BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA FACULTAD DE INGENIERIA Colegio de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Transformadores y Motores de Inducción INVESTIGACION:
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CONEXIÓN DE TRANSFORMA TR ANSFORMADORES DORES
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Materia: Transformadores y motores de indicción Catedrático: Ing. Luis Juárez Perea Alumno: Isidro Santos Santos Diego Horario: 3:00 – 5:00 pm
Verano 2014
1._ Introducción. Actualmente casi todos los sistemas principales de generación y distribución de potencia en el mundo son trifásicos de CA. Para transformar la corriente alterna trifásica se puede hacer uso de tres transformadores monofásicos. En el sistema trifásico estos tres transformadores deben trabajar como una sola unidad. Es lógico preguntarse si no sería posible unir los tres transformadores monofásicos en un solo artefacto trifásico y con ello conseguir economía de material. Imaginémonos tres transformadores independientes. Uniéndolos en un solo transformador trifásico, dejamos sin modificación aquella parte de los núcleos que llevan los arrollamientos y unimos los demás lados de los tres núcleos en un camino magnético común. Tal sistema magnético puede ser comparado con la conexión en estrella de tres circuitos eléctricos. En el sistema magnético al conductor neutro corresponde el tronco central común. El flujo en el hierro del transformador puede ser considerado como directamente proporcional a la tensión y atrasado en fase con respecto a la misma en un ángulo casi igual a 90°. En consecuencia, las tres tensiones primarias deben dar lugar a tres flujos de igual amplitud desfasados entre sí 120°. La suma de estos tres flujos en el tronco común es igual a cero, lo que permite suprimirlo.
2._ Conexión Delta-Estrella. Características. 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. V L 1 = V F 1 , mientras que los voltajes secundarios VL2 = √3 V F2 . Por lo tanto VL1 / VL2 = m / √3 La relación de trasformación simple y compuesta por ende será.
Ventajas.
No presenta problemas con las componentes en sus voltajes de terceros armónicos. Es muy útil para elevar el voltaje a un valor muy alto. Utilizando esta conexión en el lado de alta, se puede poner a tierra el neutro permitiendo que quede limitado el potencial sobre cualquier carga. Al producirse un desequilibrio en la carga, no motiva asimetría del flujo, por producirse un reparto entre las tres columnas del primario.
Las ventajas que esta conexión presenta motivan la utilización de este transformador tanto en trasmisión como en distribución de en ergía.
Desventajas.
La falla de una fase deja fuera de operación al transformador. No se dispone de neutro en el primario para conectarlo con la tierra. Esto no es precisamente un inconveniente, pues, por lo general en el circuito del primario del transformador hay una toma de tierra, sea en el generador, sea en el secundario del transformador elevador de tensión. El devanado en delta puede ser mecánicamente débil. El tamaño del armazón, debido a las razones expuestas anteriormente, es mayor con el aumento consiguiente del coste del transformador.
2._ Conexión Estrella-Delta. Características. 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 = √3 VF2 , mientras que el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario V L 1 = V F 2 , por tanto la relación de voltajes de fase es: m = V F 1 / V F 2 , por lo que la relación general entre voltajes de línea será: V L 1 / V L 2 = √3 VF1/VF2 = √3 m
Expresión que indica que la relación de transformación general de la conexión Y –d es √3 veces mayor que la relación de transformación de voltajes de fase o de espiras.
Ventajas.
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). Es conveniente para los transformadores reductores de tensión, debido a las características inherentes de los enrollamientos en estrella para altas tensiones y de los enrollamientos en triangulo para las bajas tensiones. 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). El neutro del primario se puede conectar con la tierra. El neutro del primario se mantiene estable por el secundario en triangulo. Es estable con respecto a cargas desequilibradas, debido a que la delta redistribuye cualquier desequilibrio que se presente.
Desventajas.
