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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA MAQUINAS ELECTRICAS I.
.
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Cristian Valenciae-mail: [email protected]
José Vargase-mail: [email protected]
RESUMEN:Un transformador tr i fásico está formado por 3
t ransformadores monofásicos, cuya funciónfundamental es la de convert i r los valores devo lta je y corr iente de la entrada en o t ro demayor o menor valor a la sal ida, t ransportar
energía a grandes distancia y distr ibución de lamisma.
PALABRAS CLAVE: Transformadores trifásicos,Aceites aislantes, acorazado, devanados,
1 INTRODUCCIÓN
Los transformadores trifásicos se emplean para la
generación o el transporte de energía a grandes
distancias de sistemas de potencias eléctricas y
para dicho proceso se utiliza los bancos de
transformadores.
Los bancos de transformadores consisten en tres
transformadores monofásicos conectados entre
ellos para simular un transformador trifásico. Estoestaría 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.
En cuanto a la relación de tamaño-costo, un
transformador trifásico siempre es más pequeño
que un banco de transformadores monofásicos,
más liviano y económico. Tanto los bancos de
transformadores monofásicos como el
transformador trifásico se pueden conectar de
diferentes formas de acuerdo a la necesidad.
En el transformador trifásico, los devanados de
las bobinas están conectados internamente y,
estas conexiones pueden ser estrella o triángulo.
2 CONSTRUCCION
Para la construcción de transformadores se los
puede clasificar en dos tipos, el primero Tipo
acorazado y el segundo Tipo núcleo con 3
columnas:
Tipo acorazado:
Son tres transformadores monofásicos de tipoacorazado, colocados uno junto a otro, tal como
se muestra en la figura 1. La única diferencia entre
esta disposición, 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.
Figura.1 Tres transformadores trifásicos y launidad trifásica correspondiente [2]
Tipo núcleo con 3 columnas:
En las figura 2 se observa la formación del
transformador trifásico tipo núcleo a partir de tresunidades monofásicas. Si las tensiones aplicadas
son sinusoidales, simétricas y equilibradas los
flujos de la figura 2 cumplen la relación
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Figura. 2 Disposición del núcleo de un
transformador tipo núcleo de 3 columnas
2.1 Características de los transformadorestipo núcleo y acorazado
Las características de los trasformadores de tipo
núcleo son una longitud media larga del circuito
magnético y duna longitud costa de los devanados.
Las construcciones de núcleo de uso común para
unidades trifásicas se observa en la figura 3 cuya
finalidad es la de reducir la altura total del
transformador. En estos casos, si el núcleo
encierra a los devanados cilíndricos de manera
similar a la construcción de forma acorazada. El
arreglo simple de los devanados concéntricos
primario (interior) y secundario (exterior) es común
para todos los transformadores de potencia
pequeños. Sin embargo, lo transformadores de
gran capacidad tienen con frecuencia cierto grado
de intercalado de los devanados, como por ejemplo secundario-primario (S-P-S). [3]
Figura. 3 Construcciones trifásicas de forma delnúcleo
Las características principales en los
transformadores de tipo acorazado son longitud
media corta del circuito magnético y longitud media
larga de los devanados. Esto significa que los
transformadores de forma acorazada tienen una
mayor área de núcleo y menos número de vueltas
en los devanados que los de forma del núcleo de
igual capacidad y rendimiento.
Además, la forma acorazada tendría típicamente
una mayos relación por peso de acero a cobre.
En la figura 4 se ilustra el núcleo trifásico
convencional de forma acorazada con las bobinas
en sección transversal. El agrupamiento de
bobinas primario-secundario-primario (P-S-P) es el
más común, pero también se emplea a menudo el
P-S-P-S-P
Figura. 4 Núcleo trifásico convencional para laestructura (de tipo acorazado)
2.2 Forma de los devanados
Estas formas que a continuación enuncian 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 porque los criterios que
se toman en cuenta al momento del diseño de los
devanados en baja tensión son diferentes a los usadosen 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
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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:
Concéntrico 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.
Concéntrico doble
El devanado concéntrico doble, se consigue cuando eldevanado 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.
