Análisis sobre transformadores trifásicos Pablo Andrés Salamea Cordero -
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Introducción Tipos de conexión en un transformador trifásico Conexión Delta-Delta (∆- ∆) Conexión Ye-Delta(Y-∆) Tipos de núcleo del Transformador trifásico Transformadores de tipo poste Transformador auto protegido Elementos de una Transformación Trifásica-Trifásica La conexión ∆ abierta (o V-V) Transformador ∆ abierta Conexión Y abierta-∆ abierta La conexión Scott-T La conexión T trifásica Conclusiones Bibliografía
Introducción En el presente trabajo se trata de dar un breve análisis sobre los transformadores trifásicos, ya que en la actualidad debido a su fácil fabricación y bajo costo, se los utiliza en la mayor parte de las industrias, vamos a analizar los diferentes tipos de conexiones, los beneficios que nos presentan cada uno de ellos y sus desventajas.
Tipos de conexión en un transformador trifásico Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico se pueden conectar independientemente en ye (Y) o en delta (∆), de lo cual se obtienen cuatro tipos de conexiones en transformadores trifásicos, los cuales son: 1. Delta-Delta (∆- ∆) 2. Delta-Ye(∆-Y) 3. Ye-Delta(Y- ∆) 4. Ye-Ye (Y-Y) A continuación se muestran las ventajas y desventajas de cada conexión trifásica.
Conexión Delta-Delta (Δ- Δ) Esta conexión también se denomina triangulo-triangulo, donde la relación de voltajes entre primario y secundario viene dada por:
V LP VφP = =a V LP VφS V LS = rt ⋅ V LP =
V LP a
El voltaje de salida disponible en el secundario es el voltaje de línea del primario por la relación de transformación individual. Las corrientes que circulan por cada “bobina” (fase) son 3 veces menores que las correspondientes de línea. Esto se cumple para primario y secundario. Las corrientes de línea en el secundario son iguales a las del primario por a(o por 1/rt). Observe que se debe respetar las polaridades
Esta conexión no tiene desplazamiento de fase y tiene la ventaja que no tiene problemas con cargas desequilibradas o armónicos, además se puede quitar un transformador para mantenimiento o reparación y queda funcionando con dos transformadores pero como banco trifásico, este tipo de configuración se llama triangulo abierto, delta abierta o configuración en V, en esta configuración entrega voltajes y corriente de fase con las relaciones correctas, pero la capacidad del banco representa el 57.74% (1/√(3)) de la capacidad nominal total disponible con tres transformadores en servicio. Conexión Ye-Ye (Y-Y) La conexión ye-ye o estrella-estrella al igual que la triangulo-triangulo el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de línea primario multiplicado por el inverso de la relación de transformación a (o por rt). Observe como van las polaridades La relación primario a secundario viene dada por:
3VφP VLP = =a VLS 3VφS Vfs=rt*Vfp=Vfp/a Vls=rt*Vlp=Vlp/a Los cálculos de los voltajes en la salida se hacen como en los transformadores monofásicos, tanto para delta-delta como estrella-estrella. Esta conexión es poco usada debido a las dificultades que presenta: 1. Si las cargas en el circuito del transformador no están equilibradas (es lo que comúnmente ocurre), entonces los voltajes en las fases del transformador pueden llegar a desequilibrarse severamente. 2. Los voltajes de terceros armónicos son grandes. Estos problemas son resueltos utilizando estas dos técnicas: - Conectando sólidamente a tierra los neutros de los transformadores, en especial el neutro del devanado primario, esta conexión permite que los componentes aditivos de los terceros armónicos causen un flujo de corriente en el neutro en lugar de acumular grandes voltajes, el neutro también suministra un camino de regreso para cualquier desequilibrio de corriente en la carga. - Añadir un tercer devanado conectado en delta al banco de transformadores. Con esta las componentes de voltajes de la tercera armónica en delta se sumaran y causaran un flujo de corriente circulante dentro del devanado. Esto suprime los componentes de voltaje de la tercera armónica de la misma manera que el hacer tierra con los neutros de los transformadores. Conexión delta-Ye (∆-Y) conexión triangulo-estrella. También denominado grupo de conexión triangulo-estrella. Donde el voltaje de línea del secundario es igual al voltaje de línea del primario multiplicado por el factor √(3) y el inverso de la relación de transformación.
