofásicos trabajen satisfactoriamente en paralelo se precisa que tengan las mismas tensiones nominales primarias y secundarias, y que tengan la misma tensión de cortocircuito porcentual. Además se recomienda que las potencias no difieran de una relación mayor de 2:1. Para el caso de transformadores trifásicos se ha de añadir una condición más: los desfases entre el sistema de tensiones aplicado al primario y el
Similar corriente de excitación. Similar resistencia de núcleo aterrizado.
Determinación de los datos para el circuito equivalente en la realidad.
Datos de “Chapa” En los transformadores de potencia, por norma, en cada equipo necesariamente se adosa una chapa exterior indeleble la cual contiene los principales datos del transformador.
También se encuentra en la misma, la relación de transformación y la impedancia de cortocircuito estrella equivalente. La impedancia de vacío en general no está en la chapa sino que se encuentra en el catálogo del fabricante.
Determinación de los datos básicos por ensayos Los ensayos son los procedimientos usuales cuando se quiere determinar los parámetros del circuito equivalente de un trasformador.
En general los parámetros del circuito equivalente que interesan son del transformador equivalente Y-Y cualquiera sea su grupo de conexión. Luego de obtenidos los parámetros del equivalente Y-Y cualquiera sea su grupo de conexión. Luego de obtenidos los parámetros del equivalente se pueden obtener sin mayor dificultad los parámetros del circuito de cada una de las fases del transformador utilizando las equivalencias usuales de circuitos equilibrados de tres bornes.
Ensayo de la relación de transformación Destinado a determinar la relación de tensiones nominales entre primario y secundario. EL ensayo se realiza conectando una fuente de tensión trifásica a uno de los lados dejando en vacío al otro y simplemente midiendo la tensión de ambos lados. El valor de la tensión de ensayo deberá ser igual o menor que el valor nominal. Conocida la relación de
transformación y el grupo de conexión se puede luego determinar la relación de vueltas de los bobinados.
Ensayo de vacío para determinar la impedancia magnetizante y pérdidas del hierro Al igual que el caso monofásico este ensayo está destinado a determinar el valor de la impedancia de vacío 𝑍 0. El procedimiento es conceptualmente idéntico al caso monofásico determinando el valor de la 𝑍 0 en su versión serie para la versión estrella equivalente del transformador a partir de las medidas de tensión, corriente y potencia.
𝑍 0 = (^) √3𝐼 𝑈 < (^) √3𝑈𝐼𝑊
Por las mismas consideraciones realizadas en el caso monofásico la tensión de ensayo debe ser lo más cercana posible a la nominal.
Modelo del Transformador Trifásico
Tipos de Enfriamiento
Tipo OA Es un transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más común y frecuente resultando más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estas unidades el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas o corrugadas, o bien provistos de enfriadores tubulares o de radiadores separables.
Tipo OA / FA Sumergido en aceite con enfriamiento a base de aire forzado. Esta unidad es básicamente un tipo OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento, y por lo tanto, aumentar los kVA de la salida del
CONCLUSIÓN
Estudiando los diferentes tipos de conexiones entre delta y estrella, se pudo diferenciar cuál es más eficiente, dependiendo del uso que se le dé, en comparación de usar un banco de transformadores monofásicos, ya que el uso de un transformador trifásico es más económico. Además, un transformador trifásico al conectarlo con otro (en paralelo) debe cumplir ciertas condiciones para un correcto funcionamiento.
ANEXOS
Figura 1: Transformador trifásico.
Figura 2: Banco de transformadores monofásicos.
Figura 3: Distintas formas de representar la conexión estrella de transformadores.
Figura 6: Conexión estrella-delta.
Figura 7: Conexión delta-estrella.
