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Grupo de conexiones de transformadores trifásicos (página 2)




Enviado por ADRIAN CRIOLLO RIOS



Partes: 1, 2

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Fig 3 Transformador rural, muy común en
nuestras ciudadelas

Según el sistema de
refrigeración "El calor
producido por las pérdidas se transmite a través de
un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien
líquido. La transmisión de calor se hace por un
medio en forma más o menos eficiente, dependiendo de los
siguientes valores:"4

La masa volumétrica.

El coeficiente de dilatación
térmica.

La viscosidad.

El calor especificó.

La conductividad térmica.

Según estos valores tenemos
refrigeración tipo:

  • TIPO OA

Sumergido en aceite, con
enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más
comúnmente usado y el que frecuentemente resulta el
más económico y adaptable a la generalidad de las
aplicaciones.

  • Transformadores Secos Encapsulados en Resina
    Epoxi

[4]Su principal característica es que son refrigerados
en aire con aislación clase F,
utilizándose resina epoxi como medio de protección
de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento
posterior a la instalación. Se fabrican en potencias
normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de
13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

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Fig 4 Transformador con refrigeración en
resina epoxi

  • TIPO OA/FA

[4]Sumergido en aceite con enfriamiento propio y con
enfriamiento de aire forzado.

Este tipo de transformadores
es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado
ventiladores para aumentar la disipación del calor en las
superficies de enfriamiento y por lo tanto, aumentar los KVA de
salida.

  • TIPO FOA

[4]Sumergidos en aceite, con enfriamiento por aceite forzado
con enfriadores de aire forzado.

El aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlo
pasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite
colocados fuera del tanque. Su diseño
está destinado a usarse únicamente con los
ventiladores y las bombas de aceite
trabajando continuamente.

  • TIPO OW

[4]Sumergidos en aceite, con enfriamiento por agua. Este
tipo de transformador está equipado con un cambiador de
calor tubular colocado fuera del tanque, el agua de
enfriamiento circula en el interior de los tubos y se drena por
gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite fluye,
estando en contacto con la superficie exterior de los tubos.

  • Transformadores Herméticos de Llenado Integral

Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía
eléctrica en media tensión, siendo muy
útiles en lugares donde los espacios son reducidos.

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.

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Fig 5 Transformador hermético de llenado
integral

Según el diseño de su
núcleo:

  • Tipo núcleo: tipo acorazado

[6]Puede considerarse como tres transformadores
monofásicos de tipo acorazado, colocados uno junto a otro,
tal como se muestra en la
Figura 1 a). La única diferencia entre esta
disposición y la de la Figura2 b), que corresponde a un
transformador trifásico, es que las láminas del
núcleo de este último están entrelazadas, es
decir, las tres partes del núcleo no están
separadas. Esto hace que los flujos en el núcleo,
correspondientes a fases diferentes, se superpongan en las partes
indicadas por D-E-F y G.

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Fig 6 Acorazado: Con tres transformadores
monofásicos

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Fig 7 Acorazado: Trifásico con un solo
núcleo

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Fig 8 Diagrama
fasorial para tensiones de Fase Equilibrada.

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Fig 9 Sentidos positivos de los flujos para
devanados conectados simétricamente.

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Fig 10 Sentidos positivos de los flujos cuando
se invierten las conexiones de la fase central.

  • Transformadores auto protegidos

[5]El transformador incorpora elementos para protección
del sistema de distribución contra sobrecargas y
cortocircuitos en la red secundaria y fallas
internas en el transformador, conteniendo en su interior fusibles
de alta tensión y interruptor de baja tensión.

Potencia: 45 a 150KVA

Alta Tensión: 15 o 24,2KV

Baja Tensión: 380/220 o 220/127V

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Fig 11 Transformador auto protegido

Según los devanados o bobinados:

[6]Hay dos formas típicas de bobinados para
transformadores los cilíndricos y planos. Los
núcleos, con su forma, son los que determinan la
elección de uno u otro tipo, salvo que se requieran
propiedades especiales, como ser baja capacidad distribuida, para
uso en telecomunicaciones u otros.

  • Bobinado cilíndrico

Este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es
del tipo núcleo.

  • Bobinado cilíndrico

Este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es
del tipo acorazado.

