INDICE I.
OBJETIVOS................................................................................................... 2
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO................................................................................ 2
III. SOLUCIÓN DEL CUESTIONARIO .............................................................8 IV. RECOMENDACIONES.................................................................................. 21 V.
C O N C L U S I O N E S ..................................................................................... 22
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I.
OBJETIVOS
Analizar y evaluar el comportamiento en forma experimental de las conexiones tipo Yy y Dd de la bancada trifásica usando transformadores monofásicos.
Realizar el ensayo de circuito abierto de un banco trifásico y calcular el valor de sus parámetros respectivamente.
Determinar el circuito equivalente y verificar el reparto de carga trifásica.
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO
CONEXIONES TRIFÁSICAS. Casi todos los principales sistemas de generación y distribución del mundo actual, son sistemas trifásicos de corriente alterna. Puesto que los sistemas trifásicos juegan tan importante papel en la vida moderna, es necesario entender cómo se utilizan los transformadores en ellos. Los transformadores para circuitos trifásicos se suelen construir de dos maneras.
Una
de
éstas
consiste
simplemente
en
tomar
tres
transformadores monofásicos y conectarlos en banco trifásico. Otra alternativa es construir un transformador trifásico que consta de tres conjuntos de devanados enrollados sobre un núcleo común. Estas dos posibilidades de construir un transformador trifásico se muestran en las figuras 1.1 y 1.2.
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Figura 1.1. Banco trifásico de transformadores. Figura 1.2. transformador trifásico construido sobre un único núcleo.
CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS. Un transformador trifásico consta de tres transformadores, separados o combinados, sobre un núcleo. Los primarios y secundarios de todo transformador trifásico pueden ser conectados independientemente en ye (Y) o en delta (Δ). Esto da un total de cuatro conexiones posibles para un banco trifásico: 1. 2. 3. 4.
Ye-Ye Ye-Delta Delta-Ye Delta-Delta
(Y-y) (Y-Δ) (Δ-y) (Δ-Δ) 3
Estas conexiones se muestran en la figura 1.3. La clave para analizar un banco trifásico es mirar cada transformador del banco. Cada transformador monofásico del banco se comporta exactamente como los transformadores monofásicos. La impedancia, regulación de voltaje, eficiencia y demás cálculos similares para los transformadores trifásicas se hacen sobre una base por fase, utilizando las mismas técnicas ya
desarrolladas para los transformadores monofásicos.
Figura 1.3 conexiones posibles en los devanados de un transformador trifásico.
En esta experiencia se trataran los tipos de conexión: -
Estrella – estrella (Y-y) Delta – delta (D-d)
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Entonces haremos una introducción teórica de los dos tipos de conexión, para luego pasar a mostrarles los datos ensayados en el laboratorio, luego la resolución del cuestionario presente en la guía del laboratorio así como las observaciones y conclusiones.
CONEXIÓN ESTRELL A – ESTRELLA (Y-y) La conexión Y -y de los transformadores se muestra en la siguiente figura: En una conexión Y-y, el voltaje primario de cada fase se expresa por
V FP =V LP / √ 3 . 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
V LS = √ 3 ×V FS . Por tanto, la relación de voltaje en el
transformador es
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V LP /V LS =(√ 3× V FP )/( √ 3 ×V FS)=a Se emplea en sistemas con tensiones muy elevadas, ya que disminuye la capacidad de aislam iento. Esta conexión tiene dos serias desventajas.
Si las cargas en el circuito del transformador están desbalanceadas, entonces
los
voltajes
en
las
fases
del
transformador
se
desbalancearan seriamente.
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
proporciona
gran
aumento
un
recorrido
en de
los
voltajes.
retorno
a
El
neutro
cualquier
también corriente
desbalanceada en la carga.
Agr egar 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
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elim inen 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 Y -y se instale. En la práctica muy pocos transformadores de estos se usan pues el mismo trabajo puede hacerlo cualquier otro tipo de transformador trifásico.
CONEXIÓN DELTA – DELTA (D-d) La conexión D-D se ilustra en la siguiente figura: 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
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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 valor de regulación y tengan la misma razón de tensión.
III.
SOLUCIÓN DEL CUESTIONARIO
1. Representación tabular de las lecturas de los instrumentos obtenidas en los ensayos del laboratorio. 1.1.
Resistencia de los devanados de cada transformador.
