Transformadores trifásicos

Transformadores Trifásicos
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
I. INTRODUCCIÓN
modificación, o en el circuito equivalente de la figura
2a o en el circuito equivalente de la figura 2b.
En la mayoría de los sistemas de generación de
corriente eléctrica del mundo son sistemas de
corriente alterna trifásicos, por lo que es necesario
entonces conocer la forma como los transformadores
se utilizan en ella.
Por razones importancia en la sociedad, por razones
de tipo económico, de espacio en las instalaciones y
confiabilidad en los equipos, se puede decir, que en
general, es preferida la solución del uso de
transformadores trifásicos en las instalaciones
eléctricas.
II. CONSTITUCION DE LOS
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS.
Los transformadores para circuitos trifásicos
pueden construirse de dos maneras. Estas son:
b. Haciendo un transformador trifásico que
a. Tomando tres transformadores monofásicos y
consiste en tres juegos de devanados
enrollados sobre un núcleo común.
conectándolos en un grupo trifásico.
Para el análisis de su circuito equivalente se debe
representar cada uno de los transformadores
monofásicos que componen un banco trifásico
(Conjunto de los tres transformadores monofásicos)
por un circuito equivalente; entonces se podrá
utilizarse cualquiera de los circuitos equivalentes
deducidos para el caso de los monofásicos.
A Cada columna del transformador trifásico se la
puede considerar como un transformador monofásico.
Así, cuando en un banco o un transformador trifásico
funciona con cargas equilibradas, todos los
transformadores monofásicos del banco o todas las
columnas del transformador están igualmente
cargados y con ello solo tendríamos con estudiar solo
uno de ellos mediante su circuito equivalente.
III. FORMAS DEL NUCLEO
Los valores de los elementos de los circuitos
equivalentes se pueden obtenerse a partir de los datos
de diseño o por las pruebas en circuito abierto o en
cortocircuito tomados a uno u otro lado del
transformador, y estos valores se pueden emplear, sin
Si la transformación se hace mediante un
transformador trifásico, con un núcleo común,
podemos ver que la columna central de la figura 4 está
recorrida por un flujo F que, en cada instante, es la
suma de tres flujos sinusoidales, iguales y desfasados
120º.
Como sabemos esto se aplicaría para que en un
transformador trifásico cada columna está formada
por un transformador monofásico, entonces toda la
teoría para los transformadores monofásicos es válida
para los trifásicos, teniendo en cuenta que las
magnitudes que allí aparecen hace referencia ahora a
los valores por fase.
El flujo F será pues siempre nulo. En consecuencia, se
puede suprimir la columna central figura 5.
La diferencia de un transformador trifásico de tipo
núcleo y de otro de tipo acorazado, esta en que en un
transformador trifásico de tipo acorazado las tensiones
están menos distorsionadas en las salidas de las fases.
Lo cual hace mejor al transformador trifásico de tipo
acorazado.
Como esta disposición en la figura 5 se hace difícil
para su construcción, los transformadores se
construyen con las tres columnas en un mismo plano
figura 6.
Esta disposición crea cierta asimetría en los flujos y
por lo tanto en las corrientes en vació.
IV. FORMAS DE LOS DEVANADOS
Como sabemos un transformador trifásico está
constituido por tres transformadores, que se
encuentran separados o combinados sobre un solo
núcleo. Los primarios y secundarios de cualquiera de
ellos pueden tener diferentes formas en los devanados,
así que se pueden conectarse en estrella o en delta,
dando lugar a un total de cuatro posibilidades de
conexión en el transformador trifásico:
• Estrella-estrella,
• delta-estrella,
• estrella/zig-zag,
• estrella-delta,
• delta-delta.
Cuando los devanados primario y secundario de un
transformador trifásico tienen conexiones distintas, la
relación entre las dos tensiones de vacío (sin carga) en
las terminales, no es igual a la relación entre las
espiras de una fase primaria y secundaria.
La relación entre tensiones de fase es:
La relación entre los voltajes de línea es:
Gráfica Explicativa:
Para relacionar las tensiones y/o corrientes primarias
con las secundarias se debe indicar los desfases
relativos entre las tensiones de una misma fase entre
el lado de Alta tensión y el de Baja tensión.
La selección de la combinación de las conexiones
depende de consideraciones económicas y de las
exigencias que impone la operación. Por ejemplo, en
las redes de distribución que usan tres fases con
neutro, es necesario el uso de devanados secundarios
en estrella, ya que éstos tienen un punto accesible para
el neutro.
V. CONEXIONES DE TRANSFORMADORES
TRIFÁSICOS
•
Conexión Delta-Delta:
Este tipo de conexión tiene la desventaja de no
disponer de ningún neutro, ni en el primario ni en el
secundario. Otra desventaja es el aislamiento eléctrico
que resulta más caro que otro de conexión (estrella),
para las mismas especificaciones técnicas.
