PRÁCTICA Nº. 5 POLARIDAD Y GRUPOS DE CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
OBJETIVOS: Determinar experimentalmente la polaridad de los devanados de un Transformador trifásico. Determinar el grupo de conexión al que pertenece un transformador trifásico. Determinar la manera de formar un transformador trifásico con tres transformadores monofásicos. EQUIPOS:
1 transformador trifásico 3 transformadores monofásicos 1 Autotransformador trifásico variable 1 voltímetro de corriente alterna.
PROCEDIMIENTO: Determinar la polaridad de un transformador trifásico del laboratorio de conformidad con el procedimiento investigado Realice los grupos de conexión siguientes: YY0, YY6, DY5 y DY11 y verificar si cumple con las características de voltaje en cada conexión, para la verificación se utilizará una fuente de voltaje trifásica variable. Realizar la conexión YD de un transformador trifásico a través de un banco de transformadores monofásicos, alimentar con una fuente trifásica variable y medir los voltajes entre fases, fase - neutro, tanto del primario como del secundario y establecer las relaciones de transformación correspondientes, con el fin de verificar si la polaridad y conexión es correcta.
MARCO TEORICO Para determinar la polaridad relativa en los devanados del transformador monofásico se debe:
Determinar los terminales de la bobina empleando el multímetro en la función continuidad. Asumir una polaridad aditiva en todos los devanados
Verificar la polaridad relativa La polaridad relativa se puede verificar con el siguiente procedimiento
Conectar en Y el primario y el secundario.
v V
+
+
+
+
u
U
N
n
w
W
+
+
Alimentar el transformador con la línea trifásica Medir los voltajes de línea en el secundario y observar que: Si son iguales entonces las polaridades se encuentran establecidas de manera correcta; si son diferentes la polaridad establecida no es la correcta.
Primario 1. Conectar en Y (los terminales negativos serán neutro) 2. Alimentar con corriente trifásica AC 3. Revisar los voltajes fase neutro VU-N VV-N VW-N Si son iguales (modulo), la polaridad que asumimos es correcta por lo tanto ya podemos marcar la polaridad en los terminales de bobina. Si son diferentes, existe error en la polaridad es decir la polaridad asumida no es la correcta, se debe revisar, corregir y marcar.
Secundario
1. Conectar en Y (los terminales negativos neutro) 2. Alimentar con corriente trifásica AC el primario. 3. Tomar los voltajes de línea Vu-v Vu-w Vvw Si son iguales, la polaridad es correcta por lo tanto marcamos la polaridad. Si no son iguales, existe error en la polaridad por lo que se debe revisar, corregir y marcar.
3.2.-CONEXIONES DE TRANSFORMADOR TRIFÁSICO. Un transformador trifásico consta de tres transformadores monofásicos, bien separados o combinados sobre un núcleo. Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico pueden conectarse independientemente en estrella( ð ð o en delta( ð ). Esto da lugar a cuatro conexiones posibles para un transformador trifásico.
3.2.1- CONEXIÓN ESTRELLA( Ð )- ESTRELLA( Ð ) En una conexión ð ðð, el voltaje primario de cada fase se expresa por VFP=VLP /Ö3. El voltaje de la primera fase se enlaza con el voltaje de la segunda fase por la relación de espiras del transformador. El voltaje de fase secundario se relaciona, entonces, con el voltaje de la línea en el secundario por VLS =Ö3 * VFS. Por tanto, la relación de voltaje en el transformador es VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / (Ö3 * VFS) = a Se emplea en sistemas con tensiones muy elevadas, ya que disminuye la capacidad de aislamiento. Esta conexión tiene dos serias desventajas. 1) Si las cargas en el circuito del transformador están desbalanceadas, entonces los
voltajes en las fases del transformador se desbalancearan seriamente. 2) No presenta oposición a los armónicos impares (especialmente el tercero). Debido a
esto la tensión del tercer armónico puede ser mayor que el mismo voltaje fundamental.
Ambos problemas del desbalance y el problema del tercer armónico, pueden resolverse usando alguna de las dos técnicas que se esbozan a continuación.