Los dos bobinados primario y secundario, rara vez se apartan
en dos simples grupos de
espiras, encimándolas; generalmente se apartan en dos
partes o más envueltas uno encima del otro,

Para colocar entre capas, son: papel barnizado, fibra,
micanita, cinta impregnada, algodón
impregnado, etc., para transformadores con bobinados al aire, y
para los sumergidos en baños de aceite, se utilizan los
mismos materiales sin
impregnarse; debe evitarse el uso del caucho en los
transformadores en baño de aceite, pues este lo ataca, y
tiene efectos nocivos también sobre la micanita y aun
sobre los barnices.

Grupos de
conexiones

GENERADORES:

[3]Los generadores constan esencialmente de tres devanados
(fases) , o sea disponen de 6 bornes , dos por cada fase, y las
bornes activas de salida se denominan U , V, W, y van conectados
a los conductores activos R, S,
T

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Fig 12 Generador Trifásicos con tres
devanados estatóricos

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Fig 13 Conexión de un alternador
trifásico

[3]Según se observa en la figura, las conexiones del
generador pueden efectuarse en estrella (mayor tensión
entre fases) , o en triangulo (menor tensión entre fases).
Cuanto mayor es la tensión en los conductores activos,
menor es la intensidad para igualdad de
potencia
transportada por la línea, y menor por tanto la
sección necesaria de los conductores.

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Fig 14 Conexión en estrella

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Fig 15 Conexión en triángulo del
generador

[3]Las tensiones normalizadas para la distribución a
los usuarios finales para aplicaciones generales, son de 220V
y 380V
. (la tensión de 125 V está a extinguir)
Ambas dos tensiones, se pueden transportar utilizando las 3 fases
y el neutro, conectando el generador en estrella.

Secuencia de
fase

[2]La secuencia de fase de un sistema polifásico
trifásico es el orden en el que los voltajes de las fases
individuales llegan a su pico .Se dice que el sistema de potencia
trifásico .A si entonces decimos que el sistema
trifásico siguiente tiene secuencia de fase abc :

También se puede conectar las tres fases de un sistema
de potencia de tal manera que los voltajes en las fases lleguen a
su pico en el orden a , c , b

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Fig 16 Secuencia acb(izquierdo),secuencia abc
(derecho)

A la secuencia de fase a,b,c también otros autores los
llaman secuencia positiva mientras que a la secuencia a, c ,b le
llaman secuencia negativa .

CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFASICOS

[2]Un transformador trifásico consta de tres
transformadores , ya sea separados o combinados sobre un solo
núcleo. Los primarios y secundarios de cualquier
transformador trifásico se pueden conectar independiente
en ye en ye (Y) o en delta ()esto nos da un total de cuatro
conexiones posibles para el banco de
transformadores trifásicos.

1.-YE –ye (Y-Y)

2.-Ye-delta(Y-)

3.-Delta-ye(-Y)

4.-Delta-delta()

  • Conexión YE -YE:

[2]La conexión Y-Y de transformadores
trifásicos se muestra a continuación .En esta
conexión , el voltaje del primario en cada fase del
transformador esta dado por :

La conexión Y-Y tiene dos problemas
graves:

1.-Silas cargas en el circuito del transformador no
están equilibradas , entonces los voltajes en las fases
del transformador pueden llegar a desequilibrarse severamente

2.- Los voltajes de terceras armónicas pueden ser
grandes.

Fig 17 Conexión YE-YE

Los dos problemas mencionados con anterioridad se pueden
solucionar como sigue:

a) Conectando sólidamente a tierra los
neutros del los transformadores.

b) Añadir un tercer devanado terciario conectando en al
banco de transformadores.

  • Conexión Ye- DELTA:

[2]En esta conexión, el voltaje de
línea del primario está relacionado con el voltaje
de fase del primario por:

Entonces se llega a determinar que el voltaje de
línea tanto para el primario como para el secundario es
de:

Esta conexión es más estable con respecto a las
caras desequilibradas , debido a que redistribuye parcialmente
cualquier desequilibrio que se presente .

El problema que presenta es que el voltaje secundario se
desplaza 30º CON RESPECTO AL VOLATE DEL PRIMARIO .El hecho
que se desplace una fase puede causar problemas en la puesta en
paralelo, lo que quiere decir que se tiene que poner atención a la dirección de los desplazamiento de fase de
30º en cada banco del transformador para ponerlos en
paralelo

Fig 18 Conexión YE-delta

Conexión Delta- Ye

[2]En una conexión Delta Ye , el voltaje
de línea primario es igual al voltaje de fase primario

Esta conexión tiene las mismas ventajas y el mismo
desplazamiento de fase que la conexión YE-delata. La
conexión que se muestra en la figura siguiente ocasiona
que el voltaje secundario este, en retraso con respecto al
voltaje primario .

