Transformadores trifásicos

Resumen

En este documento daremos a conocer las diferente
maneras de conexión de los transformadores que es la
conexión estrella, triangulo, zig-zag entre otras
también daremos a conocer la construcción de los
transformadores 3F y una introducción sobre lo que son los
autotransformadores 3F en otra parte la ventaja que nos da para
los cálculos por el sistema en por unidad y una
pequeña reseña sobre los tap´s o derivaciones
que tienes los transformadores

PALABRAS CLAVES: bobina, núcleo,
trifásico, transformador, conexiones, circuitos

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. Quizás haya
oído hablar de los bancos de transformadores. Pues bien,
los bancos de transformadores consisten en tres transformadores
monofásicos conectados entre ellos para simular un
transformador trifásico.

Figura 1.Distribucion de un
Transformador trifásico en una red

Esto estaría muy bien para 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. Tanto los bancos de transformadores
monofásicos como el transformador trifásico se
pueden

Conectar de diferentes formas

En el caso del transformador trifásico, solo hay
que decir que los devanados de las bobinas están
conectados internamente y, estas conexiones pueden ser en
estrella o en triángulo.

Formas
constructivas

CONSTRUCCION

Un sistema trifásico se puede transformar
empleando 3 transformadores monofásicos. Los circuitos
magnéticos son completamente independientes, sin que se
produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos
respectivos

Fig. 2. Transformador
trifásico

Si la transformación se hace mediante un
transformador trifásico, con un núcleo
común, podemos ver que la columna central (fig. A)
está recorrida por un flujo F que, en cada instante, es la
suma de tres flujos sinusoidales, iguales y desfasados 120º.
El flujo F será pues siempre nulo. En consecuencia, se
puede suprimir la columna central (fig. B). Como esta

Disposición (fig. b) hace difícil su
construcción, los transformadores se construyen con las
tres columnas en un mismo plano (fig. C). Esta disposición
crea cierta asimetría en los flujos y por lo tanto en las
corrientes en vació. En carga la desigualdad de la
corriente es insignificante, y además se hace más
pequeña aumentando la sección de las culatas con
relación al núcleo central.

Fig. 3. Contruccion del
transformador

• 2.1 CIRCUITO ELÉCTRICO

El circuito eléctrico está compuesto por
los devanados primario y secundario. Dichos devanados se fabrican
en diferentes tipos, dependiendo de las necesidades del
diseño. Los materiales más utilizados son el cobre
y el aluminio.

Devanados en alta tensión.- Los
transformadores de alta tensión son usados especialmente
en líneas de distribución en el cual ingresa 22kV
al primario y se obtiene 220V al secundario, donde se puede
prestar atención una gran contradicción de
tensiones razón por la cual los criterios de diseño
son diferentes a los usados en los transformadores de baja
tensión.

Estos tienen muchas más espiras que los devanados
de baja tensión. Son compuesto 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 similar a
las varias bobinas discoidales precisas para transigir el
devanado equivalente, por lo normal, el número de espiras
por capa en este tipo de devanado; es principal al constituido de
varias bobinas discoidales.

Devanados en baja tensión.- Son aquellos
que trabajan en baja tensión están constituidos de
dos o tres capas sobrepuestas de espiras, estas espiras
están encerradas entre sí por papel o más
habitualmente se usan cables esmaltados.

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 difusión
del flujo. Esto se logra de mejor manera cuando existe un buen
alejamiento entre las espiras de la bobina y ubicando al primario
lo más cerca posible del secundario. Para alcanzar estos
requerimientos tenemos estos tres tipos de disposición de
devanados:

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 la parte interna, más
cerca del núcleo y aislado de este, mientras que el de
tensión más elevada, sobrepuesto a este pero
debidamente aislados.

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

El devanado concéntrico doble, es aquel
que se consigue cuando el devanado de menor tensión se
divide en dos mitades dispuestas correspondiente 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.

• 2.2 CIRCUITO MAGNÉTICO

Al circuito magnético se lo conoce también
como el núcleo. En esta parte del transformador es, en
donde se conduce el flujo magnético generado en las
bobinas, el cual concatenará magnéticamente los
circuitos eléctricos del transformador.

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 como se
ve en la figura.