3 GRUPOS DE CONEXIÓN DE LOSTRASFORMADORES TRIFÁSICOS
Las conexiones de los transformadores o bancos
de transformadores trifásicos están normalizados,
en la práctica, mediante grupos de conexión. Dicho
grupo de conexión caracteriza las conexiones tanto
de los devanados primarios como los devanados
secundarios. Así mismo, permite conocer el
desfase en tensiones y corrientes de los
devanados primarios y secundarios. Para esto se
utilizan los índices horarios que multiplicados por
30º da como resultado el desfase en retraso de
las tensiones secundarias respecto a las tensiones
del primario.
La tabla 1 muestra los grupos de conexiones más
utilizados, sin embargo existen otros grupos de
conexiones con diferentes índices horarios de los
presentados en la tabla.
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Tabla. 1 Conexiones típicas de transformadorestrifásicos con índices de horario
3.1 Índices horarios
Todos los arrollamientos montados sobre una
misma columna abrazan en cada instante el mismo
flujo común F y con el fin de precisar el sentido de
las f.e.m. suponemos que el sentido de
arrollamiento de las bobinas primarias y
secundarias es el mismo. Si designamos con la
misma letra los terminales homólogos en cuanto a
polaridad instantánea de dos cualesquiera deestos arrollamientos montados sobre la misma
columna, los vectores representativos de las f.e.m.
respectivos se presentaran como se indica a
continuación.
Dependiendo del tipo de conexión, las tensiones
simples del primario y del secundario pueden no
estar en fase, cosa que siempre ocurre en los
transformadores monofásicos. Para indicar el
desfase existente entre las tensiones simples, se
suele utilizar el llamado índice horario (ángulo
formado por la aguja grande y la pequeña de un
reloj cuando marca una hora exacta), expresado
en múltiplos de 30º (ángulo entre dos horas
consecutivas, 360º/12=30º ). El conocimiento del
desfase (índice horario) es muy importante cuando
se han de conectar transformadores en paralelo,
dado que entonces, todos los transformadores
deben tener el mismo índice horario, para evitar
que puedan producirse corrientes de circulación
entre los transformadores cuando se realice la
conexión. [4]
3.2 Características de las conexionesmás utilizadas
Conexión Estrella – Estrella
Es una conexión muy utilizada en
transformación de baja potencia.
Esta conexión permite sacar un neutro
directamente, el cual se emplea en redes
de baja tensión.
Cuando el desequilibrio de cargas excede
el 10%, es preferible utilizar la conexión en
zig-zag. Presencias de tensiones armónicas de
tercer orden.
En el caso de conexión del neutro, se
encargan de llevar las corrientes
armónicas de tercer orden, además lleva la
corriente de desbalance entre fases.
Figura. 5 Conexión Estrella-estrella
Conexión Delta – Delta
Se empelan 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
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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. 6 Conexión Triangulo-triangulo
Conexión Delta – Estrella
No hay problemas de terceros armónicos
porque las corrientes se quedan circulando
en la delta, sin afectar el secundario del
transformador.
En este grupo de conexión es posible
obtener 4 diferentes índices dependiendo
de las salidas de devanados utilizadas
para las conexiones.
Figura. 7 Conexión Triangulo-estrella
Conexión Estrella - Delta
Es la conexión más utilizada en las
subestaciones elevadoras.
En este grupo de conexión es posible
obtener 4 diferentes índices dependiendo
de las salidas de devanados utilizadas
para las conexiones.
En la delta circulan terceras armónicas,
como consecuencia las tensiones
secundarias no se ven afectadas por este
efecto.
Figura.8 Conexión Estrella- triangulo
Conexiones con secundario en Zig-zag
Utilizada en sistemas de baja tensión
cuando las cargas son muy
desbalanceadas.
Pueden conectarse cargas hexafásicas.
Posibilidad de conexión a diferentes
tensiones en secundario.
Existen dos tipos de conexión zigzag,
primeramente el caso zig-zag estrella y
segundo el caso zig-zag triangulo, su
configuración se muestra en la figura 9 y
figura 10 respectivamente.
Figura.9 Conexión Zig-zag Estrella con índice
horario
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Figura. 10 Conexión Zig-zag Triangulo con índice
horario
3.2 Conexiones adicionales de lostransformadores trifásicos
Todas las técnicas usadas para esto se basa
reducción de la capacidad de carga de los
transformadores, que puede justificarse por ciertos
factores económicos
Algunas de las principales conexiones de este tiposon:
1. La conexión delta_ abierta
2. Conexión Y abierta - delta abierta
3. Conexión Scott-T
4. Conexión trifásica en T
Conexión delta –abierta
La conexión delta-abierta admite que un grupo de
transformadores cumpla su función con solamente
dos transformadores, permitiendo que cierto flujo
de potencia continúe, aun habiéndosele removido
una fase dañada.
