TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Realizamos esta investigación con la finalidad de poder entender mejor no solo el funcionamiento, sino los tipos de conexiones, además de sus devanados, formas de núcleo, etc. en los transformadores trifásicos. Sabiendo que ahora los sistemas de distribución y generación son a base de sistemas trifásicos de CA. Además repasaremos las aplicaciones de estos transformadores según sus principales conexiones y necesidades que día a día requiere el hombre.

Actualmente es muy común encontrarnos con los transformadores eléctricos, solo tenemos que mirar por nuestra ventana y saber que dia a dia estan realizando un trabajo para nosotros, como son los transformadores en los postes de energía eléctrica. Pero éste es solo un ejemplo un tanto primario, podemos encontrarlos tambien en las subestaciones y plantas generadoras de electricidad. Estas maquinas resultan impresionantes debido al trabajo que realizan y a su concepcion no muy compleja sino basados en una teoría manejable, tanto para estudiantes y profesionales, como para gente común.

Como ya es de nuestro conocimiento, las conexiones posibles en un circuito trifásico son: triángulo- estrella, triángulo-triangulo, estrella-triángulo, estrella-estrella. Sabiendo que son estos también los tipos de conexiones para transformadores trifásicos, miraremos también los cambios en corrientes, voltajes en líneas y fases.

Grafico 1. Concepción básica de un transformador trifásico

En los transformadores trifásicos, podemos utilizar tres transformadores monofásicos, cada uno con su respectivo núcleo, o lo podemos hacer con un solo núcleo común, separados cada uno en su bobinado. En este caso se han pensado varias maneras de lograrlo, con ellas se observó que con un núcleo común existen tres flujos que están recorriendo en cada instante, estos son iguales y están defasados 120 º, con esto el flujo sería nulo,

Grafico 2. Devanados con separación

Si sucedía eso, no tenia sentido tener la separación para ese flujo, ya que era nulo, por lo que se quitó aquella separación, obteniendo:

Grafico 3. Devanados sin separación

Más, lo difícil de la construcción, hizo que se opte por un transformador donde su núcleo sean tres columnas en un mismo plano. Este diseño produce asimetría en los flujos, es decir existen corrientes a vacío. Aunque con carga estas corrientes se hacen insignificantes. Y bajan a medida que aumenta el tamaño de la región en el núcleo central.

Grafico 4. Primera concepción del transformador trifásico con tres columnas.

Toda esta teoría se convierte en el esquema que presentamos a continuación:

Grafico 5. Concepción de un transformador trifásico con tres columnas.

Donde cada columna posee su parte primaria y secundaria.

Grafico 6. Explicación de los devanados sobre cada columna.

Para enrollar en las tres columnas, se puede conectar de las formas ya mencionadas anteriormente, pero ahora profundizaremos un poco más en este aspecto:

Conexión estrella:

Conexión triángulo:

Conexión en zig-zag

Como se tiene dos bobinados en una misma columna, existe un flujo común para esos dos bobinados. Suponemos que el sentido de enrollamiento es el mismo, con lo cual deberemos precisar el sentido de la fuerza electromotriz.

Como vimos anteriormente los tipos de conexión, en cada bobinado, hasta de la misma columna se pueden hacer diferentes conexiones, lo cual ocasionará un defasamiento, por lo que se ha dado un tipo de designación a este desfase, conocido como índice horario. Se basa en múltiplos de 30º, es decir, en la nomenclatura, cuando exista por ejemplo Yy6 quiere decir que se debe multiplicar 6*30 para ver el desfase entre las dos conexiones, que en este caso sería 180º.

Mas adelante explicaremos la conexión en paralelo donde es muy importante conocer los desfasamientos, ya que deben tener el mismo para evitar que se produzcan corrientes de circulación entre los transformadores.

Para manejo de fórmulas, tenemos:

Vfp= voltaje de fase al primario

Vfs= voltaje de fase al secundario

Vlp= voltaje de línea al primario

Vls= voltaje de línea al secundario

Conexión estrella-estrella Yy0

VFP / VFS = a

VLP / VLS = (* VFP) / (* VFS) = a

Aplicaciones:

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 distribución trifásica de cuatro hilos resulte siempre equilibrada y, por esta 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 monofásicos en tándem a menudo producen perturbaciones debidas a los armónicos.

Conexion estrella-estrella Yy6

VFP / VFS = a

VLP / VLS = (* VFP) / (* VFS) = a

Aplicaciones:

La conexión delta-delta 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.

Conexion triángulo-triángulo Dd0

VFP / VFS = a

VLP = VFP

VLS = VFS

VLP / VLS = VFP / VFS = a

Conexión estrella-triángulo Yd11

VFP / VFS = a

VLP / VLS = (* VFP) / VFS

VLP / VLS = (* a)

Conexión triángulo-estrella Dy11

VFP / VFS = a

VLP / VLS = VFP / ( * VFS)

VLP / VLS = a /

Conexión estrella-zigzag Yz11

VFP / VFS = m

VLP / VLS = VFP / (VFS/2)

VLP / VLS = 2 m /

Tabla de conexiones

Rendimiento:

Acoplamiento de transformadores en paralelo.

Para acoplar dos transformadores en paralelo necesitamos:

• Que sus voltajes, tanto primario como secundario, sean iguales, aceptando una variación de 0.5 %

• Que sus impedancias a plena carga sean las mismas aceptándose un 7.5% de diferencia.

• Que sus conexiones pertenezcan al mismo grupo o a grupos adaptables como hemos revisado y estudiado anteriormente

Existen especialmente dos formas de núcleo que se utilizan en los transformadores trifásicos cuando utilizamos un único núcleo.