Fig 19 Conexión DELTA – ye

Conexión DELTA-DELTA

[2]En una conexión Delta- delta SE TIENE
QUE el voltaje de línea del primario es igual a voltaje de
fase del primario y el voltaje de línea del secundario es
igual al voltaje de fase del secundario , por lo que los voltajes
de línea entre primario y secundario es:

Esta conexión no tiene un desplazamiento de fase
asociado y no tiene problemas con cargas desequilibradas o
armónicos.

Fig 20 Conexión DELTA – delta

Banco de
transformadores

Los bancos de
transformadores monofásicos son utilizados en sistemas
eléctricos trifásicos como sustitución de un
transformador trifásico. Por ejemplo, en el transporte a
largas distancias de la energía eléctrica.
Asimismo, el banco de transformadores monofásicos
también sirve para poder cambiar
el número de fases del sistema, es decir, un sistema
trifásico lo podemos convertir en un sistema
bifásico, de 6 fases, de doce fases, etc.Por lo que
respecta a las bobinas primarias y secundarias, las podemos
conectar de varias formas, teniendo cuatro posibles casos:
Y/Y, Y/?, ?/Y, ?/?. Es decir, podemos conectar las bobinas
primarias en estrella o en triángulo al igual que las
bobinas secundarias. Dependiendo como lo hagamos tendremos unas
características técnicas u
otras.

Deducción de algunas
conexiones:

Conexión YY0 o YY12:

[6]Según lo indicado, significa que el primario y el
secundario están en estrella y que el desfase entre ellos
es de 0º (ó 360º)

Fig 21 Conexión YY0: a) Diagrama
fasorial b) Conexión de los enrollados

Conexión ?Y5 :

Significa que el primario está conectado
en delta o triángulo y el secundario en estrella y que el
secundario atrasa al primario en 150º.

Fig 22 Conexión ?Y5 : a) Diagrama
fasorial b) Conexión de los enrollados

Conexión YZ11

[6]La conexión Z, llamada Zig-Zag, requiere que cada
fase tenga dos secundarios iguales, los que se interconectan por
pares en serie, teniendo presente que la serie esté
formada por enrollados de distinta fase. Uno de los objetivos de
esta conexión, es que las corrientes de secuencia cero,
que circulan por todas las fases con igual dirección y
sentido, que producen fuerzas magneto motrices (fmm) iguales y
opuestas en cada fase, se compensen entre si.

Fig 23 Conexión YZ11: a) Diagrama
fasorial b) Conexión de los enrollados

Determinación experimental del
desplazamiento angular de la conexión o del diagrama
fasorial.

[7]Se utiliza un método de
corriente
alterna, que permite determinar directamente el diagrama
fasorial, efectuando una serie de medidas de voltaje en los
bornes del transformador. Este consiste en lo siguiente:

[7]Se conectan juntos un borne primario con uno secundario (H1
y X1, por lo general) y se excita el transformador con un voltaje
igual o inferior al nominal y de secuencia conocida,
efectuándose medidas de tensión entre todos los
otros terminales. Con los valores
obtenidos se dibuja el diagrama fasorial a escala, lo que
permite determinar el desplazamiento angular de la
conexión. A manera de ejemplo, consideremos la Figura
siguiente, que muestra la conexión ?Y5 ya vista.

Fig 24 Diagrama fasorial obtenido para la
conexión ?Y5

En la figura se aprecia que :

Transformación trifásica
utilizando dos transformadores

Además de la conexiones
trifásicas conocidas existen la posibilidad de llevar
a cabo utilizando solo dos transformadores la
transformación trifásica. En este tema veremos las
cuatro conexiones más importante s utilizadas para con dos
transformadores :

  • 1. Conexión DELTA ABIERTA

[2]En ciertas ocasiones no puede utilizarse un banco de
transformadores completo para realizar una transformación
trifásica .Por ejemplo supóngase que un banco de
transformadores que consta de transformadores separados tiene una
fase dañada que se debe retirar para su reparación
como se ve a continuación :

Fig 12 Conexión de un transformador en
delta abierto o V-V

Este es el mismo voltaje que estaría
presente si el tercer transformador siguiera ahí. A la
fase C a veces de le denomina fase fantasma.

¿Qué potencia aparente puede
suministrar el banco con dos transformadores?