Figura. 11 Conexión Delta abierta
Conexión Y abierta - delta abierta
Se utiliza para dar servicio a clientes de comercio
pequeños que necesitan corriente trifásica en
áreas rurales en donde aún no se han instalado las
tres fases en los postes de la línea de conducción.
Con esta conexión, un usuario puede obtener
servicio de corriente trifásica de manera
provisional, hasta que con el aumento de la
demanda se requiera la instalación de la tercera
fase en los postes de conducción.
La desventaja principal de esta conexión es que
por el neutro del circuito primario debe fluir una
corriente de retorno considerablemente grande.
Figura. 12 Conexión Y abierta - delta abierta
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Conexión Scott-T
Esta conexión consiste en dos transformadoresmonofásicos con idéntica potencia nominal. Unotiene derivación en su bobinado primario al 86.6%de voltaje a plena carga.
Esta conexión consiste en dos transformadoresmonofásicos con idéntica potencia nominal. Unotiene derivación en su bobinado primario al 86.6%de voltaje a plena carga.
Figura. 13 Conexión Scott-T
Conexión trifásica en T
Una ventaja principal de la conexión T trifásica
sobre las otras conexiones trifásicas con dos
transformadores es que se puede conectar unneutro, tanto al lado primario como al lado
secundario del grupo de transformadores. Esta
conexión se usa algunas veces en
transformadores independientes de distribución
trifásica, puesto que sus costos de fabricación son
más bajos que los de un grupo completo de
transformadores trifásicos.
Puesto que la parte inferior de los embobinados
secundarios de transformador independiente no se
usa, ni en el lado primario ni en el secundario,
pueden dejarse de lado sin que se modifique su
comportamiento. De hecho esto es lo que ocurreen los transformadores de distribución.
Figura. 14 Conexión trifásica en T
3.3 Funcionamiento en paralelo
Dos transformadores trifásicos funcionaran en
paralelo si tienen la misma disposición de
devanados (por ejemplo, estrella-triangulo), están
conectados con la misma polaridad y tienen la
misma secuencia de rotación de fases. Si dos
transformadores (o dos bancos de
transformadores) tienen la misma tensión nominal,
las mismas relaciones de espiras, las mismas
impedancias (en porcentaje) y las mismas
relaciones entre reactancia y resistencia, se
repartirán la corriente de carga proporcionalmente
a sus potencias nominales, sin diferencia de fase
entre las corrientes de los dos transformadores. Sicualquiera de las condiciones anteriores no se
cumple, la corriente de carga puede no repartirse
entre los dos transformadores en proporción a sus
potencias nominales y puede haber una diferencia
de fase entre las corrientes en los dos
transformadores.
Figura. 15 Conexión en Paralelo
4 ACEITES DIELECTRICOS USADOSEN LOS TRANSFORMADORES
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Algunos aspectos importantes a tomar cuenta
cuando se analizan los aceites dieléctricos son:
Aspecto y color, rigidez dieléctrica, contenido de
agua, acidez, Factor de disipación dieléctrica y
recuento de partículas. Adicionalmente a esto es
necesario conocer, primero el contenido en
inhibidor, que no son mas que los aditivos mas
comúnmente utilizados en aceites aislantes tales
como 2,6-di-tert-butil-p-cresol (DBPC) y 2,6-di-tert-
butil-fenol(DBP). Segundo el Contenido en
dibencildisulfuro (DBDS) puesto que Algunos
aceites aislantes fabricados durante los últimos
años contienen cantidades relativamente elevadas
de una sustancia, el dibencildisulfuro, que, en
determinadas condiciones de trabajo del
transformador, puede descomponerse haciendo
que el aceite sea corrosivo.
El método más sencillo de análisis de esta
sustancia es la cromatografía de gases con
columnas capilares y detector de captura de
electrones.
