Transformador Trifásico

Resumen

En el presente documento se desarrollara
una breve explicación acerca de los diferentes
parámetros que involucran a un transformador
trifásico, a más de sus diversos tipos de
conexión, aislantes, ventajas y desventajas de los mismos,
formas de construcción y pérdidas que se producen
en un transformador eléctrico, es decir todas las posibles
causas que producen perdidas y que afectan el rendimiento de la
máquina, a más de tratar de explicar cómo
disminuir al máximo dichas perdidas.

Palabras
Clave—Transformador

I.
INTRODUCCIÓN

Los transformadores trifásicos son
utilizados para el suministro o el transporte de energía a
grandes distancias de sistemas de potencias eléctricas. Lo
que normalmente conocemos como la distribución
eléctrica, pero a grandes distancias.

Los principales sistemas de
generación y distribución de potencia en el mundo
son sistemas trifásicos de corriente alterna (ca), debido
a las grandes ventajas que presentan.

Los transformadores son una parte principal
en sistemas trifásicos de ca. Por lo que para su
utilización en estos sistemas, se pueden considerar dos
configuraciones, la primera consiste en tomar tres
transformadores monofásicos y conectarlos en un banco
trifásico, es decir, tres transformadores por separados,
unidos mediante algún tipo de conexión, esta
configuración presenta la desventaja de ser más
caro que utilizar un solo transformador trifásico, y tiene
como ventaja que cualquier unidad del banco puede ser reemplazada
individualmente.

Figura 1.- Transformador
Trifásico

II. BANCOS 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.

De esta forma, la relación de las
tensiones de entrada y de salida no solamente dependerá de
la relación de vueltas (espiras) de las bobinas primarias
y secundarias, sino que también dependerá de
cómo estén conectadas las bobinas primarias y las
bobinas secundarias

Figura 2.- Banco de transformadores
monofásicos

III. GRUPOS DE
CONEXIÓN

Para relacionar las tensiones y las
corrientes primarias con las secundarias, no basta en los
sistemas trifásicos con la relación de
transformación, sino que se debe indicar los desfases
relativos entre las tensiones de una misma fase entre el lado de
Alta Tensión y el de Baja Tensión.

Una manera de establecer estos desfases
consiste en construir los diagramas fasoriales de tensiones y
corrientes, conociendo: la conexión en baja y alta
tensión (estrella, triángulo o zigzag), las
polaridades de los enrollados en un mismo circuito
magnético o fase, y las designaciones de los
bornes.

Lo que se presentará a
continuación son todos los tipos de conexiones para
transformadores trifásicos: Delta-delta, delta-estrella,
estrella-delta, estrella estrella; también se
mostrará mediante gráficas el cambio que sufren los
valores De corriente y voltaje a lo largo de las líneas y
fases del circuito.

A. Conexión delta-
delta

Se utiliza esta conexión cuando se
desean mínimas interferencias en el sistema.

Además, si se tiene cargas
desequilibradas, se compensa dicho equilibrio, ya que las
corrientes de la carga se distribuyen uniformemente en cada uno
de los devanados.

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.

En caso de falla o reparación de la
conexión delta-delta se puede convertir en una
conexión delta abierta-delta abierta.

Figura 3.- Esquema de conexión
delta-delta

B. Conexión estrella-
delta

La conexión estrella-delta es
contraria a la conexión delta- estrella; por ejemplo en
sistema de potencia, la conexión delta- estrella se emplea
para elevar voltajes y la conexión estrella- delta para
reducirlos. En ambos casos, los devanados conectados en estrella
se conectan al circuito de más alto voltaje,
fundamentalmente por razones de aislamiento. En sistemas de
distribución esta conexión es poco usual, salvo en
algunas ocasiones para distribución a tres
hilos.

Figura 4.- Esquema de conexión
estrella-delta

C. Conexión delta-
estrella

La conexión delta-estrella, de las
más empleadas, se utiliza en los sistemas de potencia para
elevar voltajes de generación o de transmisión, en
los sistemas de distribución (a 4 hilos) para
alimentación de fuerza y alumbrado.

Figura 5.- Esquema de conexión
delta-estrella

D. Conexión estrella-
estrella

Las corrientes en los devanados en estrella
son iguales a las corrientes en la línea. Si las tensiones
entre línea y neutro están equilibradas y son
sinuosidades, el valor eficaz de las tensiones respecto al neutro
es igual al producto de 1/ 3 por el valor eficaz de las tensiones entre
línea y línea y existe un desfase de 30º entre
las tensiones de línea a línea y de línea a
neutro más próxima.

Las tensiones entre línea y
línea de los primarios y

secundarios correspondientes en un banco
estrella-estrella, están casi en concordancia de fase. Por
tanto, la conexión en estrella será particularmente
adecuada para devanados de alta tensión, en los que el
aislamiento es el problema principal, ya que para una
tensión de línea determinada las tensiones de fase
de la estrella sólo serían iguales al producto 1/
3 por las tensiones
en el triángulo.

Figura 6.- Esquema de conexión
estrella-estrella

Figura 7.- Cuadro de conexiones
normales

IV.
NÚCLEOS TRIFÁSICOS

Tenemos que resaltar que existen dos tipos
de transformadores trifásicos:

1. Transformador trifásico de
tipo núcleo:

2. Transformador trifásico de
tipo acorazado:

La diferencia de un transformador
trifásico de tipo núcleo y de otro de tipo
acorazado, está 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.

V. ACEITES
DIELÉCTRICOS

Los aceites dieléctricos se obtienen
a partir de bases nafténicas de bajo punto de fluidez,
libres de ceras y sometidas a proceso de refinación de
extracción por solventes y de tratamiento con
hidrógeno.

A. Propiedades de los aceites
dieléctricos

Buenas propiedades como aislante, las
cuales dependen en su totalidad de la ausencia de impurezas,
tales como suciedad, materias extrañas y agua pues aun en
pequeñas cantidades pueden disminuir operacionalmente la
rigidez dieléctrica. Los aceites dieléctricos son
cuidadosamente secados y filtrados, en el momento de su
envasado.

Los aceites dieléctricos poseen una
alta resistencia a la oxidación, lo que permite funcionar
por largos períodos, tanto en transformadores de potencia
y de distribución como en interruptores.

Poseen alta estabilidad química y
buenas propiedades refrigerantes debido a su baja viscosidad, lo
cual le facilita la transferencia del calor generado en el
transformador.

B. Aceites para
transformadores

El Aceite Aislante cumple múltiples
funciones en los transformadores eléctricos: mejora del
aislamiento entre componentes del Transformador,
homogenización de la temperatura interna y
refrigeración, etc.

C. Degeneración del aceite
aislante

El Aceite Aislante va degenerándose
dentro del Transformador Eléctrico durante el
funcionamiento normal del mismo. La degeneración
dependerá de muchos factores, como el tipo de
transformador, ubicación, carga y temperatura de trabajo,
etc.

La Contaminación de los Aceites
Aislantes está básicamente relacionada
con:

1. Presencia de humedad en el Aceite
(agua): medida en PPM (partes por millón). El valor
Max, según la norma IEC 296 para transformadores, no debe
superar 30 PPM, aunque algunos fabricantes pueden recomendar
máximos de 10 PPM de agua, para transformadores
eléctricos de Alta Tensión >170 KV

2. Partículas: la
fabricación de los transformadores implica la
utilización de papales y celulosa, que pueden desprender
pequeñas partes por vibración, etc. Además,
los transformadores necesitan un respirador para poder compensar
las dilataciones del aceite, siendo foco de entrada de polvo,
etc. al interior del transformador, y por lo tanto al
aceite.

3. Oxidación: Esfuerzos de
trabajo, puntos calientes, degeneración de las
partículas y suciedad y descompensaciones provocan la
generación de gases disueltos y oxidación del
Aceite Aislante del transformador.

D. Comprobación del aceite
aislante

La toma de muestras para el análisis
del Aceite Aislante desde ser realizada de forma segura y
cuidadosa, para conseguir resultados reales. Las pruebas
básicas que pueden hacerse a los Aceites Aislantes para
transformador son:

1. Test de Rigidez
Dieléctrica: Consiste en la comprobación de la
capacidad aislante del aceite del trasformador, mediante la
extracción de una muestra y el uso de un aparato
Comprobador de Rigidez Dieléctrica (conocido vulgarmente
como CHISPOMETRO).

2. Agua disuelta en el Aceite:
Medida en PPM, partes por Millón, y de efecto directo en
la pérdida de la Rigidez Dieléctrica de la
muestra.

3. Neutralización/Acidez:
Control de los niveles de ACIDO en el Aceite, como referencia del
nivel de

Oxidación del mismo.

4. Turbiedad/Color: Tanto la
presencia de Agua como de otras partículas disueltas
produce turbiedad en el Aceite Aislante.

5. Partículas Disueltas:
contaminación por todo tipo de suciedad.

6. Gases Disueltos: El
envejecimiento, junto con la degradación de las
partículas por la temperatura y posibles descargas
internas, generan diferentes gases dentro del transformador y en
el aceite. El tipo y cantidad de ellos pueden dar importante
información.

7. Tensión Superficial: Valor
Físico del Aceite, con relación con la
viscosidad.

E. Mantenimiento del aceite
aislante

Consejos para aumentar la duración
de los Aceites Aislantes en los Transformadores Aunque en algunas
ocasiones donde la degradación y contaminación del
Aceite haga más cara su regeneración que su
sustitución, vamos a dar una serie de consejos que eviten
llegar a esa situación:

? Equilibrar adecuadamente los
Transformadores logrará que el aceite cubra la totalidad
de las partes del interior de los mismos.

? Colocar filtros adecuados en los
respiradores de los Transformadores, de forma que evite la
entrada de la mayor cantidad posible de humedad, polvo y otras
partículas.

? Comprobar el cierra de tapas, pasa
cables, mirilla, etc., para evitar tanto el acceso de suciedad
como la perdida de aceite.

? Realizar pruebas, test y/o
análisis periódicos para poder tomar acciones de
mantenimiento antes de que, la excesiva degradación del
aceite lo haga irrecuperable e incluso dañe de forma grave
el interior del Transformador.

? El uso de Equipos de Purificación
y Regeneración de Aceite Aislante permite devolver las
características funcionales mínimas para continuar
usándolo. Este tratamiento debe realizarse antes de que la
contaminación del Aceite provoque depósitos en el
fondo del Transformador.

VI.
REFRIGERACIÓN DE TRANSFORMADORES

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:

-La masa volumétrica.

-El coeficiente de dilatación
térmica.

-La viscosidad.

-El calor especificó.

-La conductividad
térmica.

Los transformadores están por lo
general enfriados por aire o aceite capaz de mantener una
temperatura de operación suficiente baja y prevenir
"puntos calientes" en cualquier parte del
transformador.

El aceite se considera uno de los mejores
medios de refrigeración que tiene además buenas
propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes
funciones:

Actúa como aislante
eléctrico. Actúa como refrigerante.

Protege a los aisladores solidos contra la
humedad y el aire. La transferencia de calor en un transformador
son las siguientes:

1) Convección.

2) Radiación.

3) Conducción. CONVECCION

La transferencia de calor por
convección se puede hacer en dos formas:

a) Por convección natural. b) Por
convección forzada. CONDUCCION

Es un proceso lento por el cual se
transmite el calor a través de una sustancia por actividad
molecular. La capacidad que tiene una sustancia para conducir
calor se mide por su "conductividad térmica".

RADIACION

Es la emisión o absorción de
ondas electromagnéticas que se desplazan a la velocidad de
la luz representan en temperaturas elevadas un mecanismo de
pérdidas de calor. En el caso de los transformadores, la
transferencia de calor a través del tanque y los tubos
radiadores hacia la atmósfera es por
radiación.

El enfriamiento de los transformadores se
clasifica en los siguientes grupos:

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. En estos transformadores, el aceite aislante
circula por convección natural dentro de un tanque con
paredes lisas, corrugadas o bien previstos de enfriadores
tubulares o radiadores separables.

TIPO OA/FA

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 OA/FOA/FOA

Sumergido en aceite con enfriamiento
propio, con enfriamiento de aceite forzado-aire forzado, con
enfriamiento aceite forzado-aire forzado.

El régimen del transformador tipo
OA, sumergido en aceite puede ser aumentado por el empleo
combinado de bombas y ventiladores. En la construcción se
usan los radiadores desprendibles normales con la adición
de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas de
aceite conectados a los cabezales de los radiadores.

El aumento de capacidad se hace en dos
pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la
mitad de las bombas para lograr un aumento de 1.333 veces sobre
diseño OA; en el segundo se hace trabajar a la totalidad
de los radiadores y bombas con lo que se consigue un aumento de
1.667 veces el régimen OA.

TIPO FOA

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

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.

TIPO FOW

Sumergido en aceite, con enfriamiento de
aceite forzado con enfriadores de agua forzada.

El transformador es prácticamente
igual que el FOA, excepto que el cambiador de calor es del modelo
agua-aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por
medio de agua sin tener ventiladores.

TIPO AA

Tipo seco, con enfriamiento propio. La
característica primordial es que no contienen aceite u
otro líquido para efectuar las funciones de aislamiento y
enfriamiento, y es el aire el único medio aislante que
rodea el núcleo y las bobinas menos de 15KV y hasta 2 000
KVA.

TIPO AFA

Tipo seco, con enfriamiento por aire
forzado. Para aumentar la potencia del transformador AA, se usa
el enfriamiento con aire forzado. El diseño comprende un
ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte
inferior del transformador.

TIPO AA/AFA

Tipo sedo, con enfriamiento natural con
enfriamiento por aire forzado.

La denominación de estos
transformadores indica que tienen dos régimen, uno por
enfriamiento natural y el otro contando con la circulación
forzada por medio de ventiladores, cuyo control es
automático y opera mediante un relevador
térmico.

VII.
RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

Las tres fases de cada bobinado tanto del
primario como del secundario pueden ser conectadas entre
sí, en estrella, triángulo y zigzag, dando lugar a
diferentes clases de transformadores.

En un transformador trifásico se
conoce con el nombre de relación de transformador
compuesta al cociente que resulta de dividir los valores de las
tensiones de las líneas primarias y secundarias cuando el
transformador trabaja en vacío.

mc=V1/V2

Recibe el nombre de transformación
de un transformador el valor del cociente que resulta de dividir
los números de espiras de los bobinados primarios y
secundarios.

m=N1/N2

Transformador
triángulo-triángulo, ( Dd.)

En esta clase de transformadores, el
bobinado primario y secundario están conectados en
triángulo, resultando las tensiones de línea y de
fase iguales.

mc = V1/V2 = E1/E2 = m expresión que
indica que mc = m.

Transformador estrella-estrella, ( Yy
)

En esta clase de transformadores, las tres
fases de ambos bobinados están conectados en estrella,
siendo la tensión de línea 3 veces mayor que la
tensión de fase.

expresión que indica que mc = m
.

Transformador triángulo-
estrella, ( Dy ):

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.

expresión que se indica que la
relación mc es 3 menor que la relación m.

Transformador estrella-
triángulo, ( Yd )

En esta clase de transformadores las tres
fases del bobinado primario están conectados en estrella y
las del secundario en triángulo.

expresión que indica que la
relación de transformación mc es 3 veces mayor que la
relación de transformación m.

Transformador estrella – zig- zag, ( Yz
)

Se consigue la conexión zigzag
descomponiendo cada fase del bobinado secundario en dos mitades,
las cuales se colocan en columnas sucesivas del núcleo
magnético y arrollada en sentido inverso y conectado los
finales en estrella.

VIII.
CONCLUSIONES

Al concluir el presente ensayo se pudieron
obtener varios resultados los cuales nos han servido para tener
en cuenta varios aspectos al momento de elegir un transformador o
un tipo de conexión de acuerdo a la aplicación en
la que se vaya a utilizar el elemento, se pudo también
observar los diferentes tipos de nucleo con el que nos podemos
encontrar en el medio, a mas de conocer las diferentes
características de los aceites dieléctricos
utilizados en los trasformadores de alta potencia.

Se pudo observar que los transformadores
trifásicos presentan un grupo amplio de conexiones, las
cuales presentan sus ventajas y desventajas, con lo que es
decisión ya personal el tipo de conexión a
utilizar, a mas de saber las precauciones que se deben tener con
cada una de estas conexiones.

Todos estos conocimientos adquiridos son de
gran importancia ya que los podremos poner en practica en
algún momento y saber elegir de manera eficiente los
elementos a utilizar.

REFERENCIAS

[1] Página web:
http://avaluos1.blogspot.com/2008/01/aceites-aislantes-para-
transformadores.html

[2] Referencias bibliográficas:
MONTILLA, Alexander, "Maquinas

Eléctricas"

MORA, Jesús, "Maquinas
Eléctricas", quinta edición
A.E.FitzGerald,"Teoría y análisis de las Maquina
Eléctricas"

[3] Página web:
www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448141784.pdf

[4] Página web:
http://www.mitecnologico.com/iem/Main/TiposDeEnfriamientoEnTransforma
dores

[5] Página web:

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~41001719/electricos/2fp2/t2fp205.
html

Autor:

Andrés Francisco Murillo
Peñafiel

Carrera: Ingeniería
Electrónica

Lugar de estudio: Universidad
Politécnica Salesiana

Títulos: Bachiller Técnico en
Instalaciones, Equipos y Maquinas Eléctricas. Residencia:
Cuenca-Ecuador