Tipos Aplicaciones y Conexiones de Transformadores Trifásicos

Abstract—En el siguiente ensayo se dará a conocer algunos de los muchos tipos de transformadores trifásicos que existen en el medio clasificándolos por su aplicación, su construcción y el tipo de núcleo. De los transformadores trifásicos que se trataran a continuación se detallara potencias que manejan aplicabilidad , y algunos datos técnicos propios de cada transformador que hemos considerado importante mencionar. Por otra parte se dará a conocer los tipos de conexión comúnmente usados para este tipo de transformadores por ejemplo tenemos el delta-delta, delta-estrella, estrella-estrella, y estrella-delta por mencionar algunos.

P

ARA transformar un sistema trifásico de energía eléctrica, se puede recurrir a la utilización de tres transformadores

monofásicos uno para cada una de las fases. Sin embargo también se puede recurrir a otra opción la utilización de un solo transformador trifásico compuesto de un único núcleo magnético en el que se han dispuesto tres columnas sobre las que sitúan los arrollamientos primario y secundario de cada una de las fases.

Un único transformador funciona exactamente igual que lo harían tres transformadores monofásicos separados, siempre que el sistema trifásico sea equilibrado.

Fig1. Transformador Trifásico sobre un mismo Núcleo

Ahora si se fusionara los tres transformadores monofásicos para formar un transformador trifásico se tendrían 4 columnas pero tendríamos un pequeño inconveniente por una de ella no pasaría flujo magnético, dado que al ser el sistema equilibrado, los flujos también lo serían, siendo su suma nula, por lo que podría prescindirse de la cuarta columna compuesta por la fusión de una de las columnas de cada transformador monofásico.

Fig2. Transformador trifásico mediante 3 transformadores monofásicos

Cabe recalcar que los circuitos equivalentes del transformador trifásico, es exactamente igual al del monofásico en donde cada columna se la considerara un transformador monofásico

independiente, debido a que todos los circuitos equivalentes que se utilizan lo son por fase así que se considerara tres circuitos iguales.

En nuestro medio existe una gran variedad de transformadores trifásicos los cuales los hemos clasificado en tres grandes grupos para explicarlos de una mejor forma y se detallan a continuación.

Los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V tanto monofásicos como trifásicos entran en el grupo de transformadores de distribución. La mayoría de estos transformadores están diseñados para ser utilizados sobre postes sin embargo también se fabrican transformadores mucho más grandes para estaciones los cuales manejan voltajes mayores a los 18KV Las aplicaciones típicas son para alimentar residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales.

Datos Técnicos:

Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se construyen en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variación de tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga. Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión.

Fig3.  Transformador Trifásico de Distribución

Se utilizan para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

Datos Técnicos:

Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV  y frecuencias de 50 y 60 Hz.

Fig4. Transformadores Herméticos de Llenado Integral

Transformador de construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza.

Datos Técnicos:

Potencia: 150 a 2000KVA

Alta Tensión: 15 o 24,2KV

Baja Tensión: 216,5/125;220/127;380/220;400/231V

Fig5. Transformador Subterráneo

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos al ocurrir cortocircuitos.

Los valores de los transformadores de corriente son:

-Carga nominal: 2.5 a 200 VA, dependiendo su función.

-Corriente nominal: 5 y 1A en su lado secundario. Se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5.

-Usualmente estos dispositivos vienen con un amperímetro adecuado con la razón de transformación de los transformadores de corriente, por ejemplo: un transformador de 600/5 está disponible con un amperímetro graduado de 0 - 600A.

Fig6. Transformadores de Corriente

El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220V a 125V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento entre el primario y el secundario. Se usa principalmente para conectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un devanado terciario en triángulo.

Fig7. Autotransformador

Pequeño transformador con núcleo toroidal.

El bobinado consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

Fig8. Transformador de núcleo envolvente

Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión.

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus perdidas.

Fig9. Transformador de grano orientado

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar los fluorescentes del backlight de ordenadores portátiles.

Los transformadores trifásicos pueden ser construidos mediante la unión de 3 transformadores monofásicos conocido como los bancos de transformadores. Este tipo de conexión seria muy útil en el caso de que se desee tener un transformador monofásico de repuesto para los casos de averías, pero la realidad es que los transformadores trifásicos resultan más económicos, es decir, un transformador trifásico es más barato que tres transformadores monofásicos. Además, esta la relación de tamaño, un único transformador trifásico siempre será más pequeño que un banco de transformadores monofásicos. Según el tipo de núcleo se mocionará los 3 siguiente transformadores.

Los devanados rodean al núcleo. Éste está constituido por láminas rectangulares o en forma de L que se ensamblan y solapan alternativamente en capas adyacentes. En este tipo de transformadores existen tres núcleos unidos por sus partes superior e inferior mediante un yugo y sobre cada núcleo se devanan el primario y el secundario de cada fase. Este dispositivo es posible porque, en todo momento, la suma de los flujos es nula.

