Transformadores Trifásicos (Enero 2011)

Transcripción

1 Transformadores Trifásicos (Enero 2011) Autor: Paúl Esteban Arpi Coellar Universidad Politécnica Salesiana Facultad de Ingeniería Electrónica Cuenca, Ecuador Resumen El transformador trifásico de igual manera que el transformador monofásico es una maquina eléctrica estática que funciona en base al fenómeno de inducción electromagnética. Están constituidos por dos bobinados por fase, un primario donde ingresa la tensión a transformar y un secundario donde se obtiene la tensión transformada. En total se tendrían en el transformador trifásico seis bobinas, cada par de bobinas va colocado en una columna del núcleo ferromagnético. Se puede considerar al transformador trifásico como la unión de tres transformadores monofásicos unidos por el núcleo magnético, debido a que se tiene en tres bobinas primarias y tres secundarias se pueden obtener varias combinaciones de los mismos para diferentes efectos. Al igual que en el transformador monofásico los bobinados van en las columnas laterales del núcleo. En su construcción se ha considerado la disminución de pérdidas de potencia por lo que usualmente están formadas de chapas apiladas. Pueden ser de más de tres columnas. El aislamiento entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor. Palabras Clave Transformador, Trifásico, Desfase, Hertz, Voltamperios. E I. INTRODUCCIÓN NTRE los muchos equipamientos eléctricos presentes en el medio tanto industrial como civil se puede considerar al transformador como uno de los que revolucionaron la tecnología dando paso a aplicaciones mucho más complejas pero que en esencia se derivan del transformador. El transformador trifásico de igual manera permite que muchas de las cosas que usamos día a día puedan funcionar de una manera efectiva y barata. Se puede considerar al transformador trifásico como la unión de tres transformadores monofásicos unidos por el núcleo magnético, debido a que se tiene en tres bobinas primarias y tres secundarias se pueden obtener varias combinaciones de los mismos para diferentes efectos. A. Convencional de Poste III. TIPOS DE TRANSFORMADORES En este tipo el núcleo y las bobinas se encuentran montados de forma segura en un tanque de aceite para si refrigeración. En su parte externa poseen los terminales conectados a través de bujes de alto voltaje. Por lo general se utiliza un buje además de una terminal de tierra en la pared del tanque conectada al terminal de tierra del devanado de alta tensión para usarse en circuitos de varias tierras. Este tipo incluye solo la estructura básica del transformador sin equipo de protección alguna. La protección deseada por sobre voltaje, sobrecarga y cortocircuito se obtiene usando pararrayos e interrupciones primarias de fusibles montados separadamente en el poste o en la cruceta muy cerca del transformador. La interrupción primaria del fusible proporciona un medio para detectar a simple vista los fusibles quemados en el sistema primario, y sirve también para sacar el transformador de la línea de alto voltaje, ya sea manual, cuando así se desee, o automáticamente en el caso de falla interna de las bobinas. II. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO El transformador trifásico de igual manera que el transformador monofásico es una maquina eléctrica estática que funciona en base al fenómeno de inducción electromagnética. Están constituidos por dos bobinados por fase, un primario donde ingresa la tensión a transformar y un secundario donde se obtiene la tensión transformada. En total se tendrían en el transformador trifásico seis bobinas, cada par de bobinas va colocado en una columna del núcleo ferromagnético. B. Auto protegido Fig.1 Transformador Tipo Poste Es usado para bancos de secundarios. Es otra variante en la que se proporcionan los transformadores con los dos cortacircuitos secundarios paras seccionar los circuitos de bajo voltaje, confinar la salida de operación únicamente a la sección averiada o sobrecargada y dejar toda la capacidad del transformador disponible para alimentar las secciones

2 restantes. Estos también se hacen para unidades monofásicas y trifásicas. E. Secos Encapsulados en Resina Epoxi Comúnmente utilizados en interior para distribución de energía eléctrica de media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Se los encuentra en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kva, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kv y frecuencias de 50 y 60 Hz Fig. 2 Transformador Auto protegido C. De Distribución Tipo Estación Estos transformadores tienen, por lo general, capacidad para 250,333 ó 500KVA. Se utilizan generalmente para la distribución a redes de bajo voltaje de corriente alterna en áreas de alta densidad de carga, hay transformadores de red disponibles en capacidades aún mayores. Fig. 5 Transformador Encapsulado en Resina Epoxi Fig3. Transformador de Distribución Tipo Estación D. De Potencia Son utilizados para sub transmisión y transmisión de energía eléctrica en alta y media tensión. Son de aplicación en subestaciones transformadoras, centrales de generación y en grandes usuarios. Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 kv. y frecuencias de 50 y 60 Hz. F. Herméticos de llenado integral Son utilizados al aire libre o en interiores 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. 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. Fig. 6 Transformador Hermético de Llenado Integral Fig. 4 Transformador de Potencia G. Subterráneos

