Tipos Aplicaciones y Conexiones de Transformadores Trifásicos (página 2)
Datos Técnicos:
Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta
1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se
construyen en otras tensiones primarias según
especificaciones particulares del cliente. Se
proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variación de
tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de
accionamiento sin carga. Se utilizan en intemperie o interior
para distribución de energía
eléctrica en media tensión.
Fig3. Transformador
Trifásico de Distribución
Se utilizan para distribución de energía
eléctrica en media tensión, siendo muy
útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de
aplicación en zonas urbanas, industrias,
minería,
explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda
actividad que requiera la utilización intensiva de
energía eléctrica.
Datos Técnicos:
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.
Fig4. Transformadores
Herméticos de Llenado Integral
Transformador de construcción adecuada para ser
instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser
utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier
naturaleza.
Datos Técnicos:
Potencia: 150 a 2000KVA
Alta Tensión: 15 o 24,2KV
Baja Tensión:
216,5/125;220/127;380/220;400/231V
Fig5. Transformador
Subterráneo
Los transformadores de corriente se utilizan para tomar
muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel
seguro y
medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de
medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos
tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos
al ocurrir cortocircuitos.
Los valores de los
transformadores de corriente son:
-Carga nominal: 2.5 a 200 VA, dependiendo su función.
-Corriente nominal: 5 y 1A en su lado secundario. Se
definen como relaciones de corriente primaria a corriente
secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de
corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5.
-Usualmente estos dispositivos vienen con un
amperímetro adecuado con la razón de
transformación de los transformadores de corriente, por
ejemplo: un transformador de 600/5 está disponible con un
amperímetro graduado de 0 – 600A.
Fig6. Transformadores de
Corriente
Según su
construcción
Autotransformador
El primario y el secundario del transformador
están conectados en serie, constituyendo un bobinado
único. Pesa menos y es más barato que un
transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir
220V a 125V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene
el inconveniente de no proporcionar aislamiento entre el primario
y el secundario. Se usa principalmente para conectar dos sistemas de
transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un
devanado terciario en triángulo.
Fig7. Autotransformador
Pequeño transformador con núcleo
toroidal.
El bobinado consiste en un anillo, normalmente de
compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el
primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el
flujo magnético queda confinado en el núcleo,
teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas
pérdidas por corrientes de Foucault.
Fig8. Transformador de núcleo
envolvente
Están provistos de núcleos de ferrita
divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los
bobinados. Evitan los flujos de dispersión.
El núcleo está formado por una chapa de
hierro de
grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el
mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce
separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero
es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser
también utilizada en transformadores orientados (chapa en
E), reduciendo sus perdidas.
Fig9. Transformador de grano
orientado
En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados
sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño
cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el
carrete, para ajustar su inductancia.
Transformador
piezoeléctrico
Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado
transformadores que no están basados en el flujo
magnético para transportar la energía entre el
primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones
mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la
ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias
elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para
alimentar los fluorescentes del backlight de ordenadores
portátiles.
Según el tipo de
Núcleo
Los transformadores trifásicos pueden ser
construidos mediante la unión de 3 transformadores
monofásicos conocido como los bancos de
transformadores. Este tipo de conexión seria muy
útil en 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. Según el tipo de
núcleo se mocionará los 3 siguiente
transformadores.
Los devanados rodean al núcleo. Éste
está constituido por láminas rectangulares o en
forma de L que se ensamblan y solapan alternativamente en capas
adyacentes. En este tipo de transformadores existen tres
núcleos unidos por sus partes superior e inferior mediante
un yugo y sobre cada núcleo se devanan el primario y el
secundario de cada fase. Este dispositivo es posible porque, en
todo momento, la suma de los flujos es nula.
Fig.10 Transformador trifásico de
tipo núcleo.
Invirtiendo las conexiones de las bobinas centrales en
el transformador trifásico acorazado, las secciones de los
núcleos entre las ventanas es igual al valor que se
obtendría sin invertir las conexiones, dividido por raiz
de 3. El transformador trifásico es más compacto y
ligero que los tres transformadores monofásicos
equivalentes, pero disminuye la flexibilidad del sistema. En un
auto transformador, parte del devanado es común a primario
y secundario. Tan solo se transforma una parte de la potencia, yendo
la restante de la carga por conducción.
Al igual que en el transformador monofásico el
núcleo rodea al devanado. La diferencia de un
transformador trifásico de tipo núcleo y de otro de
tipo acorazado, esta 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.
Fig.11 Transformador trifásico de
tipo acorazado
Posee un núcleo central y cuatro ramas
exteriores. Se denomina transformadores de distribución,
generalmente los transformadores de potencias iguales o
inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000
V, tanto monofásicos como trifásicos. Lla
mayoría de tales unidades están proyectadas para
montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia
superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para
montaje en estaciones o en plataformas.