VφP VLP = VLS 3VφS
Vls=rt*3Vlp Ils=Ilp/ Rt*3
Conexión Ye-Delta(Y-Δ) La conexión estrella-delta o estrella-triangulo, se usa generalmente para bajar de un voltaje alto a uno medio o bajo. Una razón de ello es que se tiene un neutro para aterrizar el lado de alto voltaje lo cual es conveniente y tiene grandes ventajas. La relación de tensiones entre primario y secundario viene dada por:
3VφS VLP = VLS VφS
VLP =a 3 VLS Vls=rt*Vls/3 Ils=3*Ilp/rt
Esta conexión no presenta problemas con los componentes en sus voltajes de terceros armónicos, puesto que se consume una corriente circulante en el lado de la delta (triangulo). Esta conexión se establece con respecto a cargas desequilibradas, debido a que la delta redistribuye cualquier desequilibrio que se presente. Esta conexión tiene como desventaja que el voltaje secundario se desplaza 30 con respecto al voltaje primario del transformador.
Tipos de núcleo del Transformador trifásico Transformador trifásico de tipo núcleo
Transformador trifásico de tipo acorazado
La diferencia de un transformador trifásico de tipo núcleo y de otro de tipo acorazado, está 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.
Transformadores de tipo poste Tipo convencional de poste: Los transformadores de este tipo constan de núcleo y bobinas montados, de manera segura, en un tanque cargado con aceite; llevan hacia fuera las terminales necesarias que pasan a través de bujes apropiados.
Transformador de distribución auto protegido, del tipo poste con capacidad para 25KVA, 12740 Tierra Y/720-120/240 V, elevación de 65˚
Los bujes de alto voltaje pueden ser dos, pero lo más común es usar un solo buje además de una terminal de tierra en la pared del tanque conectada al extremo de tierra del devanado de alto voltaje para usarse en circuitos de varias tierras. El tipo convencional incluye solo la estructura básica del transformador sin equipo de protección alguna. La protección deseada por sobre voltaje, sobrecarga y cortocircuito se obtiene usando aparta rayos e interrupciones primarias de fusibles montados separadamente en el poste o en la cruceta muy cerca del transformador. La interrupción primaria del fusible proporciona un medio para detectar a simple vista los fusibles quemados en el sistema primario, y sirve también para sacar el transformador de la línea de alto voltaje, ya sea manual, cuando así se desee, o automáticamente en el caso de falla interna de las bobinas.
Transformador auto protegido Transformador auto protegido trifásico. Estos transformadores son similares a las unidades monofásicas, con la excepción de que emplea un cortocircuito de tres polos. El cortocircuito está dispuesto de manera que abra los tres polos en caso de una sobrecarga seria o de falla en alguna de las fases.
Transformador de distribución auto protegido, del tipo poste con capacidad para 25KVA, 12740Tierra Y/720120/240 V, elevación de 65˚ Transformador auto protegido para bancos de secundarios. Está en otra variante en la que se proporcionan los transformadores con los dos cortacircuitos secundarios paras seccionar los circuitos de bajo voltaje, confinar la salida de operación únicamente a la sección averiada o sobrecargada y dejar toda la capacidad del transformador disponible para alimentar las secciones restantes. Estos también se hacen para unidades monofásicas y trifásicas. Transformadores de distribución del "tipo estación": estos transformadores tienen, por lo general, capacidad para 250,333 ó 500KVA. Para la distribución a redes de bajo voltaje de c.a. en áreas de alta densidad de carga, hay transformadores de red disponibles en capacidades aún mayores.
Transformador de distribución auto protegido, del tipo poste con capacidad para 25KVA, 12740Tierra Y/720120/240 V, elevación de 65˚
Comparación de grupo de transformadores monofásicos VS. Los transformadores trifásicos. Conceptos Generales Sobre Las Transformaciones Polifásicas. Los sistemas de energía eléctrica de corriente alterna, nunca son monofásicas. Actualmente, se utilizan casi exclusivamente los sistemas trifásicos, tanto para la producción como para el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Por esta razón, resulta de ineludible interés el estudio de los transformadores trifásicos.
Elementos de una Transformación Trifásica-Trifásica Una transformación trifásica-trifásica consta de un primario, en conexión trifásica equilibrada, que alimenta un sistema trifásico. Para abreviar, a este tipo de transformación le llamaremos simplemente transformación trifásica. Una transformación trifásica puede efectuarse de dos formas: a) mediante tres transformadores monofásicos independientes, unidos entre si en conexión trifásica. b) mediante un solo transformador trifásico que, en cierto modo, reúne a tres transformadores monofásicos. En este caso, la interconexión magnética de los núcleos puede adoptar diversas disposiciones, que examinaremos más adelante. Transformación Trifásica mediante tres Transformadores Monofásicos. Para esta transformación, se utiliza tres transformadores monofásicos de igual relación de transformación. Los primarios se conectan a la red trifásica de donde toman la energía y los secundarios alimentan el sistema trifásico de utilización.
