UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR - DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRICA Y DE COMPUTADORAS - AREA 4 – CONVERSIÓN ELECTRO ELECTROMECÁNICA MECÁNICA DE LA ENERGÍA (Cod.2553)
GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS DE LABORATORIO
TPN° 3
Ensayo de un TRANSFORMADOR TRIFASICO 1. Objetivos Identificar bobinados y analizar el comportamiento de un transformador trifásico. Determinar el Grupo de Conexión en un transformador trifásico, partiendo simplemente de medir los respectivos voltajes sobre sus correspondientes bornes primarios y secundarios. 2. 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.
Pero en el sistema trifásico con carga uniforme el conductor neutro resulta superfluo; prescindiendo de él, habremos conseguido economía de cobre. 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°. sí 120°. La suma de estos tres flujos en el tronco común es igual a cero, lo que permite suprimirlo. El núcleo simétrico indicado en la figura no se presta a la fabricación y actualmente se lo reemplaza por el indicado en la siguiente figura.
En el caso de que el transformador trabaje en régimen desequilibrado la suma de los tres flujos no es cero, por lo que este flujo neto deberá establecerse por el aire o la carcasa del transformador.
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Las formas me comunes de realizar las conexiones de los bobinados de los arrollamientos son: estrella (con o sin neutro), en triángulo y en zig‐zag.
Las distintas conexiones se designan con letras, de acuerdo a la siguiente nomenclatura: Estrella => Y (en el lado de alta tensión); y (en el lado de baja tensión). Triángulo => D (en el lado de alta tensión); d (en el lado de baja tensión). Zig‐zag => Z (en el lado de alta tensión); z (en el lado de baja tensión).
Dependiendo de los tipos de conexión, pueden aparecer diferencias de fase entre las tensiones compuestas del primario y secundario. Se denomina grupo al desplazamiento o desfasaje entre las estrellas equivalentes del primario y secundario. En lugar de considerar el valor del desplazamiento en grados se utiliza un número que se obtiene de la siguiente relación: N° Grupo = Desplazamiento angular en grados / 30° Este número debe tenerse en cuenta para conectar en paralelo dos o más transformadores trifásicos, además de la misma relación de transformación, impedancia relativa de cortocircuito, secuencia de fase y frecuencia de diseño. Conexiones de los transformadores
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 √3 veces mayor que la tensión de fase. Aquí también coincide que la relación de transformación m = V L1 / V L2 = V F1 / V F2
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.
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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: V L1 = √ 3 V F2, mientras que el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario V L1 = V F2, por tanto la relación de voltajes de fase es: m= V F1 / V F2, por lo que la relación general entre voltajes de línea será: V L1 / V L2 = √3 V F1 /V F2 = √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. 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, V L1 = V F1, mientras que los voltajes secundarios V L2 = √ 3 V F2 Por lo tanto V L1 / V L2 = m / √ 3
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: m = V L1 / V L2 = V F1 / V F2
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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.
3.
Procedimiento Se desarrollaran a continuación el método para la determinación del grupo de un transformador trifásico (FOSTER N° 4). Para determinar el grupo de conexiones de un transformador, es necesario conocer de qué forma están conectados, tanto primario y secundario (Y‐y, Y‐d, D‐d, ó D‐y. No se considera el caso de conexiones en Z). Luego, lo que resta, es determinar el desplazamiento entre estrellas equivalentes del primario y secundario.
Para ello, se mide primero las tensiones de línea del primario y secundario a fin de poder dibujar a escala las estrellas equivalentes de tensiones. A continuación se unen los bornes primario y secundario correspondiente a una fase cualquiera (por ejemplo U‐u de la figura) y se realizan las siguientes cuatro mediciones: VV‐v
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VV‐w
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VW‐v
;
VW‐w
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Se grafica a escala la estrella equivalente de tensiones del primario identificando cada una de las fases (fig 2), luego a partir de los cuatro valores de tensiones arriba citadas (utilizando la misma escala) y haciendo centro en el extremo del fasor “W” se trazan las circunferencias correspondientes a las tensiones VV‐v y VV‐w, determinándose los lugares geométricos de v y w. El punto de intersección de un mismo lugar geométrico (por ejemplo v) determina el extremo del fasor correspondiente. Conocida la ubicación de los extremos de los fasores u – v – w se puede graficar la estrella equivalente de las tensiones del secundario y superponiéndola con la respectiva del primario se determina el desfasaje angular resultante. Es preciso aclarar que, para el caso de altas relaciones de transformación, es necesario contar con transformadores de tensión del nivel adecuado y con los bornes homólogos perfectamente identificados, para poder realizar las mediciones.