Esta conexión tiene como desventaja que el voltaje secundario se desplaza en o retraso 30 con respecto al voltaje primario del transformador, lo cual ocasiona problemas en los secundarios si se desea conectar en paralelo con otro transformador, siendo uno de los requisitos para conectar en paralelo, que los ángulos de fase de los secundarios del transformador deben ser iguales. No se puede disponer de un neutro en el secundario para conectar con la tierra o para una distribución de cuatro cables, a menos que se disponga de un aparato auxiliar. Un defecto en una fase hace que no pueda funcionar la unidad trifásica, hasta que se le repare.
3._ Conexión Estrella-Estrella. Características. En esta clase de transformadores, las tres fases de ambos bobinados están conectadas
en estrella, siendo la tensión de línea √3 veces mayor que la tensión de fase. Aquí también coincide que la relación de transformación
m = VL1 / VL2 = VF1 / VF2
Ventajas.
La posibilidad de sacar un neutro, tanto en el lado de b.t como en el de A.T, y esto le permite obtener dos tensiones (230/400 V), o bien conectarlo a tierra como medida de seguridad en cierto tipo de instalaciones. Su buen funcionamiento para pequeñas potencias, ya que además de poder disponer de dos tensiones, es más económico, por aplicar una tensión a cada fase VL/√3 y por consiguiente, disminuir el número de e spiras, aunque ha de aumentar la sección de los conductores, por circular la corriente de línea IL por cada fase. El aumento de sección de conductores favorece la resistencia mecánica a los esfuerzos de cortocircuito. Si una fase en cualquier bobinado funciona defectuosa, las dos fases restantes pueden funcionar resultando una transformación monofásica, la carga que podría suministrar seria del 58% de la potencia normal trifásica.
Desventajas.
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. Los voltajes de terceros armónicos son grandes, debido a la no linealidad del circuito magnético del hierro. Los neutros negativos son muy inestables, a menos que sean sólidamente conectados a una toma a tierra. Las unidades trifásicas de polaridad opuesta no pueden funcionar en paralelo, a no ser que la conexión de las fases del primario o del secundario de un transformador se invierta.
4._ Conexión Delta-Delta. Características. 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: m = V L 1 / V L 2 = V F 1 / V F 2
Ventajas.
No tiene desplazamiento de fase
No tiene problemas con cargas desequilibradas o armónicas
Se puede quitar un transformador para mantenimiento o reparación y queda funcionando con dos transformadores pero como banco trifásico, cuando hablamos de un banco de transformadores monofásicos y seria el 58% de su 100% de trabajo (Delta abierta). Los desequilibrios motivados por las cargas en el secundario se reparten igualmente entre las fases del primario, evitando los desequilibrios de flujos magnéticos.
Desventajas.
Cuando las cargas están desequilibradas los voltajes en las fases del trafo pueden desequilibrarse bastante. Los voltajes de terceros armónicos pueden ser muy grandes. No dispone de salida de neutro, tanto en el primario como en el secundario, con la consiguiente limitación en su utilización. Cada bobinado debe soportar la tensión de red (compuesta), con el consiguiente aumento del número de espiras. No se puede suministrar energía con cuatro conductores. Cuando opera con altas tensiones de línea, los costos de diseño de las bobinas son mayores.
5._ Conexión Estrella-Zigzag (estrella rota). Características. Se consigue la conexión zigzag 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. Aunque eleva su coste con respecto a aquél. La conexión zigzag consiste en dividir cada devanado de una fase en dos partes iguales y enrolladas en sentido contrario, en dos columnas consecutivas, conectándolas en serie.
Ventajas.
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. Tiene un buen comportamiento frente a desequilibrios de carga. Para salvar el inconveniente del funcionamiento del transformador estrellaestrella para cargas muy desequilibradas y conservar sus ventajas, surgió el estrella-zigzag. Usos en: Transformadores de red, Carga en neutro = carga nominal, potencia limitada a 400 kVA.