Para ello nos valdremos de la siguiente figura
que es una conexión en mención para una carga
puramente resistiva:

Fig 12 Conexión de un transformador en
delta abierto o V-V

Debido a que falta una fase , la corriente de línea de
transmisión es igual a la corriente de fase en cada
transformador y las corrientes y voltajes en el banco de
transformadores tienen un ángulo que difiere por 30º
.Ya que los ángulos de la corriente y el voltaje difieren
en cada uno de los transformadores , es necesario examinar cada
uno individualmente para determinar la potencia máxima que
pueda suministrar .Para el transformador 1 el voltaje tiene un
ángulo de 150º y la corriente de 120º , por lo
que la expresión para la potencia máxima es:

Así entonces la potencia disponible que
sale del transformador en delta abierta en solo 57.77% del
valor nominal
del banco original.

  • 2. Conexión ye abierta -delta
    abierta

[2]La conexión ye abierta delta abierta es
muy parecida a la conexión delta abierta excepto en que
los voltajes primarios se derivan de dos fases y el neutro .Se
utiliza para dar servicio a
pequeños clientes
comerciales que necesitan servicio trifásico en
áreas rurales donde no están disponibles las tres
fases .Con esta conexión un cliente puede
obtener servicio trifásico provisional hasta que la
demanda haga
necesaria la instalación de la tercera fase .

Fig 12 Diagrama cableado Y abierta Delta
abierta

Una gran desventaja es que debe fluir una
corriente de retorno muy grande por el neutro .

La conexión
Scott -T

[2]La conexión Scott T es una manera de obtener dos
fases separadas 90º a partir de un suministro de potencia
trifásica .En los comienzos de la transmisión de
potencia de ca los sistemas de potencia bifásicos y
trifásicos eran muy comunes .Puesto que por aquellas
épocas era necesariamente rutinario conectar sistemas de
potencia bifásicos con sistemas de potencia
trifásicos .Con este propósito apareció la
denominada conexión Scott T.

Hoy en día la potencia bifásica está
limitada a aplicaciones de control ,pero aun
se usa la Scott para producir la potencia necesaria para operarla
.

La conexión Scott consta de dos
transformadores monofásicos con idéntica capacidad
.Uno tiene una toma en su devanado primario a 86.5% de su voltaje
a plena carga .Están conectados como se indica:

Fig 12 Diagrama de cableado

La toma del 86.5% del transformador está
conectada a la toma central del transformador T1 . Los voltajes
aplicados al devanado primario se muestran así:

Fig 12 Voltajes de entrada
trifásicos

Y los voltajes resultantes aplicados a los
primarios de los dos transformadores se muestran en la siguiente
figura

Fig 12 Voltajes en los devanados primarios del
transformador

Debido a que estos voltajes se encuentran
desfasados 90º , ocasionan un salida bifásica :

Esta conexión también permite
convertir bifásica en trifásica , pero debido a que
hay muy pocos generadores en uso , no se hace
comúnmente

  • 3. Conexión T
    trifásica

[2]La conexión Scott-T utiliza dos transformadores para
convertir potencia trifásica en potencia bifásica
con un nivel diferente de voltaje. Mediante un sencilla
modificación de esta conexión ,los mismos dos
transformadores pueden convertir potencia trifásica en
potencia trifásica con otro nivel de voltaje .A
continuación se muestra :

Fig 12 Diagrama de cableado conexión
T

[2]En este caso, tanto el devanado primario como el secundario
del transformador T2 , TIENE UNA TOMA Al 86.66% y las tomas
están conectados a las tomas centrales de los devanados
correspondientes del transformador T1 .En esta conexión a
T1 se le llama transformador principal y a T2 transformador
de conexión en t (TEASER TRANSFORMER ).

[2]Al igual que en la Scott T, el voltaje de entrada
trifásico produce dos voltajes desfasados por 90º en
los devanados primarios de los transformadores .Estos voltajes
primarios producen voltajes secundarios que también
están desplazados en 90º. A diferencia de la Scott T
los voltajes secundarios se vuelven a combinar en una salida
trifásica.

[2]Una de las mayores ventajas de la conexión T
trifásica sobre las otras conexiones trifásicas de
dos transformadores (la delta abierta y la ye delta abierta ) es
que se pueden conectar un neutro tanto al lado primario como al
lado secundario del banco de transformadores .

Esta conexión se utiliza en la
distribución trifásicos autónomos , puestos
que sus costos de
producción son menores que los de un banco
de distribución trifásicos completos.

[2]Debido a que las partes más bajas de los devanados
del transformador de conexión en T no se usan ni en lado
primario ni en lado secundario . Se pueden quitar sin alterar los
resultados de salida.