Ejemplo: VV‐v = VV‐w = VW‐w = 580 V VW‐v = 439 V
Vwv = 439 V
Vww = 580 V
W
v v U =u w
u
w
V
Yd5 Vvv = Vvw = 580 V
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. Algunos profesionales utilizan el osciloscopio con dos canales para ver los desfasajes entre las tensiones de los bobinados primarios y secundarios (previamente habiendo unido los bobinados tal como fue descrito anteriormente).
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Los pasos a seguir para realizar el laboratorio son: Experiencia 1:
Identificar las partes, pares de bobinados y bornes homólogos del transformador trifásico FOSTER Nº 4 (es recomendable tener a mano la hoja de datos provista por el fabricante).
Determinar, bajo tensión, las relaciones de transformación de cada uno de los arrollamientos y compararlas con las obtenidas de las relaciones de espiras.
Realizar la conexión de grupo elegido: en nuestro caso será Yd5.
Conectar los respectivos primarios a la red de alimentación (trifásica) verificando que la secuencia de fases sea la correcta (U‐V‐W); luego efectuar las mediciones de tensión como se describió anteriormente (tensiones VV‐v; VV‐w; VW‐v y VW‐w). Realizar la comprobación del grupo gráficamente –TRAER COMPAS‐.
Repetir para la conexión de grupo Dy11.
En ambos casos medir los valores de corrientes del bobinado primario de cada una de las fases.
Experiencia 2:
Conservando la conexión anterior del transformador trifásico conectar entre una fase y el centro de estrella del bobinado secundario una carga resistiva pura. Realizar las mediciones de tensiones y corrientes primarias y secundarias.
Repetir el punto anterior pero ahora conectando entre dos fases una carga resistiva pura.
Tener en cuenta que la corriente máxima que circule por cualquiera de los bobinados no debe superar los 3 A.
Experiencia 3:
Utilizando el transformador trifásico anterior seleccionar los bobinados primarios y secundarios correspondientes para obtener relación unidad entre ellos. Realizar las conexiones según la siguiente figura:
Conectar a cada bobina secundaria del transformador una lámpara de potencia adecuada.
Dejar abierto el devanado primario AA’; conectar un interruptor en paralelo con el devanado CC’.
Alimentar el transformador con una fuente de 220 Vac que se aplica en el devanado central BB’ y observar e interpretar que sucede.
Luego cerrar el interruptor en paralelo con el devanado CC’; observar e interpretar el fenómeno.
4. Elaboración Con las mediciones y los registros obtenidos, realizar los siguientes incisos que deberán estar incluidos en el informe: Experiencia 1: Realizar el esquema de conexiones y el diagrama fasorial del transformador en las conexiones Yd5 y Dy11. Determinar el grupo de cada conexión por el método grafico descripto. Experiencia 2: Realizar los diagramas fasoriales de las dos conexiones realizadas. Describir e interpretar los resultados. Experiencia 3: Basándose en la figura de la experiencia realizar un esquema indicando flujos magnéticos principales por bobinados, circulación de corrientes y fems inducidas en los bobinados. Describir e interpretar los resultados. Junto con las conclusiones de los puntos anteriores incluir las respuestas a las siguientes preguntas: o
¿Cuál cree que es la razón de normalizar las conexiones de transformadores trifásicos?
o
Explique en qué casos es conveniente utilizar y cuál es la aplicación de las distintas conexiones de los transformadores trifásicos.
o
En el transformador trifásico ensayado: ¿las fases tienen independencia magnética?
o
Explique por qué las corrientes que circulan por el transformador en vacío no tienen el mismo valor.
o
¿Qué función pueden cumplir los bobinados TA, TB y TC del transformador 4 conectados en triángulo?
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Transformadores Trifásicos
Grupo de conexión según VDE 0532 D: Y: d: y: #:
triángulo A.T. estrella A.T. triángulo B.T. estrella B.T. 30º de desfasaje de UL A.T. respecto de UL B.T.
INDICE DE DESFASAJE
DIAGRAMA FASORIAL
SÍMBOLO DE ACOPLAMIENTO
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SÍMBOLO DE ACOPLAMIENTO
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