Conectar sólidamente a tierra el neutro primario de los transformadores. Esto permite que los componentes adicionales del tercer armónico, causen un flujo de corriente en el neutro, en lugar de causar gran aumento en los voltajes. El neutro también proporciona un recorrido de retorno a cualquier corriente desbalanceada en la carga.
Agregar un tercer embobinado (terciario) conectado en delta al grupo de transformadores. Esto permite que se origine un flujo de corriente circulatoria dentro del embobinado, permitiendo que se eliminen los componentes del tercer armónico del voltaje, en la misma forma que lo hace la conexión a tierra de los neutros.
De estas técnicas de corrección, una u otra deben usarse siempre que un transformador ð ðð se instale. En la práctica muy pocos transformadores de estos se usan pues el mismo trabajo puede hacerlo cualquier otro tipo de transformador trifásico.
3.2.2- CONEXIÓN ESTRELLA( Ð ÐÐ DELTA( ÐÐ En esta conexión el voltaje primario de línea se relaciona con el voltaje primario de fase mediante VLP =Ö3 * VFP, y el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario VLS = VFS. La relación de voltaje de cada fase es VFP / VFS = a De tal manera que la relación total entre el voltaje de línea en el lado primario del grupo y el voltaje de línea en el lado secundario del grupo es VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / VFS VLP / VLS = (Ö3 * a) La conexión ð ðð no tiene problema con los componentes del tercer armónico en sus voltajes, ya que ellos se consumen en la corriente circulatoria del lado delta(ð). Está conexión también
es más estable con relación a las cargas desbalanceadas, puesto que la delta(ð) redistribuye parcialmente cualquier desbalance que se presente. Esta disposición tiene, sin embargo, un problema. En razón de la conexión delta(ðð, el voltaje secundario se desplaza 30º con relación al voltaje primario del transformador. El hecho de que un desplazamiento de la fase haya ocurrido puede causar problemas al conectar en paralelo los secundarios de dos grupos de transformadores. Los ángulos de fase de los transformadores secundarios deben ser iguales si se supone que se van a conectar en paralelo, lo que significa que se debe poner mucha atención a la dirección de desplazamiento de 30º de la fase, que sucede en cada banco de transformadores que van a ser puestos en paralelo. En estados unidos se acostumbra hacer que el voltaje secundario atrase al primario en 30º. Aunque esto es lo reglamentario, no siempre se ha cumplido y las instalaciones más antiguas deben revisarse muy cuidadosamente antes de poner en paralelo con ellos un nuevo transformador, para asegurarse que los ángulos de fase coincidan. La conexión que se muestra en la figura hará que el voltaje secundario se atrase, si la secuencia es abc. Si la secuencia del sistema fase es acb, entonces la conexión que se ve en la figura hará que el voltaje secundario se adelante al voltaje primario en 30º . Se usa en los sistemas de transmisión de las subestaciones receptoras cuya función es reducir el voltaje. En sistemas de distribución es poco usual (no tiene neutro) se emplea en algunos ocasiones para distribución rural a 20 KV
3.2.3- CONEXIÓN DELTA( Ð )- ESTRELLA( Ð ) En una conexión ð ðð , el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario, VLP=VFP, en tanto que los voltajes secundarios se relacionan por VLS =Ö3 *VFS, por tanto la relación de voltaje línea a línea de esta conexión es VLP / VLS = VFP / (Ö3 * VFS) VLP / VLS = a /Ö3 Esta conexión tiene las mismas ventajas y el mismo desplazamiento de fase que el transformador ð ððð La conexión que se ilustra en la figura, hace que el voltaje secundario atrase el primario en 30º,tal como sucedió antes.
Se usa en los sistemas de transmisión en los que es necesario elevar tensiones de generación. En sistemas de distribución industrial, su uso es conveniente debido a que se tiene acceso a dos tensiones distintas, de fase y línea.
3.2.4.- CONEXIÓN DELTA( Ð )- DELTA( Ð ) En una conexión de estas, VLP = VFP VLS = VFS Así que la relación entre los voltajes de línea primario y secundario es VLP / VLS = VFP / VFS = a Esta conexión se utiliza frecuentemente para alimentar sistemas de alumbrado monofásicos y carga de potencia trifásica simultáneamente, presenta la ventaja de poder conectar los devanados primario y secundario sin desfasamiento, y no tiene problemas de cargas desbalanceadas o armónicas. Sin embargo, circulan altas corrientes a menos que todos los transformadores sean conectados con el mismo tap de regulación y tengan la misma razón de tensión.