Conexiones De Los Transformadores
Trifásicos
En los sistemas polifásicos, se entiende por
conexión la forma de enlazar entre sí los
arrollamientos de las distintas fases. En transformadores
trifásicos los arrollamientos pueden estar montados de las
siguientes formas:
a) conexión abierta (III)
b) conexión en triángulo
(D)c) conexión en estrella (Y)
d) conexión en zigzag (Z)
El convenio sobre la utilización de letras para
designar abreviadamente las diferentes conexiones es el
siguiente:
Conexión en triángulo: D (en el
primario) d (en el secundario)Conexión en estrella: Y (en el primario) y
(en el secundario)Conexión en zigzag: Z (en el primario) z (en
el secundario)
EJEMPLOS:
Un transformador estrella – triángulo se
designa Y dUn transformador estrella – estrella se designa Y
yUn transformador estrella-zigzag se designa Y
zUn transformador triángulo-estrella se
designa D y
El tipo abierto (III) tiene aplicación solamente
en el caso de transformadores suplementarios o adicionales. Las
conexiones en estrella (Y) y en triángulo (D) son de en
empleo
general; la conexión en zigzag (Z) solamente se utiliza en
baja tensión.
En la conexión en zigzag, cada uno de los
arrollamientos está dividido en dos partes, que se bobinan
entre dos columnas diferentes del transformador, con inversión de las entradas y de las salidas
al pasar de una columna a otra; es decir, que se montan en
posición, siguiendo un orden de permutación
circular de núcleos. La fuerza
electromotriz correspondiente a cada fase resulta de la
composición de dos fuerzas electromotrices desfasadas
entre sí en 120º.
Las conexiones utilizadas en la práctica
están normalizadas en grupos de
conexión. El grupo de
conexión caracteriza las conexiones de los dos
arrollamientos y el desfase entre las fuerzas electromotrices
correspondientes a ambos arrollamientos. Cada grupo se identifica
con una cifra o índice de conexión que multiplicada
por 30º, da como resultado el desfase en retraso, que existe
entre las tensiones del mismo genero (simples o
compuestas) del secundario respecto al primario del transformador
en cuestión.
Estudio de la transformación
trifásica en conexión estrella-estrella (Yy) con
arrollamiento terciario
La conexión estrella – estrella tiene la
gran ventaja de disminuir la tensión por fase del
transformador, pero presenta inconvenientes cuando las cargas no
están equilibradas. Para eliminar estos inconvenientes se
dispone de un arrollamiento terciario el cual esta conectado en
triángulo y cerrado en cortocircuito sobre sí
mismo. Las fuerzas magnetomotrices, primaria y secundaria,
debidas a esta sobrecarga, se compensan en cada columna, con lo
que desaparecen los flujos adicionales y, con ellos, los
inconvenientes que resultaban de las cargas
desequilibradas.
El devanado terciario puede utilizarse para suministrar
cargas locales con la tensión más conveniente.
Puede alimentar los circuitos de
control y las instalaciones auxiliares en las estaciones
transformadoras.
Fig12. Transformador trifásico en
conexión estrella-estrella con devanado
terciario
Estudio de la transformación
trifásica en conexión triángulo estrella
(Dy)
Existen cuatro formas de montaje con lo que respecta a
la estrella secundaria:
Desfase de 30º (Dy1).
Desfase de 150º (Dy5).
Desfase de -30º (Dy11).
Desfase de -150º (Dy7).
De estos grupos de conexión se utilizan en la
práctica el Dy5 y el Dy11. Este sistema de conexión
es el más utilizado en los transformadores elevadores de
principio de línea, es decir en los transformadores de
central. En el caso de cargas desequilibradas no provoca la
circulación de flujos magnéticos por el aire, ya que el
desequilibrio se compensa magnéticamente en las tres
columnas. Como se puede disponer de neutro en el secundario, es
posible aplicar este sistema de conexión a transformadores
de distribución para alimentación de
redes de media y
baja tensión con cuatro conductores.
Fig13- Transformador trifásico en
conexión triángulo-estrella y desfase de
150º
Fig14. Reparto de las corrientes en los
arrollamientos de un transformador trifásico en
conexión triángulo estrella, con una carga
desequilibrada
Existen cuatro posibilidades de
conexión:
Desfase de 30º (Yd1).
Desfase de 150º (Yd5).
Desfase de -30º (Yd11).
Desfase de -150º (Yd7).
De estos grupos de conexión, el más
utilizado en la práctica es el Yd5 y el Yd11. El empleo
más frecuente y eficaz de este tipo de conexión es
en los transformadores reductores para centrales, estaciones
transformadoras y finales de línea conectando en estrella
el lado de alta tensión y en triángulo el lado de
baja tensión.
En lo que se refiere al funcionamiento con cargas
desequilibradas, el desequilibrio de cargas secundarias, se
transmite al primario en forma compensada para cada
fase.
Fig15. Transformador trifásico en
conexión estrella triángulo y desfase de 150º
(grupo de conexión Yd5)
Para evitar el inconveniente de cargas desequilibradas
se conecta el arrollamiento secundario en zigzag. Esta
conexión consiste en hacer que la corriente circula por
cada conductor activo del secundario, afecte siempre igual a dos
fases primarias, estas corrientes se compensan mutuamente con las
del secundario.