Desventajas.
Uno de los principales problemas que tiene este método es que se hace casi imposible determinar (directamente) el grupo de un transformador cuando la relación de transformación primario / secundario es muy grande, dado que ello llevaría por razones de mayor precisión a la necesidad de realizar un dibujo de un tamaño importante.
6._ Conexión Scott (monofásica-trifásica). Características. Un transformador Scott-T es un tipo de circuito utilizado para derivar la energía eléctrica de dos fases a partir de una fuente trifásica, o viceversa. La conexión de Scott distribuye uniformemente una carga equilibrada entre las fases de la fuente. El transformador trifásico de Scott fue inventado por un ingeniero de Westinghouse, Charles F. Scott, a finales de 1890 para evitar más caro convertidor rotatorio de Thomas Edison y permitir con ello las instalaciones generadoras de dos fases para impulsar los motores trifásicos de Nikola Tesla. La conexión Scott - T es una forma de derivar, de una fuente trifásica, dos fases desfasadas 90º. En los comienzos de la transmisión de potencia alterna, fueron muy comunes los sistemas de potencia de dos y tres fases. En la actualidad los sistemas de potencia bifásicos están limitados fundamentalmente a ciertas aplicaciones de control, pero la conexión Scott - T se utiliza aún para producir la potencia necesaria para operarlas. La conexión Scott – T consta de dos transformadores monofásicos de idéntica capacidad. Uno de ellos tiene una toma en su devanado primario a 86.6 % del valor de voltaje pleno.
Ventajas.
La conexión Scott-T permite acoplar circuitos trifásicos con bifásicos y viceversa. Eran usuales cuando, en los comienzos de la transmisión con corriente alterna, había sistemas bifásicos y trifásicos de potencia. En el sistema japonés de ferrocarriles, las locomotoras se han diseñado para funcionar a 60 Hz monofásicos, de modo que sólo se requiere un cable adicional. La red de potencia es trifásica. Se emplean bancos de transformadores de Scott para suministrar dos voltajes monofásicos desde el sistema trifásico.
Desventajas.
Los motores de dos fases de potencia constante dibujar el mismo que los motores trifásicos, por lo que una carga de dos fases equilibrada se convierte en una carga trifásica equilibrada. Sin embargo, si la carga de dos fases no está equilibrado, el transformador Scott-T no puede solucionar este problema.
8._ Conexión V-v Invertida. Características. Con esta conexión se transforma potencia trifásica utilizando únicamente dos transformadores: se emplea al dañarse un transformador de un grupo delta-delta o cuando se desea satisfacer la demanda agregando un tercer transformador. Utilizada también en áreas que esperan un crecimiento de carga y se prevé para el futuro la adición de un tercer transformador para completar la conexión D-d del banco trifásico.
Ventajas.
Una de las ventajas de esta conexión, es que si uno de los transformadores se daña o se retira de servicio, los otros dos pueden continuar operando en la llamada conexión delta-abierta o V. Con esta conexión se suministra aproximadamente el 58% de la potencia que entrega un banco en conexión delta-delta cuando este se ha dañado. En la conexión delta abierta, las impedancias de los transformadores no necesitan ser iguales necesariamente, aunque esta situación es preferible cuando es necesario cerrarla delta con un tercer transformador
Desventajas.
Esta conexión puede ser más económica en el uso de materiales. Por ejemplo, ciertos autotransformadores trifásicos (como en el caso de un compensador de arranque para un motor de inducción). La pérdida de capacidad con respecto al grupo trifásico total es del 42,3%, es decir, sólo puede aprovecharse un 57,7% de la potencia que suministraría el grupo trifásico al completo. Considerando sólo los dos transformadores restantes, sólo es posible utilizar un 86,7% de la potencia nominal de los dos transformadores restantes.
9._ Transformador de potencia (TP). Características. Dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
Usos.