DATOS OBTENIDOS EN LA PRATICA. VFA-N1 VFA-N2 VFA-N3
Yy0 Yy6
123.7 123.6 126
Vv 7.6 213.2
V UV V VW V VW
Ww 6.9 215.7
210.9 210 212
UV 213 213.4
Vw 212.5 212.9
Se observa que las distintas conexiones cumple las distintas características. EN Yy0
Vv=Ww,
Vv
EN Yy6
Vv=Ww,
Vv>UV, Vv>Vw.
Dy5 Dy11
Vv 211.2 214
Vw 211.3 201.3
Ww 214 202.5
EN Dy5
Vw=Vv,
Vw>UV, Ww>Wv.
EN Dy11
Vw=Vv,
Vw
UV 211.6 210.8
Wv 213.7 428
CUESTIONARIO: DESCRIBA EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LA POLARIDAD EN TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS. En los transformadores trifásicos la polaridad correspondiente a cada fase se puede definir y determinar del mismo modo que para los transformadores monofásicos. Como se sabe, la principal finalidad de la determinación de la polaridad de un transformador es para su conexión en paralelo con otro, para el caso de un transformador trifásico se tiene la situación ilustrada en la siguiente figura, donde se percibe fácilmente que cuando se desea conectar el transformador en paralelo con otro, esto se hace conectando las fases 1 de ambos, 2 y 3, así como se hace para los monofásicos. Pero en el caso de los trifásicos, se deben comparar las tensiones entre las fases de uno y otro transformador ,que pueden no corresponder a la misma polaridad y adicionalmente a los desfasamientos de las conexiones mismas n el caso de los transformadores trifásicos, se ha establecido una convención de manera que si se colocan observador del lado de alta tensión, el primer aislador correspondiente a una fase, a su derecha queda designado como H1 y así sucesivamente, esta convención es la aplicada en la figura anterior .Para determinar el desfasamiento, se pueden trazar los diagramas de la siguiente figura, en que Se podrán dibujar de esta manera, debido a la definición de polaridad por fase (en el caso sustractivo). Los diagramas de la figura anterior representan tensiones entre fase y neutro, a partir de éstos se construyen los diagramas de las siguientes figuras, en donde se debe considerar que por la
secuencia impuesta en la marcación H1 , H2 y H3 se está admitiéndola secuencia de fases 1, 2 y 3, esto es, que un observador parado en una determinada posición observa a los vectores con una secuencia 1, 2, 3,girando en el sentido contrario al de las manecillas de un reloj, pasando por este punto en la secuencia 1, 2, 3.Algo importante a considerar es que es y este es con frecuencia uno de los errores que se cometen en la representación de las terminales al indicar el primario con una secuencia y el secundario con otra. A partir de la figura anterior, si se coloca el vector representativo de la tensión entre las fases 1 y 2 del TS y de la correspondiente TΙ en un mismo origen, se tiene el diagrama siguiente
Aquí se verifica la hipótesis de que siendo el neutro de la estrella inaccesible, el diagrama se puede obtener en forma experimental y sólo se puede formar por la figura geométrica correspondiente a las tensiones entre fases .Como se sabe, cuando se obtienen un diagrama en delta, se puede encontrar la correspondencia entre los devanados conectados en delta o estrella. Por lo tanto, la prueba proporciona el conocimiento del defasamiento, pero no permite saber el tipo de conexión del transformador. A partir de la figura anterior, el desfasamiento angular está definido como el sentido existente entre X 1X2 y H1H2 marcado de T Ιa TS en el sentido contrario a las manecillas del reloj. Dentro de esta definición, el desfasamiento angular del transformador considerado es de 30°, en el caso de que el mismo transformador fuera aditivo por fase, el ángulo hubiera sido 210°.Las condiciones de operación anteriores son reales, como se muestra en las siguientes figuras. La superposición de los diagramas fasoriales del primario y del secundario (la superposición de los triángulos se debe al corto entre H1y X1, cuando se hace la determinación experimental del desfasamiento).En caso de que sean aditivos, se tiene que H1y H2yX1X2 estarán desfasados de 180° a 210° y así sucesivamente para otras tensiones entre fases .En cada uno de los diagramas siguientes representan particularidades, por ejemplo en (A) se tienen X3H2yX2H3 iguales (simetría de la figura) y para (B) X 2H3=X3H3, es decir, al menos una condición siendo cierta para uno no lo es para el otro grupo.