Designando arbitrariamente los terminales del primario y
con respecto a estas designaciones el secundario ofrece cuatro
posibilidades distintas de conexión, dos de ellas que
proceden del neutro. Estos grupos de conexión
son:
Desfase de 30º (Yz1).
Desfase de 150º (Yz5).
Desfase de -30º (Yz11).
Desfase de -150º (Yz7).
De estos grupos de conexión los más
utilizados son el Yz5 y el Yz11. Este tipo de conexión se
emplea para transformadores reductores de distribución, de
potencia hasta 400KVA; para mayores potencias resulta más
favorable el transformador conectado en triángulo
estrella.
Fig16. Representación
esquemática y diagrama
vectorial de un transformador trifásico en conexión
estrella zig-zag
Fig17.- Transformador trifásico en
conexión estrella zig-zag y desfase de 150º (grupo de
conexión Yz5)
También ahora existen cuatro posibilidades de
conexión que corresponden a las siguientes
condiciones.
a) los terminales de la red primaria y
secundaria pueden ser homólogos o de opuesta
polaridadb) la sucesión de estos terminales en el
circuito interno puede ser la misma para ambos sistemas o
inversa.
En la práctica se emplean solamente dos grupos de
conexión que corresponden, respectivamente a un desfase de
0º y a un desfase de 180º.
Cada aislamiento debe soportar la tensión total
de la línea correspondiente y, si la corriente es
reducida, resulta un número elevado de espiras, de
pequeña sección.
Si se interrumpe un arrollamiento, el transformador
puede seguir funcionando aunque a potencia reducida, con la misma
tensión compuesta y con una intensidad de línea a
la que permite una sola fase. Se limita a transformadores de
pequeña potencia para alimentación de redes de baja
tensión, con corrientes de línea muy elevadas por
la ausencia de neutro en ambos arrollamientos.
Fig18. Transformador trifásico en
conexión triángulo-triángulo y desfase de
0º (grupo de conexión Dd0)
Fig19. Funcionamiento de un transformador
trifásico en conexión
triángulo-triángulo, con un arrollamiento
interrumpido
Además 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:
Conexión
abierta (o V-V)Conexión en Y abierta –
abiertaConexión Scout-T
Conexión trifásica en T
A continuación describiremos las
características más importantes de cada una de
estas conexiones.
Conexión abierta (o V-V)
Fig20..- 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
Es usada fundamentalmente para suministrar una
pequeña cantidad de potencia trifásica a una carga
monofásica, como se muestra en la
siguiente figura:
Fig21. Aplicación de la
conexión abierta
La conexión Y abierta – delta abierta es muy similar
a la conexión delta abierta con la única variante
que los voltajes primarios se derivan de dos fases y el neutro.
Su aplicación primordial es la de proveer de un sistema
trifásico en donde solo existe la presencia de dos fases.
La desventaja es este tipo de sistemas es que la corriente de
retorno es muy grande y debe fluir por el neutro del ciercito
primario.
La conexión Scott-T es una forma de derivar de
una fuente trifásica, dos fases desfasadas 
La aplicación
fundamental es producir la potencia necesaria para cubrir
cualquier necesidad.
La conexión Scott-T consta 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.
Fig22. 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.
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 nuestra en la figura
siguiente.
Como en la conexión Scott-T los voltajes en los
devanados primarios están desfasados al igual que los voltajes
secundarios con la única diferencia de las dos fases se
recombinan para darnos un sistema trifásico. La ventaja de
esta conexión con respecto a las demás conexiones
con dos transformadores es que en esta se puede conectar el
neutro tanto en los devanados primarios como
secundarios.
Fig23. Conexión trifásica
en T
Puedo concluir diciendo que todas las conexiones que se
realizan en los transformadores son importantes, cada uno tiene
distintas ventajas y desventajas, las cuales deben ser puestas en
una balanza para que al rato de elegir, optemos por la mejor
opción. También debemos tener en cuenta que muchos
de los transformadores junto con sus conexiones están
construidos para aplicaciones específicas en alta y baja
tensión por lo que no tendremos que pensar mucho al
momento de elegir.
Con lo estudiado en este trabajo
pudimos notar que existen conexiones se realizan solo con dos
transformadores monofásicos lo cual en ciertos casos es
favorable y produce algunas ventajas, las cuales hay que saber
utilizarlas de la mejor manera para poder obtener
un óptimo trabajo requerido.
[1] http://www.nichese.com/trans-trif.
[2] http://www.arqhys.com/construccion/transformadores-tipos.html
[3] http://www.minas.upm.es/dep/Sistemas-Energeticos/Tema2.PDF
Libros:
[4] rk: Wi 81.
[5] CEAC S.A. Ediciones "Transformadores y
convertidores"
Autor:
Daniel Marcelo Andrade
Guerrero
Carlos Felipe Contreras
Ortiz
UPS
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