Fig 12 Voltajes de entrada trifásica y
voltajes devanados primarios

Fig 12 Voltajes devanados secundarios y
voltajes secundarios trifásicos Resultantes

Normas
internacionales para los transformadores
trifásicos

Normas americanas: Designan los bornes como H1, H2 y H3
para el lado de alta tensión y x1, x2 y x3 para el lado de
baja tensión. En cuanto al desplazamiento angular, aceptan
sólo dos grupos de conexiones:

GRUPO 1:

Con un desplazamiento angular de cero grados, obtenido con
transformadores conectados en estrella-estrella ó
delta-delta.

Grupo2:

Con un desplazamiento angular de 30º, en que el lado de
baja tensión atrasa 30º al lado de alta. Este se
obtiene con conexiones estrella-delta ó
delta-estrella.

Esta clasificación pone en evidencia el
hecho de que sólo se acepta polaridad sustractiva.

Normas alemanas: Designan los bornes con las letras U,V
y W para el lado de alta tensión y u, v y w para el de
baja tensión. Admiten las conexiones tanto de polaridad
aditiva como sustractiva.

Ventajas y
desventajas de trafos monofásicos vs transformadores
trifásicos en bancos de transformadores

[8]Una máquina trifásica puede generar hasta un
95.5% de una máquina ideal con infinito número de
fases .

Potencia trifásica puede ser transmitida a largas
distancias con un calibre de conductor pequeño.

Las ventajas de usar un transformador trifásico en
lugar de un banco de transformadores monofásicos se han
reportado y son:

1. Reducción de costos

2. Menor masa

3. Menor necesidad de espacio

Fig 12 Masa de transformador Vs Capacidad en
KVA[8]

Fig 12 Costo monetario
Vs Capacidad en KVA[8]

Conclusiones

Los sistemas trifásicos nos ayudan a hacer
la utilización de los motores de
inducción más sencilla,
permitiéndoles arrancar sin devanados de arranque
auxiliares especiales .

En bajas capacidades los transformadores
trifásicos son más pesados.

El costo de los transformadores trifásicos siempre es
más bajo (solo el 10% en bajas capacidades pero en altas
capacidades llega a ser hasta el 25% menos en comparación
con los

Transformadores monofásicos)

Por estas razones la industria ha
preferido usar los transformadores trifásicos ya que esta
opción implica un ahorro
significativo que conlleva a minimizar los costos de
producción.

Cuando analizábamos la conexión en
delta abierto se nos vino una pregunta porque en vez de salir
como potencia 66.7% que era lo que lógicamente
tendría que salir ,sale tan solo un 57,7% .La repuesta
estaba que un transformador produce potencia reactiva que
consumía el otro . por ello el intercambio de
energía entre los dos transformadores es lo que limita la
potencia de salida .

Por ello se recalca que solo cuando se deba
suministrar una pequeña cantidad de potencia
trifásica a una carga monofásica se realiza la
conexión delta abierta.

Gracias a la conexión ye abierta y delta
abierta se puede dar servicio a pequeños clientes
comerciales que necesitan servicio trifásico en
áreas rurales donde no están disponibles las tres
fases.

Tambien se sabe ahora que los sistemas de
potencia trifásicos le sacan ventaja a los sistemas
monofásicos como por ejemplo se puede obtener más
potencia por kilogramo de metal de una maquina trifásica.
Así también otra grande ventaja que se logra ver es
que la potencia suministrada a una carga trifásica es
constante en todo momento , en lugar de oscilar como lo hace en
los sistemas monofásicos.

También ahora sabemos que en nuestro medio
técnicamente hablando la potencia bifásica se la
logra utilizar en medio de control como por ejemplo en el control
de temperatura de
quirófanos (HOSPITAL DEL RIO) en donde con la
lógica
de control y potencia bifásica el grado de error es de +-2
º centígrados.

Referencias

[1]Hay Williams, Enginnering Electromagnetism 5a
Edición
McGraw Hill, Nueva York

[2]Stephen Chapman, Maquinas Electricas,4
edición, Mac Graw Hill ,México

[3]JESUS FRAILE MORA; Máquinas
Eléctricas;5 Edición , Mac Graw Hill
,México

[4]Alexander, Charles K Fundamentos de Circuitos
Electricos,3a edición Mc Graw Hill

[5]H.HUSBCHER, Electrotecnia Curso Elemental
,2ª edición

LINKS:

[6]www.inele.ufro/apuntes.com

 

 

Autor:

Tema: transformadores trifásicos

[7]www.electronicaelemental.com

Partes: 1, 2
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