PRESENTE LOS DIAGRAMAS FASORIALES DE LAS CONEXIONES DE LOS GRUPOS ENSAYADOS CON LOS VALORES DEL VOLTAJE CONEXIÓN YY0 MEDIDAS U-v
8.79 V
V-v
8.63 V
W-w
7V
U-V
201 V
U-W
203 V
V-W
204 V
u-v
202 V
u-w
204 V
v-w
204 V
CONEXIÓN YY6 MEDIDAS V-u
110 V
V-v
222 V
U-V
205 V
U-W
204 V
V-W
208 V
u-v
203 V
u-w
205 V
v-w
201 V
CONEXIÓN DY11 MEDIDAS V-u
279.5 V
V-v
101.6 V
U-u
102 V
V-v
101 V
W-w
131 V
u-v
345 V
u-w
348 V
v-w
342 V
CONEXIÓN DY5 MEDIDAS V-u
114 V
V-v
293 V
U-u
298.1 V
V-v
293 V
W-w
295 V
u-v
345 V
u-w
344 V
v-w
349 V
¿CUÁLES DEBEN SER LAS CONDICIONES NECESARIAS QUE SE DEBE CUMPLIR PARA CONECTAR DOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS EN PARALELO?
Cuando se desea alimentar una carga que excede o puede exceder la capacidad de un transformador existente, entonces se puede conectar un segundo transformador en paralelo, esto puede ocurrir con transformadores monofásicos o trifásicos .Los requerimientos esenciales para una correcta operación en paralelo de dos o más transformadores son los siguientes: 1. La polaridad debe ser la misma. 2. La relación de transformación debe ser igual. 3. La impedancia porcentual (en porcentaje) debe ser la misma. 4. La rotación de fases (desfasamiento) debe ser igual. 5. Los diagramas vectoriales y los desfasamientos deben ser los mismos .El concepto general de operación en paralelo de los transformadores se muestra en la siguiente figura, que generaliza casos de transformadores monofásicos y trifásicos. Una condición deseable también para la conexión en paralelo de transformadores, es que en los transformadores que tienen distinta potencia en KVA, la impedancia equivalente debe ser inversamente proporcional al valor de la capacidad individual en KVA, para prevenir de esta manera la presencia de corrientes circulantes. ESTABLECER LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS ENTRE UN TRANSFORMADOR TRIFÁSICO Y UN BANCO DE TRES TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS.
El transformador trifásico presenta un desfase pequeño entre una de las dos fases debido a su distribución geométrica lo cual no ocurre con un banco de tres transformadores ya que cada uno conserva su flujo normar
El transformador trifásico resulta ser más económico, puesto que se trata de una sola estructura, mientras que realizando una conexión de transformadores monofásicos se tendría que hacer una inversión mucho más grande, debido a que cada bobinado presenta su propio acorazado particular, lo cual implica mayor material, por lo cual el transformador trifásico resulta ser mucho más conveniente en este aspecto. 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. Es decir, resulta más sencillo cambiar un solo transformador monofásico en lugar de cambiar un trifásico completamente (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.).