Fig.10 Transformador trifásico de tipo núcleo.

Invirtiendo las conexiones de las bobinas centrales en el transformador trifásico acorazado, las secciones de los núcleos entre las ventanas es igual al valor que se obtendría sin invertir las conexiones, dividido por raiz de 3. El transformador trifásico es más compacto y ligero que los tres transformadores monofásicos equivalentes, pero disminuye la flexibilidad del sistema. En un auto transformador, parte del devanado es común a primario y secundario. Tan solo se transforma una parte de la potencia, yendo la restante de la carga por conducción.

Al igual que en el transformador monofásico el núcleo rodea al devanado. La diferencia de un transformador trifásico de tipo núcleo y de otro de tipo acorazado, esta en que en un transformador trifásico de tipo acorazado las tensiones están menos distorsionadas en las salidas de las fases. Lo cual hace mejor al transformador trifásico de tipo acorazado.

Fig.11 Transformador trifásico de tipo acorazado

Posee un núcleo central y cuatro ramas exteriores. Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Lla mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas.

En los sistemas polifásicos, se entiende por conexión la forma de enlazar entre sí los arrollamientos de las distintas fases. En transformadores trifásicos los arrollamientos pueden estar montados de las siguientes formas:

El convenio sobre la utilización de letras para designar abreviadamente las diferentes conexiones es el siguiente:

• Conexión en triángulo: D (en el primario) d (en el secundario)

• Conexión en estrella: Y (en el primario) y (en el secundario)

• Conexión en zigzag: Z (en el primario) z (en el secundario)

EJEMPLOS:

• Un transformador estrella - triángulo se designa Y d

• Un transformador estrella - estrella se designa Y y

• Un transformador estrella-zigzag se designa Y z

• Un transformador triángulo-estrella se designa D y

El tipo abierto (III) tiene aplicación solamente en el caso de transformadores suplementarios o adicionales. Las conexiones en estrella (Y) y en triángulo (D) son de en empleo general; la conexión en zigzag (Z) solamente se utiliza en baja tensión.

En la conexión en zigzag, cada uno de los arrollamientos está dividido en dos partes, que se bobinan entre dos columnas diferentes del transformador, con inversión de las entradas y de las salidas al pasar de una columna a otra; es decir, que se montan en posición, siguiendo un orden de permutación circular de núcleos. La fuerza electromotriz correspondiente a cada fase resulta de la composición de dos fuerzas electromotrices desfasadas entre sí en 120º.

Las conexiones utilizadas en la práctica están normalizadas en grupos de conexión. El grupo de conexión caracteriza las conexiones de los dos arrollamientos y el desfase entre las fuerzas electromotrices correspondientes a ambos arrollamientos. Cada grupo se identifica con una cifra o índice de conexión que multiplicada por 30º, da como resultado el desfase
, en retraso, que existe entre las tensiones del mismo genero (simples o compuestas) del secundario respecto al primario del transformador en cuestión.

La conexión estrella - estrella 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 esta conectado en triángulo y cerrado en cortocircuito sobre sí mismo. Las fuerzas magnetomotrices, primaria y secundaria, debidas a esta sobrecarga, se compensan en cada columna, con lo que desaparecen los flujos adicionales y, con ellos, los inconvenientes que resultaban de las cargas desequilibradas.

El devanado terciario puede utilizarse para suministrar cargas locales con la tensión más conveniente. Puede alimentar los circuitos de control y las instalaciones auxiliares en las estaciones transformadoras.

Fig12. Transformador trifásico en conexión estrella-estrella con devanado terciario

Existen cuatro formas de montaje con lo que respecta a la estrella secundaria:

• Desfase de 30º (Dy1).

• Desfase de 150º (Dy5).

• Desfase de -30º (Dy11).

• Desfase de -150º (Dy7).

De estos grupos de conexión se utilizan en 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. En el caso de cargas desequilibradas no provoca la circulación de flujos magnéticos por el aire, ya que el desequilibrio se compensa magnéticamente en las tres columnas. Como se puede disponer de neutro en el secundario, es posible aplicar este sistema de conexión a transformadores de distribución para alimentación de redes de media y baja tensión con cuatro conductores.

Fig13- Transformador trifásico en conexión triángulo-estrella y desfase de 150º

Fig14. Reparto de las corrientes en los arrollamientos de un transformador trifásico en conexión triángulo estrella, con una carga desequilibrada

Existen cuatro posibilidades de conexión:

• Desfase de 30º (Yd1).

• Desfase de 150º (Yd5).

• Desfase de -30º (Yd11).

• Desfase de -150º (Yd7).

De estos grupos de conexión, el más utilizado en la práctica es 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.