En este tipo de conexión las tensiones de entrada y
salida se encuentran en fase. Este sistema de
conexión es utilizado en sistemas trifásicos donde la
tensión no es muy elevada.
•
Conexión Delta-estrella:
Con una conexión de este tipo se consigue un adelanto
de fase de 30 ° de las tensiones de salida respecto a las
tensiones de entrada.
La principal ventaja de este tipo de conexión es que se
reduce considerablemente el gasto económico en el
aislamiento interno del transformador. Sin embargo,
la desventaja del desfase de 30° puede ser negativa,
pues la conexión en paralelo con otra fuente de
energía es imposible, por otro lado, en el caso de que
este banco de transformadores tenga que alimentar a
un grupo de cargas aisladas no representaría ningún
inconveniente el desfase.
Asimismo, podemos apreciar en la figura 10 que el
secundario tiene un neutro. Este tipo de conexión se
utiliza en aplicaciones de elevación de tensiones.
La principal ventaja de este modo de conexión es que
aunque las cargas no estén bien equilibradas las
tensiones mantienen un buen equilibrio. Los voltajes
primarios de línea y de fase son iguales:
Los voltajes de línea y de fase son iguales en el
primario y en el secundario:
Las tensiones secundarias cumplen la siguiente
relación:
Los voltajes de línea de primario y secundario
guardan la siguiente relación:
Gráfica Explicativa:
•
•
Conexión Estrella-delta:
Con este tipo de conexión la corriente en el devanado
de las bobinas secundarias es de un 58% de la
corriente carga.
Las distorsiones de las tensiones de salida no resultan
tan severas como en una conexión estrella-estrella.
También tenemos que señalar que existe un
desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada
y de salida de 30 °.
Conexión Estrella-estrella:
Con este tipo de conexión se tienen dos neutros, uno
en las bobinas primarias y otro en las bobinas
secundarias.
El problema surge cuando no se
conectan estos neutros a la masa o tierra, porque las
señales u ondas senoidales salen por el secundario
distorsionadas.
Solamente no es necesario conectar los neutros a tierra
cuando el sistema trifásico esta muy equilibrado.
Asimismo, debemos indicar que no hay un
desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada
y las tensiones de salida. Los voltajes de línea se
relacionan con los voltajes de fase según las
expresiones:
Este tipo de conexión se puede utilizar en aplicaciones
de reducción. Los voltajes primarios de línea y de
fase cumplen la relación:
Los voltajes de línea de primario y secundario
guardan la siguiente relación:
Las tensiones secundarias de línea y fase son iguales:
La relación de tensiones de fase es:
Gráfica Explicativa:
La relación entre los voltajes de línea del primario y
secundario es:
Gráfica Explicativa:
Un caso particularmente especial es la conexión Delta
- Abierta
•
Conexión Delta-abierta:
Y si realizamos una suma vectorial desde a1 hasta b2
se obtendrá el mismo voltaje que en un sistema sin el
bobinado c1c2.
El siguiente dibujo representa a dos transformadores
monofásicos conectados entre si en la manera
denominada triángulo abierto o delta abierta.
La nomenclatura a1a2-b1b2-c1c2 me indica que la
parte izquierda representa el secundario del
transformador (en una conexión Delta o Triángulo en
el secundario) y la parte derecha representa un
conjunto de cargas con impedancia Z que hemos
colocado en este caso en configuración también Delta
o Triángulo.
Ya que es una conexión Dd, mas a la izquierda del
secundario del transformador que se ha indicado
líneas arriba está ubicado el primario del
transformador que no se dibujó por razones de
espacio.
VI. INDICE HORARIO
En este caso la tensión entre los puntos a1(c2) y
b2(c1) sigue siendo la misma que la que se tendría si
no se hubiese quitado el bobinado c1c2. Es decir, si
con todo el sistema completo, la tensión de línea V
c1c2 era U, luego, con el sistema sin el arrollamiento
c1c2 la tensión de línea sigue siendo U.
Para indicar el desfase existente entre las tensiones
simples, se suele utilizar el llamado índice horario
(ángulo formado por la aguja grande y la pequeña de
un reloj cuando marca una hora exacta), expresado en
múltiplos de 30º (ángulo entre dos horas consecutivas,
360º/12=30º). El conocimiento del desfase (índice
horario) es muy importante cuando se han de conectar
transformadores en paralelo, dado que entonces, todos
los transformadores deben tener el mismo índice
horario, para evitar que puedan producirse corrientes
de circulación entre los transformadores cuando se
realice la conexión.
La explicación de esto reside en el hecho que se tiene
que realizar una suma vectorial de voltajes para
obtener el voltaje final resultante entre los puntos
requeridos.