Las perdidas en el transformador trifásico son menores debido a que el flujo es cerrado dentro del sistema trifásico y la pérdida depende de la distancia del núcleo que es menor gracias al recorte de ángulo de flujo
SI USTED NECESITA ABASTECER UNA CARGA DE 225 KVA A UNA INDUSTRIA IMPORTANTE COMO ABASTECE ESA CARGA:
* UN TRANSFORMADOR TRIFÁSICO DE 225 KVA * TRES TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS DE 75 KVA * UN AUTOTRANSFORMADOR TRIFÁSICO DE 225 KVA Si se usa un transformador trifásico las pérdidas son menores y el volumen del transformador es menor por lo que la lubricación y aislamiento se hace en un solo acorazado mientras que si usamos tres transformadores trifásicos estos necesitan un acorazado para cada uno y un sistema de conexión con mayores consideraciones de protección de arco con sus carcasas por lo que se necesita un análisis detallado y muchas veces presenta muchas dificultades de instalación y las pérdidas son mayores ya que estos transformadores pierden potencia tres veces por ciclo Si usamos un transformador trifásico al conectarse a la carga si existiese una sobrecarga en una de las fases esto lo sentiría todo el sistema consumiendo 3 veces menos corriente en el primario ya que las tres bobinas primarias tratan de suplir el contraflujo generado en el secundario , mientras que si usamos tres transformadores monofásicos si una de las fases falla toda la potencia la suple un solo transformador por lo que este se quemara o reducirá su vida útil más rápido que en el caso de un transformador trifásico con la misma falla Si usamos un autotransformador el costo será mucho menor pero dado que el primario esta eléctricamente conectado si se llegase a quemar el bobinado secundario arrastraría al bobinado primario y la reparación seria mucho más costoso y difícil ya que hay que desmontar tanto el devanado primario como el secundario CONCLUSIONES 1) Un transformador trifásico puede conectarse en estrella en triangulo y en z y las combinaciones tanto del bobinado primario como del secundario y la inversión en la polaridad de los bobinados genera conexiones cuyo ángulo rotado presenta características de polarización que se aprovechan para el acoplamiento de sistemas de distribución con transformadores 2) La conexión de los transformadores trifásicos depende de el ángulo de giro en pasos de 30º,por ejemplo si el ángulo rotado es de unos 180º el índice de polarización será de 6 3) El factor de transformación dependerá de la conexión tanto del primario como del secundario ,de tal forma que si las bobinas primarias son de 220V y se conectan en delta y el bobinado secundario tiene bobinas de 220 y se conecta en estrella la relación de transformación será de 1 a √ 4) la principal finalidad de la determinación de la polaridad de un transformador es para su conexión en paralelo con otro y la interconexión entre transformadores
5) cuando un transformador se conecta en estrella triangulo existe un desfasamiento natural entres lo bobinados de 30º
6) En la conexión en Y, se conecta el neutro a tierra para evitar un desbalance de voltajes además del efecto de las terceras armónicas. 7) Antes de cerrar la conexión delta es necesario verificar que el voltaje sea aproximadamente cero, caso contrario no se puede cerrar la conexión delta. 8) El número que acompaña al tipo de conexión indica cuantas veces se encuentra desfasado 30 grados el secundario respecto al primario. 9)
Para poder asegurar que el transformador se encuentra en una determinada conexión primero se debe verificar que cumpla todas las condiciones, caso contrario no se puede asegurar nada.
10) De forma general existen cuatro grupos de conexiones, es importante conocer
la conexión exacta del transformador para su utilización. RECOMENDACIONES 1) Cuando se conecte un transformador en delta por el lado del secundario se debe verificar que no exista voltaje entre los terminales de la conexión del delta abierto ya que es común que la polaridad al secundario este invertida en una de los bobinados y por el circule un voltaje elevado y puede producirse un corto circuito de magnitud considerable
2) Tener presente los datos de placa del transformador para tener una idea previa de los valore que se espera encontrar. 3) Ir vestido de una manera adecuada para evitar accidentes en el laboratorio. 4) Poner atención a las instrucciones del profesor para evitar cualquier daño tanto a personas como a equipos. 5) Poner especial atención al momento de determinar la polaridad relativa del transformador trifásico de un solo cuerpo ya que en caso de existir falla, se deberá revisar todo nuevamente para encontrar el error. 6) Reemplazar el transformador por uno en buenas condiciones. BIBLIOGRAFIA
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http://www.ruelsa.com/cime/boletin/2005/bt10.pdf
Apuntes de clase. http://www.nichese.com/trans-banco.html http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:XgEvGg6Q5VAJ:prof
esormolina2.iespana.es/electronica/componentes/bobinas_trafos/trafos_trif.h tm+banco+de+transformadores+trifasicos&cd=4&hl=es&ct=clnk&gl=ec