Fig 4. Transformador trifásico
de tipo núcleo

Sobre cada columna se devana el conductor primario y
secundario de la fase correspondiente. Existe un desequilibrio
debido a las corrientes magnetizantes de las tres fases que son
distintas entre sí, dado a que el circuito
magnético de la columna central es corto que las columnas
laterales. Este desequilibrio tiene influencia solamente para las
condiciones de operación en vacío.

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, es el 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 desviaciones en las salidas de las
fases este trasformador es principal que el trasformador tipo
núcleo.

Fig5. Transformador trifásico
de tipo acorazado

NUCLEO A GRADAS

Un núcleo mejorado de transformador que tiene una
junta de núcleo de escalón de extremo traslapado,
junta de núcleo de transformador que comprende varias
laminaciones flexibles cortadas oblicuamente, cortadas de una red
continua arrollada generalmente en un espiral, dichas
laminaciones cortadas se re-juntan por sus extremos mediante
juntas de empalme plano luego de que las espiras se meten una
entre otra en dicho núcleo, las mencionadas varias
laminaciones se dividen en varios grupos de laminaciones, cada
uno de los cuales incluye un número predeterminado de
laminaciones, las laminaciones cortadas de cada grupo se unen
empalmadas doblando la parte de la laminación que se
extienden a partir de dicho extremo cortado, de manera que los
mencionados extremos cortados de las mencionadas laminaciones de
cada uno de los mencionados grupos quedan alineados, el corte
sesgado evita que se empalmen el alineamiento del extremo de las
laminaciones cortadas de un grupo con el extremo de las
laminaciones cortadas de otro grupo durante el ensamblaje del
mencionado núcleo luego de que las mencionadas espiras se
han metido una entre otra y del alargamiento de la vía de
flujo adyacente en las mencionadas juntas cortadas.

SISTEMA POR UNIDAD

El sistema por unidad (pu, per-unit
en inglés) de cualquier cantidad se define como
la relación entre esta cantidad y la cantidad base y se
expresa como un decimal. En la Ingeniería
Eléctrica, en el campo de los sistemas
eléctricos de potencia, se expresan las cantidades
eléctricas
(potencia, tensión, Corriente, impedancia)
como valores en por unidad.

Por ejemplo, pensemos en el tablero de una
subestación, observamos en el indicador de voltaje de
barras y tenemos un voltaje de 126 kV, este valor
adquiriría un significado adicional si establecemos como
base un voltaje nominal de 120 kV entonces sabríamos que
tenemos un sobre voltaje ya que el valor de 126 kV equivale a un
1.05 pu del valor nominal base de 120 kV.

Ventajas y
consideraciones de los cálculos en por unidad

La ventaja de los cálculos en el
sistema por unidad solo se aprecia en la práctica, al
simplificar el trabajo en gran medida.

Una de la ventajas principales de utilizar
cálculos en por unidad en el análisis de sistemas
eléctricos de potencia es que cuando se especifican
apropiadamente las bases para las diferentes partes del sistema,
los valores en por unidad de las impedancias en donde se
encuentran, son iguales a aquellos vistos desde la otra parte.
Por lo que solo es necesario calcular cada impedancia sobre la
base en donde se encuentra

Para otras partes del sistema, es decir para otros lados
del transformador, se determinan los kilovoltios base de cada
parte de acuerdo con las relaciones de voltaje línea a
línea de los transformadores. Los kilo amperes base
serán los mismos en todo el sistema.

Generalmente la información disponible sobre la
impedancia de los transformadores trifásicos está
disponible en por unidad o en por ciento sobre la base de sus
valores nominales.

Para tres transformadores monofásicos conectados
como una unidad trifásica, los valores nominales
trifásicos se determinan de los nominales
monofásicos de cada transformador. La impedancia en por
ciento, de la unidad trifásica es la misma que la de los
transformadores individuales.

Generalmente los fabricantes especifican la impedancia
de una pieza de equipo en por ciento o en por unidad sobre la
base de los valores de placa nominales.

Las impedancias en por unidad de maquinas del mismo tipo
y valores nominales muy diferentes quedan dentro de un estrecho
rango, aunque sus valores óhmicos difieran grandemente.
Por esta razón es posible seleccionar, cuando no se conoce
la impedancia, valores promedio tabulados razonablemente
correctos.