Dependiendo del tipo de conexión, las tensiones
simples del primario y del secundario pueden no estar
en fase, cosa que siempre ocurre en los
transformadores monofásicos.
En la figura 14 vemos tres vectores correspondientes
al voltaje en cada fase que tienen un punto común y
están separados 120º. Si tuviéramos el sistema
completo al realizar la suma de voltajes en todo el
triángulo obtendríamos 0.
A continuación veremos algunas de las formas más
frecuentes de conexión (el desfase se obtiene
multiplicando el número que acompaña la
denominación por 30, ejemplo: en Yy6 el desfase es
6*30=180º), Adema utilizaremos la siguiente
simbología para reducir las formulas expuestas:
VFP = Tensión fase primario; VFS = tensión fase
secundario; VLP = Tensión línea primario; VLS =
tensión línea secundario:
•
Conexión Estrella-Estrella (Yy0)
VFP / VFS = m
VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / VFS
VLP / VLS = (Ö3 * m)
VFP / VFS = m
VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / (Ö3 * VFS) = m
•
Conexión Estrella-Estrella (Yy6)
•
Conexión Triangulo-Estrella (Dy11)
VFP / VFS = m
VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / (Ö3 * VFS) = m
•
Conexión Triangulo-Triangulo (Dd0)
VFP / VFS = m
VLP / VLS = VFP / (Ö3 * VFS)
VLP / VLS = m /Ö3
VII. BANCO DE TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS.
Los bancos de transformadores monofásicos son
utilizados en sistemas eléctricos trifásicos como
sustitución de un transformador trifásico. Por ejemplo,
en el transporte a largas distancias de la energía
eléctrica.
VFP / VFS = m
VLP = VFP
VLS = VFS
VLP / VLS = VFP / VFS = m
•
Conexión Estrella-Triangulo (Yd11)
Asimismo, el banco de transformadores monofásicos
también sirve para poder cambiar el número de fases
del sistema, es decir, un sistema trifásico lo podemos
convertir en un sistema bifásico, de 6 fases, de doce
fases, etc.
Por lo que respecta a las bobinas primarias y
secundarias, las podemos conectar de varias formas,
teniendo cuatro posibles casos: Y/Y, Y/Δ, Δ/Y, Δ/Δ.
Es decir, podemos conectar las bobinas primarias en
estrella o en triángulo al igual que las bobinas
secundarias. Dependiendo como lo hagamos
tendremos unas características técnicas u otras. De
esta forma, la relación de las tensiones de entrada y de
salida no solamente dependerá de la relación de
vueltas (espiras) de las bobinas primarias y
secundarias, sino que también dependerá de cómo
estén conectadas las bobinas primarias y las bobinas
secundarias.
Conclusiones:
Las combinaciones básicas que han de ser tenidas en
cuenta por lo que se refiere a sus particularidades para
los acoplamientos en paralelo, forman esencialmente
cuatro grupos. Cada grupo se caracteriza en particular
por el desfase que el método de conexión introduce
entre la f.e.m. primaria y las homólogas secundarias.
Nº
Dd0
0
Símbolo
Primario
Secundario
Dz6
Dy11
11
Al tratar del transformador trifásico suponemos que
sus devanados, tanto de alta como de baja tensión, se
hallan conectados en estrella. Según la aplicación a
que se destine un transformador, deben considerarse
las posibilidades de establecer otras conexiones
distintas, las cuales ofrecen sobre todo especial interés
desde el punto de vista del acoplamiento en paralelo
con otros transformadores.
Grup
o
Yy6
Conexionado
Primario
Secundario
Yd11
Yz11
En la tabla se detallan los grupos de conexiones
normalizados para transformadores de potencia
trifásicos. Debe tenerse en cuenta que el esquema de
conexionado es válido solamente en el caso que los
devanados tengan el mismo sentido de arrollamiento.
Además podremos decir las siguientes características
de los transformadores trifásicos:
•
En bajas capacidades los transformadores
trifásicos son más pesados.
•
El costo de los transformadores trifásicos
siempre es más bajo (solo el 10% en bajas
capacidades pero en altas capacidades llega a
ser hasta el 25% menos en comparación con
los transformadores monofásicos).
•
Por estas razones la industria ha preferido
usar los transformadores trifásicos ya que esta
opción implica un ahorro significativo que
conlleva a minimizar los costos de
producción.
Yy0
Dz0
Dy5
VIII. BIBLIOGRAFIA
5
Yd5
•
•
Yz5
•
6
Dd6
“MÁQUINAS ELÉCTRICAS”---Stephen J.
Chapman—Tercera Edición.
“MAQUINAS
ELECTRICAS”--Jesus
Fraile Mora --- Quinta Edición.
www.El transformador.mht
Anexo: