Transformadores trifásicos

Abstract

In this paper we review some of the most important
electrical machines in the real world, three-phase transformers
are instruments that are present everywhere on the streets, in
factories in the stadiums, buildings, etc.., The truth that there
much to talk about these sophisticated instruments that their
study will make us much good for those who want to deepen this
interesting field.

PALABRAS CLAVE: Devanado, bobina, espiras,
núcleo.

Introducción

El campo de estudio de los transformadores
monofásicos se complementa ahora con el análisis de
transformadores trifásicos. Ya entendido lo que son los
transformadores monofásicos sin problema alguno podremos
entender que los transformadores trifásicos se componen de
tres transformadores monofásicos y que estos tienen
aplicaciones muy importantes en el mundo real. Los conceptos
matemáticos y las relaciones de voltajes y corrientes, son
similares para sistemas trifásicos, para no complicarnos
en los cálculos si nosotros queremos hallar la potencia de
un transformador trifásico en cualquier lado (primario o
secundario) de este, tendremos que analizar sólo una fase
y luego multiplicarla por tres (trifásica). Por otro lado
existen también los autotransformadores que tiene que se
analizan de manera diferente que los transformadores
trifásicos.

Formas constructivas:
circuitos eléctricos y circuitos
magnéticos

Casi todos los sistemas de generación y
distribución en el mundo de hoy son trifásicos de
CA. Ya que los sistemas trifásicos tienen una
función tan importante en la vida moderna es necesario
entender su funcionamiento.

FABRICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES
TRIFÁSICOS

Se fabrican de dos maneras. Una de ellas consiste
simplemente en tomar tres transformadores monofásicos y
conectarlos en un banco trifásico.

Figura 1: Banco de transformador
trifásico compuesto por tres transformadores
independientes

Otra alternativa es construir transformadores
trifásicos con tres grupos de devanados enrollados en un
núcleo común, como se muestran en las figuras
siguientes.

Figura 2: Transformador trifásico
construido sobre un núcleo de tres columnas

Pero hoy en día se prefiere construir un
transformador trifásico como tal por ser más
ligero, barato y un poco más eficiente. En cambio el banco
de transformadores por separado tiene la ventaja de si presentase
un falla pueda ser remplazada por la defectuosa.

PARTES CONSTITUTIVAS DE UN TRANSFORMADOR
TRIFÁSICO

El transformador con cuba de aceite y depósito de
expansión es el más utilizado en los centros de
transformación. Para hacerlo más funcional, en el
propio transformador se incorporan una serie de elementos de
control, protección, etc., que lo hacen más
práctico y seguro. Estas son las partes constructivas que
forman parte del transformador:

Figura 3: elementos que componen el
transformador sumergido en aceite con depósito de
expansión

Se describen a continuación sus
partes:

– Pasa-tapas de entrada: conectan el bobinado primario
del transformador con la red eléctrica de entrada a la
estación o subestación transformadora.

– Pasa-tapas de salida: conectan el bobinado secundario
del transformador con la red eléctrica de salida a la
estación o subestación transformadora.

– Cuba: es un depósito que contiene el
líquido refrigerante (aceite), y en el cual se sumergen
los bobinados y el núcleo metálico del
transformador.

– Depósito de expansión: sirve de
cámara de expansión del aceite, ante las
variaciones se volumen que sufre ésta debido a la
temperatura.

– Indicador del nivel de aceite: permite observar desde
el exterior el nivel de aceite del transformador.

– Relé Bucholz: este relé de
protección reacciona cuando ocurre una anomalía
interna en el transformador, mandándole una señal
de apertura a los dispositivos de protección.

– Desecador: su misión es secar el aire que entra
en el transformador como consecuencia de la disminución
del nivel de aceite.

– Termostato: mide la temperatura interna del
transformador y emite alarmas en caso de que esta no sea la
normal.

– Regulador de tensión: permite adaptar la
tensión del transformador para adaptarla a las necesidades
del consumo. Esta acción solo es posible si el bobinado
secundario está preparado para ello.

– Placa de características: en ella se recogen
las características más importantes del
transformador, para que se pueda disponer de ellas en caso de que
fuera necesaria conocerlas.

– Grifo de llenado: permite introducir líquido
refrigerante en la cuba del transformador.

– Radiadores de refrigeración: su misión
es disipar el calor que se pueda producir en las carcasas del
transformador y evitar así que el aceite se caliente en
exceso.

Sistema de medida por
unidad

El método de cálculo llamado sistema por
unidad de medida (pu) miden sus unidades de volts, amperes,
watts, ohms, etc., pero no normalmente sino que cada magnitud
eléctrica se mide como una fracción decimal de
algún nivel base. En el sistema base por unidad, cualquier
cantidad puede expresarse mediante la ecuación:

Donde el valor real es el calor en volts, amperes, ohms,
etc. Dos magnitudes por unidad se utilizan como base para definir
el sistema por unidad. Seleccionadas esta cantidades base, los
otros valores base se relacionan con ellas por medio de la leyes
eléctricas corrientes.

Tap´s

Los transformadores de distribución tienen una
serie de tomas (taps) en los devanados para permitir
pequeños cambios en la relación devueltas del
transformador después de haber salido de fábrica.
Por ejemplo, una instalación típica podría
tener cuatro tomas además del valor nominal, con
intervalos entre éstas de 2.5% del voltaje a plena carga.
Tal distribución permite ajustes hasta del 5% por encima o
por debajo del voltaje nominal del transformador. Las tomas de un
transformador permiten que éste se pueda ajustar para
acomodarse a las variaciones de los voltajes de las localidades.
Sin embargo, estas tomas normalmente no se pueden cambiar
mientras el transformador está suministrando potencia,
sino cuando se encuentren sin carga.

Grupos de
conexión

En los sistemas polifásicos, cuando hablamos de
conexión estamos hablando de enlazar entre sí, los
arrollamientos de las distintas fases. En las transformaciones
trifásicas, 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 para usar las letras de manera abreviada 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)

Figura 4: Representación
esquemática de la conexión zigzag

En la conexión en zigzag cada uno de los
arrollamientos está dividido en dos partes, que se bobinan
sobre 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 oposición,
siguiendo un orden de permutación circular de
núcleos. La fuerza electromotriz correspondiente a cada
fase resulta de la composición de dos fuerzas
electromotrices defasadas entre sí en 120º, tal como
muestra el diagrama vectorial de la figura 5.

Figura 5: Diagrama vectorial de la
conexión zigzag

Las conexiones usadas están normalizadas en
grupos de conexión, los que caracterizan a las conexiones
de los dos arrollamientos sean primarios o
secundarios.

Cada grupo se identifica con una cifra o índice
de conexión que, multiplicado por 30º, da como
resultado el desfase en retraso que existe entre las tensiones de
los mismos géneros (simples o compuestos).

Figura 6: Grupos de conexión de
los transformadores trifásicos

Al índice de conexión también se lo
llama índice horario, el desfase del primario o secundario
siempre es un múltiplo de 30º, se identifica con el
ángulo formado por la aguja horaria y minutero del reloj,
cuando marca la hora exacta, entonces se caracteriza el
ángulo de desfase por la hora indicada, para ello se ha
convenido:

• Superponer el vector de la fuerza electromotriz
  primaria E1 con la aguja minutero sobre la división
  0.

• Superponer el vector de la fuerza electromotriz
  secundaria E2 con la aguja horaria.

La hora indicada por la aguja horaria constituye el
índice horario del transformador.

El índice horario depende notoriamente de las
formas de conexión en el primario y secundario y
también de los sentidos relativos de arrollamiento de los
devanados primario y secundario, sobre la misma
columna.

Para determinar el índice horario se hace lo
siguiente:

• a) Adoptar con sentido positivo de un
  arrollamiento de las fuerzas electromotrices que
  actúan hacia el terminal exterior.

• b) Representar las fuerzas electromotrices por
  arrollamiento simples primarios.

• c) Representar las fuerzas electromotrices por
  arrollamientos simples secundarios recordando que
  éstas tienen sobre la misma columna, el mismo sentido
  que las fuerzas electromotrices simples primarias, ya que el
  flujo magnético es común.

Figura 7: Determinación del
índice horario de un transformador trifásico en
conexión triángulo – estrella

Las fuerzas magnetomotrices deben compensarse; pero
teniendo en cuenta las columnas independientes se observa que en
cada columna aparece una fuerza magnetomotriz resultante del
mismo sentido y de igual magnitud, hay tres flujos alternos que
pulsan al mismo tiempo y que no disponen de caminos de retorno,
porque se cierran por el aire a través de los
dieléctricos y sobre todo a través de la caja
metálica exterior que cubre y protege el transformador y
que es el camino que ofrece una máxima reluctancia
magnética; por esta razón es que se calienta la
caja, después a estas fuerzas magnetomotrices, se inducen
tensiones en cada que vienen a sumarse vectorialmente a las
fueras electromotrices generadas por flujos magnéticos
originales, resultando unas tensiones simples distintas en
magnitud y fase a las originales, por consiguiente desplazamiento
del neutro.

Entonces de todo lo revisado se puede decir y deducir
que siempre que en la carga secundaria pueda existir
desequilibrio, como ocurre normalmente en las redes de
distribución de cuatro conductores, es necesario emplear
transformadores en conexión triángulo-estrella o en
conexión estrella-zigzag.

Autotransformadores
trifásicos

Como habíamos revisado en la teoría sobre
los autotransformadores monofásicos, los trifásicos
funcionan de manera parecida. Recordando la definición de
autotransformador monofásico decimos que es un
transformador ordinario, cuyos arrollamientos primario y
secundario se conectan en serie.

El autotransformador trifásico tiene el
inconveniente de que por la propia constitución del
autotransformador es necesario adoptar el mismo tipo de
conexión en el primario y en el secundario, excepto en las
conexiones estrella en cuyo caso, la otra conexión pueden
ser estrella o zigzag. A causa de esta limitación no
existe tanta variación de conexiones trifásicas
como en el caso de los tranformadores, a continuación, se
describirán brevemente algunas de estas
conexiones.

TIPOS DE CONEXIÓN

CONEXIÓN ESTRELLA – ESTRELLA

En la figura 8, vemos esta configuración que es
la más utilizada a causa de su sencillez de montaje y de
que puede ponerse de conductor neutro para la puesta a tierra o
para alimentar redes de cuatro conductores.

Figura 8: Autotransformador
trifásico en conexión estrella –
estrella

La figura anterior es un autotransformador reductor;
pero esta conexión puede aplicarse sin inconvenientes a un
autotransformador elevador, en cuyo caso, basta permutar los
terminales A, B, C, con sus respectivos homólogos a, b, c.
Las características de funcionamiento son similares a las
de los transformadores trifásicos en conexión
estrella – estrella.

CONEXIÓN TRIÁNGULO –
TRIÁNGULO

En la figura 9, se representa esquemáticamente
una conexión triángulo – triángulo para un
autotransformador reductor, en la que la relación de
transformación puede tener cualquier valor; el defasaje
entre el primario y el secundario, depende de la relación
de transformación.

Figura 9: Autotransformador
trifásico en conexión triángulo –
triángulo

En la figura 10, se observa un autotransformador
elevador, también en este caso, el desfasaje entre el
primario y el secundario, depende de la relación de
transformación.

Figura 10: Autotransformador
trifásico elevador en conexión triángulo –
triángulo

En la figura 11, se expresa una conexión zigzag
que se utilizan para autotransformadores elevadores; para
autotransformadores reductores se permutan los terminales A, B, C
por respectivos homólogos a, b, c y se obtiene una
conexión zigzag – estrella, estas conexiones se emplean
muchas veces porque el autotransformadores puede acoplarse en
paralelo con un transformador trifásico en conexión
estrella – triángulo o con uno en conexión
triangulo estrella.

Figura 11: Autotransformador
trifásico en conexión estrella – zigzag

En la figura Vv con frecuencia no se usa a pesar de que
su coste inicial es bajo, tiene los mismos defectos que
transformadores trifásicos en conexión Vv, lo que
resulta desequilibrada y no se dispone de conductor
neutro.

Para terminar la conexión Tt tampoco se usa
porque tiene la conexión Vv, la ventaja de poseer y
disponer de conductor neutro, por lo que su funcionamiento es
estable.

Posee las mismas características que las de un
transformador en conexión Tt pero en esta oportunidad los
conductores neutros no coinciden y solo uno de ellos puede
conectarse en tierra.

Sin embargo, a pesar de las ventaja

• 1. Se admitirán autotransformadores,
  cucando la tensión más reducida sea inferior en
  menos de 25% de la más elevada. Cuando la diferencia
  de potencial a tierra no sea superior a 250 V, ni en el
  primario ni en el secundario, podrán emplearse
  autotransformadores con cualquier relación de
  transformación.

• 2. Los puntos neutros de los circuitos de
  entrada y salida de los autotransformadores deberán
  conectarse sólidamente a tierra.

• 3. En los autotransformadores
  polifásicos conectados en estrella o en zigzag, el
  punto neutro será accesible desde el exterior y el
  terminal correspondiente estará señalizado para
  evitar confusiones.

Figura 12: Autotransformadores
trifásico en conexión Vv

Los autotransformadores tienen las siguientes
aplicaciones:

• Cuando no sea preciso aislar el circuito de baja
  tensión circuito de alta tensión, es decir,
  cuando las diferencias una y otra tensión sea inferior
  a 25%. Esto es lo que muchas veces en la interconexión
  de redes de alta tensión.

• Como distribuidores de carga entre varios
  transformadores cuyas impedancias sean inadecuadas para este
  servicio. Trabajen con tensiones de servicio ligeramente
  diferenciada instalación puede realizarse con
  autotransformadores separados o con un autotransformador
  común con todos los transformadores.

Figura 13: Autotransformador
trifásico en conexión Tt

• Como arrancadores para motores trifásicos
  asíncronos. Generalmente, se utilizan
  autotransformadores trifásicos en conexión
  estrella o preferiblemente en conexión V ya que, en
  este último caso puede disminuirse el número de
  contactos necesario.

• Para obtener un sistema trifilar a partir de un
  sistema bifilar; sacando una derivación del punto
  medio del arrollamiento y conectando esta derivación a
  tierra, se obtiene el tercer conductor del
  sistema.

Conclusiones

Los transformadores trifásicos podemos
denominarlo como las máquinas de gran poder, porque al ser
instrumentos reductores o elevadores, pues han generado desde su
invención mayor campo ocupacional pues hoy en día
existen empresas dedicadas únicamente a la
construcción o fabricación de estos equipos y
también a la comercialización de estos
instrumentos. Son de grandísima utilidad porque en general
queramos negarlo o no, siempre en la vida diaria estamos
utilizando un transformador ya sea en la universidad, en la
calle, en la casa, en los parques públicos, en los
edificios, en fin en todas partes.

Bibliografía

CHAPMAN Stephen J., Máquinas
Eléctricas Editorial MaGraw Hill, Tercera edición,
Colombia, 2000

Editorial CEAC, Transformadores y
convertidores, 1979

KOSOW, Irving L., Máquinas
eléctricas y transformadores. Editorial Prentice Hall
Hispanoamericana S.A.. México 1991

Autor:

Pedro Alcibiades Jara
Maldonado

Pablo David Auquilla
Tenezaca

Christian Amendaño

UNIVERSIDAD POLITECNICA
SALESIANA

Ingeniería
Electrónica