Transformad or
Resistencia (Ω) AT
BT
1
1.30
0.60
2
1.30
0.50
3
1.10
0.50
Tabla 1.1: Resistencia de los devanados.
1.2.
Lecturas eléctricas en la prueba de cortocircuito realizada en alta tensión. Transformad or 1
Vcc(V)
Icc(A)
Pcu(W)
11.38
4.54
49.86
2
11.38
4.54
49.86
3
11.38
4.54
49.86
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Tabla 1.2: Tensión, corriente y perdidas en el cobre.
Determinando los parámetros del circuito equivalente referido a alta tensión de cada transformador:
R
Luego:
Transformador 1 2 3
Pcu Icc 2
Req (Ω) 2.4190 2.4190 2.4190
Z
Xeq (Ω) 0.6568 0.6568 0.6568
Vcc Icc
Zeq (Ω) 2.5066 2.5066 2.5066
1.3. Determinación de la polaridad y la relación de transformación de cada transformador. Transformad or 1 2
V1(V) 110.00 110.00
V2(V) 219.50 219.20
V12(V) 329.50 329.60
3
108.70
215.30
106.20
Polaridad Aditiva Aditiva Sustractiv a
a 2.00 1.99 1.98
Tabla 1.3: Tensiones medidas en baja, alta, serie, y por último la relación de transformación.
1.4.
Tensiones experimentales de fase de la bancada trifásica Dd0.
Fase
VAT(V)
VBT(V)
V12
217.70
110.40
V23
214.60
109.50
V31
220.00
108.30
Tabla 1.4: Tensiones de fase experimentales en baja y alta tensión.
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1.5. Conexión Dd0. Potencias, Corrientes de línea y de fase, tensiones de fase y, factor de potencia.
I línea I fase V fase(V) P(KW Q(KVAR) S(KVA) I12(A I23(A I31(A ) I1(A) I2(A) I3(A) V12(V) V23(V) ) ) ) 0.81 0.57 219.30 0.230 0.071 0.242 0.554 0.144 0.487 0.487 219.000 3 2 0 - Carga 1: 3 lámparas incandescentes conectadas en delta.
Fdp V31(V) 208.400 0.950
Tabla 1.5.1: Bancada trifásica en Dd0 alimentando a la carga 1.
-
CARGAS
Carga 2 y 3: Motor trifásico y, carga 1 y 3 conectadas en paralelo, respectivamente.
I línea V fase(V) P(KW Q(KVAR) S(KVA) ) I1(A) I2(A) I3(A) V12(V) V23(V)
V31(V)
2.52 2.67 2.39 199.30 202.30 195.00 5 4 7 0 0 0 Caso 1 // 2.45 2.88 2.56 197.50 200.90 193.50 0.297 0.853 0.905 Caso 2 9 3 0 0 0 0 Tabla 1.5.2: Lecturas eléctricas empleando la bancada trifásica en Dd0. Motor 3Φ 0.114
0.868
0.876
Fdp 0.110 0.320
1.6. Conexión Dd6. Potencias, Corrientes de línea, tensiones de fase y, factor de potencia.
V fase(V) Fdp P(KW Q(KVAR S(KVA I línea ) ) ) I1(A) I2(A) I3(A) V12(V) V23(V) V31(V) Caso 1 // 2.49 2.87 2.57 201.30 202.00 193.50 0.32 0.296 0.857 0.908 Caso 2 2 7 1 0 0 0 0 CARGAS
Tabla 1.6: Lecturas eléctricas empleando la bancada trifásica en Dd6.
1.7. Conexión delta abierto. Potencias, Corrientes de línea, tensiones de fase y, factor de potencia. 10
I línea P(KW Q(KVAR) S(KVA) ) I1(A) I2(A) I3(A) Caso 1 // 2.68 2.41 2.66 0.296 0.841 0.891 Caso 2 8 6 0 CARGAS
V fase(V) V12(V)
V23(V)
V31(V)
200.10 0
188.50 0
200.90 0
Fdp 0.38 0
Tabla 1.7: Lecturas eléctricas empleando la bancada trifásica en delta abierto.
1.8. Conexión Yy0. Potencias, Corrientes de línea, tensiones de fase y, factor de potencia. V fase(V) Fdp P(KW Q(KVAR S(KVA I línea ) ) ) I1(A) I2(A) I3(A) V12(V) V23(V) V31(V) Caso 1 // 2.79 2.44 2.61 201.20 196.70 196.70 0.32 0.295 0.847 0.896 Caso 2 8 8 2 0 0 0 0 CARGAS
Tabla 1.8: Lecturas eléctricas empleando la bancada trifásica en Yy0. 1.9. Conexión Yy6. Potencias, Corrientes de línea, tensiones de fase y, factor de potencia.
V fase(V) Fdp P(KW Q(KVAR S(KVA I línea ) ) ) I1(A) I2(A) I3(A) V12(V) V23(V) V31(V) Caso 1 // 2.79 2.47 2.61 198.30 196.50 200.30 0.33 0.299 0.851 0.902 Caso 2 3 4 4 0 0 0 0 Tabla 1.9: Lecturas eléctricas empleando la bancada trifásica en Yy6. CARGAS
2. Tipos de conexiones trifásicas de transformadores monofásicos.
CONEXIÓN Triangulo estrella (Dy)
APLICACIÓN De estos grupos de conexión se utilizan en 11
Estrella triangulo (Yd)
Triángulo triángulo (Dd)
Estrella estrella (Yy)
Delta abierto (V-V)
Y abierta-Delta abierto
Scott-T
T
la práctica el Dy5 y el Dy11. Este sistema de conexión es el más utilizado en los transformadores elevadores de principio de línea, es decir en los transformadores de central. Los más utilizados en la práctica son el Yd5 y el Yd11. El empleo más frecuente y eficaz de este tipo de conexión es en los transformadores reductores para centrales, estaciones transformadoras y finales de línea conectando en estrella el lado de alta tensión y en triángulo el lado de baja tensión. Se limita a transformadores de pequeña potencia para alimentación de redes de baja tensión, con corrientes de línea muy elevadas por la ausencia de neutro en ambos arrollamientos. Tiene la gran ventaja de disminuir la tensión por fase del transformador, pero presenta inconvenientes cuando las cargas no están equilibradas. Para eliminar estos inconvenientes se dispone de un arrollamiento terciario el cual está conectado en triángulo y cerrado en cortocircuito sobre sí mismo. Es usada fundamentalmente para suministrar una pequeña cantidad de potencia trifásica a una carga monofásica o trifásica. Su aplicación primordial es la de proveer de un sistema trifásico en donde solo existe la presencia de dos fases. La desventaja es este tipo de sistemas es que la corriente de retorno es muy grande y debe fluir por el neutro del circuito primario. Puesto que los voltajes están desfasados lo que se produce es un sistema bifásico. También con esta conexión es posible convertir potencia bifásica en potencia trifásica. La ventaja de esta conexión con respecto a las demás conexiones con dos transformadores es que en esta se puede conectar el neutro tanto en los devanados 12
primarios como secundarios. 3.
¿Se pueden obtener diferentes relaciones de transformación con un transformador trifásico? ¿Y con un monofásico?
La relación de transformación de fase no cambia, será siempre N1/N2. Pero como con las conexiones cambian las relaciones entre línea y fase, en un transformador trifásico podremos tener diferentes relaciones de transformación (de línea) dependiendo del tipo de conexionado.
En un transformador monofásico solo tenemos un devanado primario y un secundario, por lo que no es posible hacer combinaciones a menos que pueda trabajar como autotrafo donde encontramos las siguientes variaciones: 13
4.
¿Qué requisitos deben cumplir los transformadores monofásicos para formar la conexión trifásica?
La misma potencia nominal, que la tensión de entrada y salida sean iguales.
14
5.
Si formamos un transformador trifásico a partir de tres transformadores monofásicos iguales y lo alimentamos con un sistema trifásico equilibrado de secuencia directa, ¿obtendremos a la salida siempre un sistema equilibrado de tensiones de secuencia directa?.
Depende del tipo de carga que tenga en la salida, si tiene una carga balanceada el sistema se equilibrará pero si tiene una carga desbalanceada las corrientes varían de manera que el sistema no estará equilibrado.
6. Indique las ventajas y desventajas de los bancos monofásicos en conexión trifásica respecto a los transformadores trifásicos. VENTAJAS DEL BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS La ventaja más lógica es si una fase entra en circuito abierto, las otras dos fases siguen funcionando dando energía a la carga. La carga que ahora podría suministrar seria aproximadamente el 58% de la potencia nominal trifásica, teniendo cuidado porque estaríamos sobrecargando corrientes en los conductores. Las unidades monofásicas pueden necesitar precisar seis etapas de alta tensión y seis de baja, Este tipo de conexión sería muy útil en el caso de que se desee tener un transformador monofásico de repuesto para los casos de averías, un transformador trifásico sólo requiere tres de cada clase, realizándose las conexiones entre las fases en un cuadro de terminales interior. El tanque único de mayor tamaño de un transformador trifásico puede costar menos que en los tres tanques menores de un banco de unidades monofásicas. Sin embargo, la unidad trifásica puede necesitar radiadores u otros medios de refrigeración más caros. El resultado de estos ahorros de material es que, en tamaños para trasformadores de potencia un transformador trifásico suele costar y pesar menos que un banco de 15
transformadores de características análogas. No obstante, deberán observarse ciertas excepciones a esta aseveración. En tamaños pequeños (es decir, para potencias nominales del banco inferiores a 300 kVA, ósea 100 kVA por fase) y para tensiones normales de los circuitos de distribución, se tiene una demanda mucho mayor de transformadores monofásicos que de unidades trifásicas; en consecuencia, el costo de fabricación inferior resultante de una producción en cantidad de unidades monofásicas compensa el costo probablemente mayor de los materiales. Para estas potencias nominales, pues, no existe una diferencia sustancial entre los costos de un transformador trifásico y de un banco de transformadores monofásicos. Además, en tamaños pequeños, la unidad trifásica puede contener en realidad más material y peso que tres unidades monofásicas de igual potencia nominal del banco, especialmente cuando para las unidades monofásicas se emplea el diseño de núcleo arrollado. DESVENTAJAS DEL BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS Un banco de transformadores monofásicos suele costar más que un transformador trifásico. Suele pesar más que un transformador trifásico. Ocupa más espacio (es de mayor tamaño que el transformador trifásico). Hay que manejar y conectar tres unidades. .
7. ¿En qué casos es conveniente usar la conexión Yy y Dd? Conexión Yy: Los transformadores conectados de estrella – estrella encuentran su mayor aplicación como unidades de núcleo trifásico para suministrar una potencia relativamente pequeña. En la práctica, es generalmente difícil conseguir que una carga de iluminación por
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distribución trifásica de cuatro hilos resulte siempre equilibrada y por esa razón esta conexión no es apropiada para tales cargas. Para la distribución de fuerza; esta conexión es completamente apropiada desde el punto de vista de su funcionamiento, con tal que se empleen transformadores de núcleo trifásico, pues los transformadores tipo de concha y monofásico en tándem a menudo producen perturbaciones debidas a los armónicos. Con este tipo de conexión se tienen dos neutros, uno en las bobinas primarias y otro en las bobinas secundarias. El problema surge cuando no se conectan estos neutros a la masa o tierra, porque las señales u ondas sinusoidales salen por el secundario distorsionadas. Solamente no es necesario conectar los neutros a tierra cuando el sistema trifásico está muy equilibrado. Asimismo, debemos indicar que no hay un desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada y las tensiones de salida. Conexión Dd: La conexión Dd de transformadores monofásicos se usa generalmente en sistemas cuyos voltajes no son muy elevados especialmente en aquellos en que se debe mantener la continuidad de unos sistemas. Esta conexión se emplea tanto para elevar la tensión como para reducirla. Este tipo de conexión tiene la desventaja de no disponer de ningún neutro, ni en el primario ni en el secundario. Otra desventaja es el aislamiento eléctrico que resulta más crítico que otro de conexión estrella, para las mismas especificaciones técnicas. 8. ¿Qué diferencias relevantes se encontraron al trabajar con la conexión yy0 y yy6? Las formas de conexiones fueron diferentes, se realizaron como se muestra en las siguientes gráficas:
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Como se puede ver en las características de desfase en Yy0 no hay desfase, en Yy6 hay un desfase de 180º. Además es diferente la configuración en la polaridad.
9.
¿Qué diferencias relevantes se observaron al trabajar con la conexión dd0 y dd6?
Las formas de conexiones fueron diferentes, se realizaron como se muestra en las siguientes gráficas:
Como se puede ver en las características de desfase en Dd0 no hay desfase, en Yy6 hay un desfase de 180º. Además es diferente la configuración en la polaridad. 10. Enumere algunas normas de seguridad a tener en cuenta en ensayos de transformadores
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Transformadores de distribución (Potencia menor a 3000kVA) Medida de la resistencia Eléctrica: Se mide con corriente continua la resistencia de cada bobina y se toma registro de la temperatura del bobinado. Pérdidas y Corriente de Vacío: Se miden a la frecuencia nominal y aplicando en los bornes de baja tensión el voltaje nominal correspondiente estando los bornes de alta tensión en circuito abierto. Impedancia de Cortocircuito y Pérdidas con Carga: Se miden a la frecuencia nominal y aplicando en los bornes de alta tensión una corriente cuyo valor especifica la Norma IEC 60076-1, estando los bornes de baja tensión cortocircuitados. Relación de transformación y Polaridad: Se mide la relación de transformación en cada posición del conmutador y se comprueba el grupo de conexión. Tensión Aplicada: En esta prueba se aplica a los bornes de alta tensión cortocircuitados, el voltaje de prueba que indica la Norma IEC 60076-3 correspondiente a su voltaje nominal durante un minuto y estando los bornes de baja tensión cortocircuitados y junto al tanque, y el núcleo a tierra. De igual manera, se procede con los bornes de baja tensión. Con esta prueba se verifica el aislamiento entre las bobinas, el conmutador y los aisladores a las partes aterradas del transformador tales como el núcleo y el tanque. Tensión inducida: En esta prueba se aplica a los bornes de baja tensión un voltaje igual a dos veces su voltaje nominal y a una frecuencia de 180 Hz durante un tiempo de 40 segundos, estando los bornes de alta tensión en circuito abierto. Con esta prueba se verifica el aislamiento de las bobinas, y entre las fases de las bobinas, conmutador y aisladores a las partes aterradas del transformador.
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Igualmente y a requerimiento del cliente, se pueden efectuar ENSAYOS DE TIPO como calentamiento e impulso. Ambos tipos de pruebas se pueden realizar bajo la norma IEC/IEEE/ANSI. Ensayo de Calentamiento: En esta prueba se somete el sistema de enfriamiento de transformador a las pérdidas totales medidas con el objetivo de determinar la temperatura del aceite en la parte superior el tanque a régimen estable, y el calentamiento medio de las bobinas a su corriente nominal, con esta prueba se garantiza que el transformador puede entregar la potencia nominal especifica. Ensayos de impulso: En esta prueba se aplica sobre cada borne del transformador una onda de tensión con la forma y los valores señalados en la Norma IEC 60076-3, y estando los bornes restantes a tierra, sometiendo de esta manera al aislamiento externo e interno del transformador a una sobretensión similar a la producida una descarga atmosférica. 11. ¿En qué casos se utiliza la conexión Delta abierto? Cuando en un banco de transformadores trifásico tienes avería en una fase y se retira el transformador para reparación, los dos transformadores restantes se conectan en delta abierto siendo este nombre por el espacio que quedó al retirar el transformador dañado, esto permite que puedas utilizar parte de la potencia instalada aún cuando se haya retirado el transformador. El siguiente dibujo representa a dos transformadores monofásicos conectados entre sí en la manera denominada triángulo abierto o delta abierta.
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Esta forma de conectar dos transformadores monofásicos no es muy empleada. Solamente se utiliza cuando se nos ha estropeado un transformador, es decir, en casos de emergencia. El problema de esta conexión es que se pierde potencia en las líneas, en torno al 13.4%, por ello no se utiliza. El funcionamiento es el mismo al de una conexión Δ/Δ.
IV.
RECOMENDACIONES
Para realizar las conexiones delta-delta, en D-d 0 y en D-d 6 solo intercambie los polos de uno de los lados ya sea de alta o de baja en los tres transformadores
monofásicos. Para realizar las conexiones estrella-estrella, en Y-y 0 y en Y-y 6 solo que intercambie los polos de uno de los lados ya sea de alta o de baja en los tres
transformadores monofásicos. Verifique el giro de motor al realizar las distintas conexiones trifásicas.
V.
CONCLUSIONES
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Se obtuvo de las mediciones que los valores de los parámetros trabajados en el ensayo Yy no variaban con el cambio de desfasaje, con ello vemos que el cambio de índice horario no afecta a la potencia, al valor de la corriente, al voltaje o al
factor de potencia de la conexión El analizador nos indica que se obtiene mayor potencia en conexión Dd que con la conexión Yy.
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