En lo que se refiere al funcionamiento con cargas desequilibradas, el desequilibrio de cargas secundarias, se transmite al primario en forma compensada para cada fase.

Fig15. Transformador trifásico en conexión estrella triángulo y desfase de 150º (grupo de conexión Yd5)

Para evitar el inconveniente de cargas desequilibradas se conecta el arrollamiento secundario en zigzag. Esta conexión consiste en hacer que la corriente circula por cada conductor activo del secundario, afecte siempre igual a dos fases primarias, estas corrientes se compensan mutuamente con las del secundario.

Designando arbitrariamente los terminales del primario y con respecto a estas designaciones el secundario ofrece cuatro posibilidades distintas de conexión, dos de ellas que proceden del neutro. Estos grupos de conexión son:

• Desfase de 30º (Yz1).

• Desfase de 150º (Yz5).

• Desfase de -30º (Yz11).

• Desfase de -150º (Yz7).

De estos grupos de conexión los más utilizados son el Yz5 y el Yz11. 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.

Fig16. Representación esquemática y diagrama vectorial de un transformador trifásico en conexión estrella zig-zag

Fig17.- Transformador trifásico en conexión estrella zig-zag y desfase de 150º (grupo de conexión Yz5)

También ahora existen cuatro posibilidades de conexión que corresponden a las siguientes condiciones.

En la práctica se emplean solamente dos grupos de conexión que corresponden, respectivamente a un desfase de 0º y a un desfase de 180º.

Cada aislamiento debe soportar la tensión total de la línea correspondiente y, si la corriente es reducida, resulta un número elevado de espiras, de pequeña sección.

Si se interrumpe un arrollamiento, el transformador puede seguir funcionando aunque a potencia reducida, con la misma tensión compuesta y con una intensidad de línea a la que permite una sola fase. 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.

Fig18. Transformador trifásico en conexión triángulo-triángulo y desfase de 0º (grupo de conexión Dd0)

Fig19. Funcionamiento de un transformador trifásico en conexión triángulo-triángulo, con un arrollamiento interrumpido

Además de las conexiones estándar de los transformadores existen otras conexiones para lograr una transformación trifásica solamente con dos trasformadores:

Algunas de las más importantes son:

• Conexión
  abierta (o V-V)

• Conexión en Y abierta -
  abierta

• Conexión Scout-T

• Conexión trifásica en T

A continuación describiremos las características más importantes de cada una de estas conexiones.

Fig20..- Conexión
abierta (o V-V)

Esta transformación puede utilizarse cuando por ejemplo en una conexión
-
de transformadores separados, una fase tiene una falla, la cual debe remitirse para ser reparada. Entonces:

Si los dos voltajes secundarios que permanecen son:

Entonces esta quiere decir que a pesar de que se remueva una fase el sistema sigue manteniendo sus características primordiales

Es usada fundamentalmente para suministrar una pequeña cantidad de potencia trifásica a una carga monofásica, como se muestra en la siguiente figura:

Fig21. Aplicación de la conexión abierta

La conexión Y abierta -
delta abierta es muy similar a la conexión delta abierta con la única variante que los voltajes primarios se derivan de dos fases y el neutro. 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 ciercito primario.

La conexión Scott-T es una forma de derivar de una fuente trifásica, dos fases desfasadas
. La aplicación fundamental es producir la potencia necesaria para cubrir cualquier necesidad.

La conexión Scott-T consta de dos transformadores trifásicos de idénticas capacidades; uno de ellos tiene una toma en su devanado primario a 86.6% del valor del voltaje pleno. Esta toma se conecta a la toma central del otro transformador; los voltajes aplicados se colocan como se muestra la siguiente figura.

Fig22. Conexión Scott

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.

Esta conexión es una pequeña variante de la conexión Scott-T para convertir potencia trifásica en potencia trifásica pero a diferente nivel de voltaje. Esta conexión se nuestra en la figura siguiente.

Como en la conexión Scott-T los voltajes en los devanados primarios están desfasados
al igual que los voltajes secundarios con la única diferencia de las dos fases se recombinan para darnos un sistema trifásico. 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 primarios como secundarios.

Fig23. Conexión trifásica en T

Puedo concluir diciendo que todas las conexiones que se realizan en los transformadores son importantes, cada uno tiene distintas ventajas y desventajas, las cuales deben ser puestas en una balanza para que al rato de elegir, optemos por la mejor opción. También debemos tener en cuenta que muchos de los transformadores junto con sus conexiones están construidos para aplicaciones específicas en alta y baja tensión por lo que no tendremos que pensar mucho al momento de elegir.

Con lo estudiado en este trabajo pudimos notar que existen conexiones se realizan solo con dos transformadores monofásicos lo cual en ciertos casos es favorable y produce algunas ventajas, las cuales hay que saber utilizarlas de la mejor manera para poder obtener un óptimo trabajo requerido.

Libros:

8