De una manera general, la experiencia de trabajar con
valores en por unidad, familiariza con valores típicos de
impedancia de los diferentes equipos, además de otras
cantidades que tienen también un comportamiento
visiblemente típico en los rangos por unidad como las
corrientes de cortocircuito y los voltajes de los
buses.

La impedancia en por unidad una vez que es referida
sobre una base apropiada es la misma independientemente del lado
del transformador a la que este referida.

La manera en que se conectan los transformadores en
circuitos trifásicos no afecta a las impedancias en por
unidad del circuito equivalente, aunque la conexión
del transformador determine la relación de los voltajes
base a los lados del transformador.

TAP´S

Transformadores con Cambio de Derivaciones: Los
transformadores con cambio de derivaciones se emplean para
regular la tensión en un punto determinado de un SEP,
mediante el cambio manual o automático de las derivaciones
(TAP) de alguno de sus enrollados. Existen
transformadores

Con cambio de derivaciones en vacío, los que
requieren su desconexión del sistema antes de proceder al
cambio de TAP, suministrando un método de
regulación fija, y transformadores con cambio de
derivaciones en carga, que no requieren su desconexión del
sistema para realizar la maniobra, permitiendo una
regulación casi continua.

Fig.6 Presencia de un Transformador
con Cambiador de TAP, en un Sistema Enmallado

En la especificación de un transformador con
cambio de derivaciones, se deben tener en cuenta dos aspectos
importantes como son: el rango total de variación de la
tensión y la magnitud del paso entre derivaciones
sucesivas. Atendiendo a razones económicas y calidad de la
regulación, se emplean usualmente los siguientes valores
para las magnitudes mencionadas:

Rango total de variación: ± 10% ; ±
12% ; ± 15% (como límite)

Magnitud del paso entre derivaciones: 1,25%;
1,5%

Grupos de
conexión 3F

Las conexiones básicas de los
transformadores trifásicos son: Y-y; Y-d; D-y; D-d;
Y-z. Vamos a analizar las ventajas e inconvenientes de cada
tipo de conexión.

CONEXIÓN Y-Y

En esta clase de transformadores, las tres
fases de ambos bobinados están conectadas en estrella,
siendo la tensión de línea v3 veces mayor que la
tensión de fase.

Aquí también coincide que la
relación d transformación

Fig.7 Conexión
Y-y

La conexión estrella –
estrella tiene dos problemas graves:

• Si las cargas en el circuito del transformador no
  están equilibradas, entonces los voltajes en las fases
  del transformador pueden llegar a desequilibrarse en forma
  muy severa.

• Los voltajes de tercer armónica pueden ser
  grandes

Estos problemas con la tercera armónica se deben
a la no linealidad del circuito magnético del
hierro.

Dos de las técnicas utilizadas para reducir y
hasta anular sus efectos son:

• Conectar sólidamente a tierra los neutros es
  decir el centro de la estrella de ambos bobinados del
  transformador, especialmente el neutro del lado primario,
  esta conexión a tierra permite que las componentes de
  tercer armónica, (secuencia cero), causan un flujo de
  corriente por el neutro en lugar de acumularse altos voltajes
  en el transformador.

• Insertar en el transformador un tercer bobinado,
  llamado terciario, el cual deberá conectarse en
  triangulo o delta. Como las componentes de tercer
  armónica son de secuencia cero se inducen corrientes
  en el bobinado terciario que anula los efectos perniciosos
  que ocurren en los restantes bobinados. Este tipo de
  transformadores es muy poco utilizado

CONEXIÓN Y-D

En esta clase de transformadores las tres fases del
bobinado primario están conectadas en estrella y las del
secundario en triángulo. Aquí el voltaje de
línea primario está relacionado con el voltaje de
fase por: VL1 = v3 VF2, mientras que el voltaje
de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario
VL1 = VF2, por tanto la relación de
voltajes de fase es: m= VF1 / VF2, por lo que la
relación general entre voltajes de línea
será:

Fig.8 Conexión
Y-d

Expresión que indica que la relación de
transformación general de la conexión Y–d es
v3 veces mayor que la relación de
transformación de voltajes de fase o de
espiras.

Esta conexión no presenta problemas con los
componentes de tercer armónica puesto que se consumen en
una corriente circulante en el lado conectado en delta o
triángulo. Esta conexión también es
más estable con respecto a las cargas
desequilibradas.

Sin embargo presenta como problema que debido a la
conexión el voltaje secundario se desplaza 30 grados con
respecto al voltaje del primario del transformador. Este hecho
del desplazamiento angular puede causar problemas en la puesta en
paralelo de los secundarios de los transformadores. Los
ángulos de fase de los bobinados del secundario de los
transformadores deben ser iguales si se desean conectar en
paralelo, por tanto se tiene que poner especial atención
en la dirección del desplazamiento de la fase en 30
grados. Según sea la secuencia de fase que se conecta el
lado primario la tensión del secundario puede adelantar o
atrasar en 30 grados.

CONEXIÓN D-Y

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. Aquí el voltaje de línea primario es
igual al voltaje de fase primario, VL1 = VF1,
mientras que los voltajes secundarios VL2 = v3
VF2

Por lo tanto VL1 / VL2 = m /
v3

Fig.9 Conexión
D-y

CONEXIÓN D-D

Se utiliza esta conexión cuando se desean
mínimas interferencias en el sistema. Además, si se
tiene cargas desequilibradas, se compensa dicho desequilibrio, ya
que las corrientes de la carga se distribuyen uniformemente en
cada uno de los devanados.

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

Conexión Y-z
(Zig-zag)

Se consigue la conexión zig-zag
descomponiendo cada fase del bobinado secundario en dos mitades,
las cuales se colocan en columnas sucesivas del núcleo
magnético y arrolladas en sentido inverso, conectando los
finales en estrella.

Esta conexión se emplea
únicamente en el lado de baja tensión. Tiene un
buen comportamiento frente a desequilibrios de carga

Fig.11 Conexión Zig-
zag

Conexión de Transformación
trifásica utilizando dos transformadores

También 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:

Brevemente explicaremos el funcionamiento de cada una de
ellas:

Conexión abierta (o
V-V)

Fig.12 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. Aplicación de la conexión abierta
esta es usada fundamentalmente para suministrar una
pequeña cantidad de potencia trifásica a una carga
monofásica, como se muestra en la siguiente
figura:

Para la conexión Scott-T es necesario que conste
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.

Fig 14. 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.

Conexión trifásica en T

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 muestra en la figura
siguiente.

Fig.15 Conexión
trifásica en T

Una pequeña investigación obtuve acerca de
la protección de los transformadores trifásico que
a mi parecer es de suma importancia estos conceptos tenerlos en
cuenta para en muchos de los prevenir algún
accidente.

Autotransformadores
3F

Los autotransformadores se construyen con un solo
enrollamiento por fase, de manera que una parte de este es
común para el primario y el secundario.

Las conexiones de los autotransformadores
trifásicos, pueden resumirse de este modo:

Conexión de estrella a
estrella.

Fig.16 Conexión
trifásica en T

Esta conexión del autotransformador es
quizá la que se emplea más extensamente, siendo la
más sencilla, la más robusta, y con ella puede
disponerse de un neutro para conectar con la tierra y para un
transformador del tipo acorazado trifásico, o una
distribución con cuatro cables, Si el aparato es un
transformador del tipo acorazado trifásico, o bien una
batería compuesta de tres transformadores
monofásicos, puede aparecer la interferencia del tercer
armónico cuando se conecte con la tierra el neutro. Tal
como ocurre con los transformadores usuales de doble bobinado;
pero, si se adopta el tipo de núcleo trifásico,
este inconveniente desaparece.

Conexión de triangulo-
triangulo.

El
esquema a) del grupo de
conexiones de triangulo a triangulo en los autotransformadores,
muestra la disposición mas simétrica posible, pero
solo es factible en la relación de dos a uno.

Fig.17 Conexión de
triangulo- triangulo.

El esquema b) del grupo
muestra las conexiones de un autotransformador elevador, con las
cuales la relación de transformación puede tener el
valor que se desee. El Angulo de fase entre los terminales del
primario y del secundario depende de la relación de
transformación.