Los transformadores son completamente independientes entre si, por lo que los circuitos magnéticos también lo son, no produciéndose, por lo tanto, ninguna interferencia o interacción entre los flujos magnéticos producidos. Cada transformador lleva dos bornes de lata y dos de baja que se conectan entre si de forma que pueda obtenerse la transformación trifásica deseada, para obtener una transformación estrella-estrella, con neutro. El sistema es costoso y las pérdidas en vacío resultan elevadas, a causa de la presencia de tres circuitos magnéticos independientes; desde este punto de vista, es preferible la instalación de un solo transformador trifásico. Sin embargo, en muchas ocasiones pueden resultar más económicos los tres transformadores independientes; por ejemplo, cuando, por razones de seguridad en el servicio es necesario disponer de unidades de reserva: con tres transformadores monofásicos basta otro transformador monofásico, con potencia un tercio de la potencia total, mientras que un transformador trifásico necesitaría otro transformador trifásico de reserva, con potencia igual a la de la unidad instalada. Este sistema de transformación se emplea, sobre todo, en instalaciones de gran potencia, en las cuales, puede resultar determinante el coste de la unidad de reserva.
Conexión en paralelo de transformadores monofásicos.
Transformación trifásica utilizando dos transformadores. Algunas de las conexiones más importantes con dos transformadores son 4: 1. La conexión ∆ abierta (o V-V) 2. Conexión Y abierta-∆ abierta 3. Conexión Scott-T 4. Conexión trifásica en T
La conexión Δ abierta (o V-V) En ciertas situaciones no puede utilizarse un banco de transformadores completo para realizar una transformación trifásica. Por ejemplo, supóngase que un banco de transformadores ∆-∆ que consta de transformadores separados tiene una fase dañada que se debe retirar para su reparación. La situación resultante se muestra en la siguiente figura, si dos voltajes secundarios que permanecen son VA= V ∟0° Y VB= V ∟-120° V, entonces el voltaje que pasa a través de la abertura que dejó el tercer transformador está dado por:
VC = −VA − VB VC = −V∠00 − V∠1200 VC = −V − (0.5V − j 0.866V ) VC = −0.5V + j 0.866V VC = V∠1200 Éste es el mismo voltaje que estaría presente si el tercer transformador siguiera ahí. A menudo, a la fase C se le llama fase fantasma. Entonces, la conexión delta abierta posibilita que un banco de transformadores siga funcionando con sólo dos de sus transformadores. Permitiendo que fluya cierta potencia aun cuando se haya removido una fase dañada.
Conexión de un transformador en ∆ abierta o V-V. Muestra el banco de transformadores en operación normal conectado a una carga resistiva. Si el voltaje nominal de un transformador en el banco es VФ y la corriente nominal es IФ entonces la potencia máxima que puede suministrar a la carga es:
P = 3Vφ Iφ cosθ El ángulo entre el voltaje V, Y la corriente l, en cada fase es 0°, por lo que la potencia total suministrada por el transformador es:
P = 3Vφ Iφ cosθ P = 3Vφ Iφ En la siguiente figura se muestra un transformador con delta abierta. Debido a que falta una de las fases del transformador, la corriente de línea de transmisión es igual a la corriente de fase en cada transformador y las corrientes y voltajes en el banco del transformador tienen un ángulo que difiere por 30°. Para el transformador 1 el voltaje tiene un ángulo de 150° y la corriente tiene un ángulo de 120°, por lo que la expresión para la potencia máxima en el transformador es:
P = 3Vφ I φ cos(150 − 120) P = 3Vφ I φ cos 30 P=
3 Vφ I φ 2
a) Voltajes y corrientes en un banco de transformador ∆-∆. b) Voltajes y corrientes en un banco de
Transformador Δ abierta Para el transformador 2, el voltaje tiene un ángulo de 30° y la corriente tiene un ángulo de 60°, por lo que la potencia máxima es:
P2 = 3Vφ I φ cos(30 − 60) P2 = 3Vφ I φ cos(−30) P2 =
3 Vφ I φ 2
Por lo tanto, la potencia máxima total para el banco delta abierta está dada por:
P2 =
3 Vφ I φ 2
La corriente nominal es la misma en cada transformador, sin importar si son dos o tres, y el voltaje es el mismo en cada transformador; por lo que la razón entre la potencia de salida disponible del banco delta abierta y la potencia disponible del banco trifásico normal es:
3Vφ I φ Pabierta∆ 1 = = = 0.577 P3 fase 3Vφ I φ 3 La potencia disponible que sale del banco delta abierta es sólo 57.7% del valor nominal del banco original. ¿Qué pasa con el resto del valor nominal del banco delta abierta? Después de todo, la potencia total que los dos generadores juntos pueden producir equivale a dos tercios del valor nominal del banco original. Para encontrar la respuesta se debe examinar la potencia reactiva del banco delta abierta. La potencia reactiva del transformador 1 es:
Q1 = 3Vφ I φ sen(150 − 120) Q1 = 3Vφ I φ cos(30) 1 Q2 = Vφ I φ 2 La potencia reactiva del transformador 2 es:
Q2 = 3Vφ I φ sen(30 − 60) Q2 = 3Vφ I φ cos( −30) 1 Q2 = − Vφ I φ 2
Entonces, un transformador produce potencia reactiva que consume el otro. Este intercambio de energía entre los dos transformadores es lo que limita la potencia de salida a 57.7% del valor nominal del banco original en lugar del esperado 66.7%. Otra manera de ver el valor nominal de la conexión delta abierta es que se puede utilizar 86.6% del valor nominal de los dos transformadores restantes. Las conexiones delta abierta se utilizan ocasionalmente cuando se desea suministrar una pequeña cantidad de potencia trifásica a una carga monofásica. En tal caso, se puede utilizar la conexión de esta figura, donde el transformador T2es mucho más grande que el transformador TI.