Los transformadores eléctricos son máquinas eléctricas estáticas que permiten modificar los valores de voltaje y corriente con el fin de que éstos tomen los valores más adecuados para el transporte y distribución de la energía eléctrica. La utilidad de los transformadores eléctricos se debe a la economía que se obtiene al efectuar el transporte de la energía eléctrica a altos voltajes. Los transformadores también se utilizan para la reducción del voltaje a niveles aceptables para uso doméstico e industrial.
10._ Transformador de corriente (TC). Características. Un transformador de corriente o “TC” es el dispositivo que nos alimenta una corriente proporcionalmente menor a la del circuito. Es de aclarar que un transformador de corriente por su aplicación se puede subdividir en transformador de medición y transformador de protección, no obstante los transformadores se diseñan para realizar ambas funciones y su corriente nominal por secundario puede ser de 1 o 5 Amperios, es decir desarrollan dos tipos de funciones, transformar la corriente y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión. El primario del transformador se conecta en serie con el circuito cuya intensidad se desea medir y el secundario se conecta en serie con las bobinas de corriente de los aparatos de medición y de protección que requieran ser energizados.
Usos.
Reduce el nivel de corriente. Aísla el sistema secundario de la red primaria. Permite la medición de la corriente, salvaguardando el sistema de medición. Transmite sobre intensidades, alimentando los sistemas de medición. Soporta las sobretensiones de la línea. Soporta las sobre intensidades de la línea. Pueden subdividirse los secundarios con distintas características ya sea para medición o protección.
11._ Conexión Hexafasica en doble estrella. Características. La primera transformación que se muestra en la estrella de seis fases. En la conexión genérica en estrella, un extremo de todas las bobinas se conectan a un devanado común, (por ello, la conexión en Y es un caso especial de la estrella) los extremos de H2 de todas las bobinas secundarias, se conectan entre sí, y también los extremos de H3, de todas las bobinas secundarias, a continuación se unen ambos conjuntos en una unión común (n), como se ve en la figura A. Los seis extremos libres se sacan con terminales, del 1 al 6, las cuales a su vez se conectan con las terminales, del 1 al 6, de la carga de 6, como se ve en la figura A; aún se los extremos libres no se conectan con la carga de 6 fases, la estrella de 6, produce un sistema verdadero de 6 fases.
Usos.
Generalmente usada en motores NEMA para la menor tensión y potencias hasta 20 HP y en motores IEC para la menor tensión y en potencias hasta 9 HP.
12._ Conexión Hexafasica en doble triangulo. Características. Los principios explicados en el articulo precedente, se aplican igualmente al caso de los transformadores de 3 a 6 fases mediante el empleo de 3 transformadores. Así en la figura 2.35 se muestran tres transformadores idénticos, cada uno de los cuales, tiene dos secundarios idénticos, pero independientes, estando uno de los
conjuntos conectado en Δ de la forma convencional y el otro en Δ invertida. Si entonces se conectan las seis bornas de los secundarios a las bornas marcadas correspondientes de un devanado anular, existirá una relación hexafásica entre las tomas de corriente del anillo.
Si los primarios se conectan en Y como se muestran en la figura 2.36 los vectores que representan la tensión en la linea de los primarios debe ser como los que aparecen , si la secuencia de fase de los secundarios ha de ser la misma que anteriormente.
13._ Conexión Trifásica –Dodecafasica. Características. La efectividad de la conversión de corriente alterna en continua mediante convertidores síncronos o rectificadores de vapor de mercurio aumenta con el incremento del número de fases en el circuito de alimentación de CC, aunque no proporcionalmente. La ganancia en el rendimiento al pasar de 6 a 12 fases es considerablemente menor que pasar de 3 a 6 fases, por lo que el empleo de doce fases se justifica solamente en grandes unidades en las que la economía debido al aumento de rendimiento compensa el mayor coste del cableado mas complicado.
14._ Conexión Hexafasica de anillo.