Fig.18 Las conexiones de un
autotransformador elevador

El esquema c) del grupo
muestra las conexiones de un transformador reductor para
cualquier valor de la relación de transfiguración.
En este caso, también el ángulo de fase entre los
terminales del primario y del secundario depende de la
relación de transformación. Todas estas conexiones
de triangulo-triangulo presentan el inconveniente de que no hay
neutro disponible para conectar con la tierra o red de
distribución. Las características de los
enrollamientos son semejantes a las de los transformadores de
doble bobinado en conexión de triangulo a
triangulo.

Fig.19 Conexión de
triangulo- triangulo.

Conexión de V a V.

Fig.20 Conexión de V a
V.

La conexión de V a "V no se emplea con mucha
frecuencia, pues, aunque su coste inicial es bajo, adolece de los
mismos inconvenientes que los transformadores trifásicos
usuales de doble bobinado, del grupo con conexión de V a
V. Esta conexión es electrostáticamente
desequilibrada, no se dispone de neutro, y las
características del enrollamiento son parecidas a las de
los transformadores de doble bobinado del grupo con conexiones de
V a V.

Conexión de T a T.

Fig.21 Conexión de T a
T.

Esta conexión se emplea también muy
raramente en los autotransformadores trifásicos, pero
ofrece sobre la de V a V la ventaja de que se puede disponer de
un neutro, por lo que el equilibrio de la
tensión puede mantenerse estable. Las
características del enrollamiento son similares a las del
grupo de doble bobinado con conexión de T con T, pero los
neutros no coinciden y solo se puede conectar con la tierra uno
de ellos.

Conexión de estrella a
estrella interconectada o de estrella interconectada a
estrella.

Esta conexión puede a veces ser útil por
el hecho de que semejante autotransformador se puede montar en
paralelo con un transformador de doble bobinado en
conexión de estrella a triangulo o de triangulo a
estrella.

El esquema a) del grupo muestra las
conexiones de un autotransformador elevador de estrella-estrella
interconectada al reductor de estrella interconectada a estrella.
Se dispone de un neutro para conectar con la tierra o una
red de distribución, y las tensiones del tercer
armónico no se presentan en el lado de la estrella
interconectada. Para las conexiones del esquema, la
relación de transformación debe ser de 1 a
1,73.

Fig.22 estrella-estrella
interconectada

El esquema b) del grupo muestra las
conexiones de estrella-estrella interconectada o de estrella
interconectada-estrella en transformadores elevadores o
reductores, respectivamente. Para los transformadores de:
estrella-estrella interconectada, la tensión primaria se
aplica a los terminales a, b. c, mientras que
en los de estrella interconectada-estrella, la tensión
primaria se aplica a los A, B, C. Las características de
los enrollamientos son similares a las de los transformadores de
doble bobinado die estrella a estrella interconectada.

Fig.23 estrella-estrella
interconectada

Conclusiones

• Se dice que el transformador tiene
  diferentes maneras de conexión como es la
  conexión estrella , triangulo, y zigzag

• Encontramos una ventaja en el
  cálculo de sistema por unidad solo se aprecia en la
  práctica, al simplificar el trabajo en gran
  medida

• En otra parte decimos que núcleo
  más eficaz es el tipo acorazado gracias a su forma,
  las tenciones en el transformador tipo acorazado presentan
  menos distorsiones en las salidas de las fases.

• En lo que son los autotransformadores
  3F encontramos maneras de conexión y que se
  caracteriza por tener una solo combinación de
  conexión ya sea en el primario estrella en el
  secundario también será estrella o
  también que se de conexión triangulo en el
  primario y triangulo en el secundario

• A los autotransformadores se les conoce
  con una solo conexión bien sea triangulo o
  estrella

Citas/o
referncias

[1]www.monografias.com/trabajos78/transformadores-trifasicos/transformadores-trifasicos2#autotransa.

[2]www.inele.ufro.cl/apuntes/Sistemas_de_Potencia_I/Capitulo_5.pdf

[3]www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/regulaciondetension/default2.asp

[4] Transformadores, J. Rosslyn, Editorial DALMAU
Y JOVER S.A. 1952

[5] Maquinas eléctricas, Stephen Champan,
Tercera Edición.

NOTA

En la parte de anexos encontraremos tablas de
cómo conectar los transformadores

Anexos

CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADORES
TRIFASICOS

Autor:

Javier Pillco