4.1 Aplicación de los aceites minerales enlos transformadores
En los condensadores industriales se emplean,
como armaduras metálicas, hojas de aluminio muy
finas, separadas por hojas de papel impregnado
con un aceite especial, ya que si se utilizara seco
perdería rápidamente sus propiedades dieléctricas,
a causa de su envejecimiento por efecto de las
variaciones de temperatura.
Estos aceites de impregnación deben estar
perfectamente refinados y, después de la
impregnación, han de tener la misma rigidez
dieléctrica que antes. Deben tomarse ciertas
precauciones con los aceites de condensadores.
Particularmente, cuando el aceite ha pasado por
varios ciclos de impregnación, el factor de perdidasdieléctricas tiende a aumentar a causa de
oxidación. Por esta razón, el aceite debe tratarse
adecuadamente por procedimientos especiales.
Además de emplearse como agentes
impregnantes, los aceites minerales pueden
utilizarse tambien para el llenado de las cubas de
los condensadores, garantizando, de esta forma el
buen funcionamiento de estos e impidiendo la
entrada de humedad. Al contrario de lo que sucede
con los transformadores, los aceites de relleno de
los condensadores se alteran poco, ya que su
calentamiento es de escasa importancia
Aceites sintéticos aislantes
Las investigaciones realizadas para obtener un
líquido resistente a la oxidación y a la
sedimentación y no inflamable (caso de
transformadores) y, además, con elevada
constante dieléctrica ( caso de los condensadores )
, han conducido al desarrollo de aislantes
sintéticos a base de hidrocarburos clorados
llamados, en general, askareles cuya composición
exacta no es declarada por los fabricantes, pero
que constituyen mezclas de diversos hidrocarburos
clorados.
En comparación con los aceites minerales
aislantes, los askareles tienen las siguientes
propiedades generales.
• Una constante dieléctrica que es
aproximadamente el doble de la de los
aceites.
• Una rigidez dieléctrica algo mayor.
• Un factor de perdidas dieléctricas algo más
elevado.
• Un precio más elevado.
Estas características, junto con su inflamabilidad, a
la que se ha hecho referencia anteriormente,
determinan cuando es conveniente emplear
askareles en lugar de aceites minerales, o
viceversa.
Algunas ventajas de usar estas aceites en lostransformadores están :
• Seguridad. Los pyralene son ininflamables
y sus vapores no son explosivos. Por estas
razones, resulta recomendable su empleo
en los transformadores de minas,
inmuebles, salas de espectáculos,
subestaciones subterráneas, metros,
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navíos, locomotoras y en todos aquellos
casos en que no se puede aceptar el
menor riesgo de incendios.
• Economía de instalación. De la
seguridad anteriormente citada, resulta
una economía de espacio, de material y de
tiempo de instalación; muchas veces,
también de precio.
• Economía de explotación. En primer
lugar, la facilidad de disponer la alta
tensión en el lugar de utilización reduce las
perdidas en las líneas. Por otra parte,
resulta una economía en el mantenimiento
de los transformadores, ya que la
excelente estabilidad química de LCS
pyralene permite evitar los periódicostratamientos de regeneración, que resultan
necesarios con los aceites minerales.
5 CONCLUSIONES
-La construcción de la forma del núcleo de un
transformador trifásico puede usarse para
crear transformadores de potencia de distinto
tamaño de acuerdo a la necesidad,
aprovechando así adecuadamente los
recursos.
-Los transformadores requieren aceite
especial que transmite el calor para enfriar el
transformador mientras actué como aislante
eléctrico
-Los transformadores son máquinas
indispensables para y juegan un papel
fundamental en la vida de los seres humanos,
principalmente ayudan a la distribución
eléctrica hacia hogares, oficinas y negociosporque regula y transporte la tensión hacia
nuestros hogares permitiendo que funcionen
diferentes maquinas eléctricas que simplifican
nuestra forma de vida.
6 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas (3ra° edición),McGraw-Hill,1993.
[2] http://www.monografias.com/trabajos78/tipos-transformadores-trifasicos/tipos-transformadores-trifasicos.shtml
[3] Fink Donald, Beaty Wayne, MANUAL DE INGENIERIAELECTRICA; Editorial McGraw-Hill, Decimotercera Edición,Tomo I, Pág. 10-15, México
[4] http://www.tuveras.com/eltrafotrifasico/eltrafotrifasico.htm[5] http://html.rincondelvago.com/dielectricos-liquidos.html
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