Tipo Núcleo:

El tipo núcleo tiene tres columnas ubicadas paralelamente, unidas en sus partes inferior y superior por medio de láminas de metal dispuestas de forma horizontal.

Cada columna posee el devanado primario y secundario de la fase que le corresponde. Se encuentra un desequilibrio debido a que cada una de las fases tiene corrientes magnetizantes distintas, estas corrientes magnetizantes distintas se debidas a que el ancho de las columnas del transformador no son iguales, por lo menos la columna del centro es mas delgada que las columnas laterales.

Transformador trifásico tipo núcleo

Transformador tipo acorazado

Tipo Acorazado. Este tipo de núcleo, a comparación con el núcleo tipo columna tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, su uso es más común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central.

Dado que las tenciones en el transformador tipo acorazado presentan menos distorsiones en las salidas de las fases este trasformador es mejor que el trasformador tipo núcleo.

La diferencia entre estos es que en el de tipo acorazado las tensiones están menos distorsionadas en las salidas de las fases. Lo cual hace mejor este tipo de transformador.

Estas formas dependen mucho del nivel de voltaje al cual van a trabajar los transformadores, clasificándose en alta tensión y baja tensión, la razón principal por la que se clasifica a los devanados de esta manera es por que los criterios que se toman en cuenta al momento del diseño de los devanados en baja tensión son diferentes a los usados en el diseño de los devanados de alta tensión.

Devanados en baja tensión.

Generalmente los devanados que trabajan en baja tensión están constituidos de dos o tres capas sobrepuestas de espiras, estas espiras están aisladas entre si por papel o mas generalmente se usan cables esmaltados. Al usar cables esmaltados es muy importante tomar en consideración el desgaste de los mismos, ya que si se llega a raspar el esmalte, habría continuidad entre las capas, provocando así una falla en el transformador.

Devanados en alta tensión.

Los transformadores de alta tensión son usados principalmente en líneas de distribución en el cual ingresa 22000V al primario y se obtiene 220V al secundario, se aquí en donde se aplica la gran diferencia de los devanados en alta y baja tensión, la diferencia de potencial en este caso es muy elevado, por la cual tiene otro tratamiento y los criterios de diseño son diferentes a los usados en los transformadores de baja tensión.

Los devanados de alta tensión, tienen muchas más espiras que los devanados de baja tensión. Estos devanados se pueden encontrar comúnmente constituido de dos maneras: la primera se conoce como tipo bobina y está formado de varias capas de cable, estas bobinas tienen forma discoidal y se conectan en serie para obtener el total de espiras de una fase; la segunda forma de construcción es la de capas, que es una sola bobina con varias capas, la longitud de esta bobina es equivalente a las varias bobinas discoidales necesarias para conformar el devanado equivalente, por lo general, el número de espiras por capa en este tipo de devanado; es superior al constituido de varias bobinas discoidales.

Disposición de los devanados.

En el transformador los devanados deben estar colocados de manera que se encuentren bien aislados y que eviten en todo lo posible la dispersión del flujo. Esto se logra de mejor manera cuando existe una buena separación entre las espiras de la bobina y colocando al primario lo más cerca posible del secundario. Para alcanzar estos requerimientos tenemos estos tres tipos de disposición de devanados:

Concentrico simple

El devanado concéntrico simple, donde cada uno de los devanados está distribuido a lo largo de toda la columna del núcleo, el devanado de tensión más baja se encuentra en al parte interna, más cerca del núcleo y aislado de este, mientras que el de tensión más elevada, sobrepuesto a este pero debidamente aislados.

Tipo alternado

En el devanado tipo alternado, los dos devanados están subdivididos cada uno en cierto número de bobinas que están dispuestas en las columnas en forma alternada.

Concentrico doble

El devanado concéntrico doble, se consigue cuando el devanado de menor tensión se divide en dos mitades dispuestas respectivamente al interior y al exterior uno de otro. Esta configuración de devanado tiene la ventaja de que el valor de la reactancia de dispersión es la mitad del valor de la reactancia de dispersión que produce el concéntrico simple, mientras que el tipo alternado, en cambio, permite variar tales reactancias, repartiendo en forma distinta las posiciones de las bobinas de los dos devanados.

Para los esfuerzos mecánicos son mejor las disposiciones de tipo alternado, pues permite que el transformador soporte mejor los esfuerzos mecánicos.

Las consideraciones que se deben toma en cuenta desde el punto de vista de diseño, para la disposición de los devanados, son aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la reactancia de dispersión y a los esfuerzos mecánicos.

• Al termino de ésta investigación observamos que los transformadores son maquinas indispensables en nuestras vidas, que principalmente ayudan a la distribución eléctrica hacia hogares, oficinas y negocios. Bajando los niveles de tensión hacia nuestros hogares. Al mencionar esto tenemos que tener mucho cuidado con las conexiones que están antes de ingresar a nuestro hogares, ya que estos transformadores transforman, valga la redundancia, grandes tensiones en tensiones aplicables para nuestros hogares.

• Existen muchos tipos de conexiones, las cuales en realidad no estábamos al tanto e ignorábamos completamente. Estas conexiones tiene su razón de ser ya que tratan de aprovechar de mejor manera las cuatro principales conexiones que se tienen ya nombradas al inicio de esta investigación.

VI. Bibliografía

• Libro Fuente: “MÁQUINAS ELÉCTRICAS” de Stephen J. Chapman

• http://www.nichese.com/trans-trif.html

• http://www.tuveras.com/eltrafotrifasico/eltrafotrifasico.htm

• http://profesormolina2.iespana.es/electronica/componentes/bobinas_trafos/trafos_trif.htm.

• http://www.slideshare.net/Bibillana/transformadores-trifsicos

• “TRANSFORMADORES ELECTRICOS INDUSTRIALES”, Pedro Camarena. Segunda edición.