EXPERIMENTO N° 05 TRANSFORMADORES MONOFASICOS EN CONEXION TRIFASICA FUNDAMENTO TEORICO 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°. 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.
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 = VL1 / VL2 = VF1 / VF2
La conexión estrella – estrella tiene dos problemas graves: ¾ 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. ¾ 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: ¾ 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.
¾
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: VL1 = √3 VF2, mientras que el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario VL1 = VF2, por tanto la relación de voltajes de fase es: m= VF1 / VF2, por lo que la relación general entre voltajes de línea será: VL1 / VL2 = √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. 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, VL1 = VF1, mientras que los voltajes secundarios VL2 = √3 VF2 Por lo tanto VL1 / VL2 = 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 = VL1 / VL2 = VF1 / VF2
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 ; VV‐w ; VW‐v ; VW‐w
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).
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
RS
rs ST
Dd0 TR RS
0 (0°)
Yy0
st tr rs
R S
T
s
t
TR
tr
RS
rs ST
Dz0
r
ST
TR
st
r s
t
st
tr t ST
Dy5
5 (150°)
Yd5
T TR
rs
tr
*
*
r
S
*
*
s
T
*
*
t
R
*
*
r
S
*
*
s
T
*
*
t
S
R
*
*
*
r
S
*
*
*
s
T
*
*
*
t
R
*
*
r
S
*
*
s
T
*
*
t
R
*
S
t S
ST
s st
r
2 N1 3 N2
1 N1 3 N2
r
T
*
*
s
R
*
*
*
t
S
*
*
*
r
rs T
*
*
*
s
tr R
N1 N2
*
rs
st
N1 N2
* *
ST
TR
Yz5
r
R
T
RS
s st
TR RS
R
tr
RS
RELACION DE TRANSFORMACION
ESQUEMA DE CONEXIONES
BAJA TENSIÓN
ALTA TENSION
t
3
N1 N2
2 N1 3 N2
INDICE DE DESFASAJE
DIAGRAMA FASORIAL
SÍMBOLO DE ACOPLAMIENTO
tr
RS ST
Dd6
st rs
TR RS
6 (180°)
Yy6
R
*
*
r
S
*
*
s
T
*
*
t
tr R S
T
ST
st
s
R
*
*
r
S
*
*
s
T
*
*
t
t r
TR
rs tr
RS ST
Dz6
st
s r
RS
r
rs
s
ST
Dy11
rs
tr
11 (330°) (-30°)
Yd11
rs
R S
T
ST tr
TR RS
Yz11
T TR
rs
R S
ST
r
* *
r
S
*
* *
s
T
*
* *
t
st R
*
*
r
S
*
*
s
T
*
*
t
tr
2 N1 3 N2
1 N1 3 N2
st R
*
*
t
S
*
*
r
T
*
*
s
st R
*
* *
t
S
*
* *
r
T
*
* *
s
s t
N1 N2
*
t TR
N1 N2
R t
TR
RS
RELACION DE TRANSFORMACION
ESQUEMA DE CONEXIONES
BAJA TENSIÓN
ALTA TENSION
3
N1 N2
2 N1 3 N2