La utilización de una conexión de transformador en A abierta para suministrar una pequeña cantidad de potencia trifásica y mucha potencia monofásica. El transformador T2, es mucho mayor que el transformador T1, La conexión ye abierta-delta abierta
Conexión Y abierta-Δ abierta La conexión ye abierta-delta abierta es muy parecida a la conexión delta abierta excepto en que los voltajes primarios se derivan de dos fases y el neutro. Se utiliza para dar servicio a pequeños clientes comerciales que necesitan servicio trifásico en áreas rurales donde no están disponibles las tres fases. Con esta conexión un cliente puede obtener el servicio trifásico provisional basta que la demanda haga necesaria la instalación de la tercera fase. Una gran desventaja de esta conexión es que debe fluir una corriente de retorno muy grande en el neutro del circuito primario.
Diagrama de cableado de la conexión del transformador Y abierta-∆ abierta. Nótese que esta conexión es idéntica a la conexión Y –∆ de la figura 2-38b. Excepto por la ausencia del tercer transformador y por la presencia del hilo del neutro.
La conexión Scott-T La conexión Scott-T es una manera de obtener dos fases separadas 90° a partir de un suministro de potencia trifásica. La Scott-T consta de dos transformadores monofásicos con idéntica capacidad. Uno tiene una toma en su devanado primario a 86.6% de su voltaje a plena carga. Están conectados como se muestra en la figura 243a. La toma de 86.6% del transformador T2está conectada a la toma central del transformador T1.
Conexión del transformador Scott-T a) Diagrama de cableado; b) voltajes de entrada trifásicos; c) voltajes en los devanados primarios del transformador; d) voltajes secundarios bifásicos.
La conexión T trifásica La conexión Scott-T utiliza dos transformadores para convertir potencia trifásica en potencia bifásica con un nivel diferente de voltaje.
•Mediante una sencilla modificación de esta conexión, los mismos dos transformadores pueden convertir potencia trifásica en potencia trifásica con otro nivel de voltaje. •Esta conexión se muestra en la figura 2-44. En este caso, tanto el devanado primario como secundario del transformador T2tienen una toma al 86.6% y las tomas están conectadas a las tomas centrales de los devanados correspondientes del transformador T1. En esta conexión a T1se le llama transformador principal y a T2se le llama transformador de conexión en T.
Conexión trifásica en T del transformador. a) Diagrama de cableado; b) voltajes de entrada trifásicos; c) voltajes en los devanados primarios del transformador; d) voltajes en los devanados secundarios del transformador; e) voltajes secundarios trifásicos resultantes. Valores nominales y problemas relacionados con los transformadores Los transformadores tienen cuatro valores nominales principales: potencia aparente, voltaje, corriente y frecuencia.
Conclusiones Luego de haber analizado los transformadores trifásicos podemos resaltar que las principales aplicaciones de los transformadores trifásicos de hoy en día, pueden usarse en instalaciones comerciales, contratando el servicio en alta o media tensión, que sale mas barato, y el transformador nos dará los niveles que necesitamos en media o baja tensión para el consumo. En pocas palabras, conforman una subestación. Entre el principal tipo de transformadores trifásicos es el tipo poste, estos lo encontramos en todas las ciudades en el mundo, y nos dan una idea de la importancia de estos transformadores en nuestro medio.
Bibliografía http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador http://www.asifunciona.com/tablas/transformadores/simb_transf.htm Stephen J. Chapman, Fundamentos de circuitos eléctricos. 4th_Edition