3 De construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza Potencia: 150 a 2000KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 216,5/125;220/127;380/220;400/231V Fig. 8 Núcleo de tres columnas [3] Fig. 9 Núcleo de cuatro columnas [3] Fig. 10 Núcleo de cinco columnas [3] Fig. 7 Transformador Subterraneo IV. FORMAS DE LOS DEVANADOS Los devanados estarán formados por bobinas concéntricas de cobre electrolítico diseñados en tal forma que el transformador pueda suministrar la potencia nominal en cualquier posición del conmutador de derivaciones. Las bobinas serán compactas, ensambladas y aseguradas, teniendo en cuenta las expansiones y contracciones debidas a los cambios de temperatura, con el fin de suministrar rigidez para resistir el movimiento y distorsión producidos por condiciones de operación normal o transitoria. Están dispuestas concéntricamente a las columnas del núcleo dejando generalmente al exterior el arrollamiento de alta tensión con barreras adecuadas del arrollamiento de baja tensión y entre los devanados y el núcleo para evitar cualquier problema en el momento de funcionamiento. Las bobinas están aisladas cuidadosamente mediante papeles y cartones, con capas de siliconas aislantes, las mismas que mejoran su aislamiento al contactarse con el aceite dieléctrico y sus extremos provistos de protección adicional contra perturbaciones anormales en la línea. V. FORMAS DE NÚCLEO A. Núcleos a Columnas Al igual que en el transformador monofásico los bobinados van en las columnas laterales del núcleo. En su construcción se ha considerado la disminución de pérdidas de potencia por lo que usualmente están formadas de chapas apiladas. Pueden ser de más de tres columnas. El aislamiento entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor. B. Núcleos tipo acorazado Es el tipo más eficiente de núcleo, pues se reduce la dispersión de flujo magnético. Las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, circulan de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan. El hecho que los núcleos sean hechos en dos partes, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro. Fig. 11 Núcleo Acorazado [3] VI. GRUPOS DE CONEXIONES EN TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Debido a que se posee seis devanados en un transformador trifásico común se pueden obtener varias combinaciones de los mismos. Para relacionar las tensiones y las corrientes primarias con las secundarias 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 zig-zag), las polaridades de los enrollados en un mismo circuito magnético o fase, y las designaciones de los bornes. Es de gran importancia tener en cuenta las siguientes consideraciones: Los devanados ubicados en una misma fase, se dibujan siempre paralelos y con las marcas de polaridad o de comienzo de enrollado en el mismo sentido.

4 Los devanados se dibujan ubicados formando ángulos entre sí, iguales a la diferencia de fase entre las tensiones que existen en ellos y, por comodidad se representan por un trazo. Para todos los casos se considera secuencia positiva en los sistemas trifásicos de tensiones a ambos lados del transformador. Se considera positivo el ángulo en que las tensiones secundarias atrasan a las tensiones respectivas del primario. A cada tipo de conexión trifásica se le asigna un subíndice numérico (entre 0 y 12) que indica porque múltiplo de 30º, el fasor voltaje del lado secundario atrasa al fasor voltaje del primario. Esto se denomina desplazamiento angular de la conexión. A. Conexión Estrella (Y) La conexión estrella tiene voltajes de línea que se relacionan con los voltajes de fase. En la conexión estrella cortocircuitamos las slidas xyz y alimentamos las fases u v w respectivamente: C. Conexión Zig Zag Fig.13 Conexión en Triángulo Por lo general se utiliza en el devanado secundario para realizar esta conexión se divide a cada uno de los bobinados en partes iguales y procediendo a realizar la conexión como se ve en las figuras: Fig.12 Conexión en Estrella B. Conexión triangulo: Se debe cortocircuitar el ingreso del primer devanado con las salida del segundo, el ingreso del segundo con la salida del tercero y el ingreso del tercero con la salida del primero así obtenemos la conexión delta o triangulo como se puede apreciar en la figura: Fig. 14 Conexión Zig Zag

5 Fig. 18 Conexión Estrella-Delta G. Conexión Estrella-Estrella Cuando el devanado primario y el secundario se encuentra en estrella. En esta conexión los voltajes de línea se relacionan con los de fase. D. Conexión Delta-Delta Fig. 15 Conexión Zig Zag Cuando el devanado primario y el secundario se encuentran conectados en triángulo. En esta conexión los voltajes primarios de línea y de fase son iguales: Fig. 19 Conexión Estrella-Estrella A continuación se presenta una tabla con las formas más frecuentes de conexión en las cuales el grado de desfase se obtiene multiplicando el número que acompaña la denominación. Fig. 16 Conexión Delta-Delta E. Conexión Delta-Estrella Cuando el devanado primario se encuentra en triángulo y el devanado secundario se encuentra en estrella. En esta conexión los voltajes de línea y de fase son iguales tanto en el primario como en el secundario: Fig.17 Conexión Delta-Estrella F. Conexión Estrella-Delta Cuando el devanado primario se encuentra en estrella y el secundario se encuentra en triángulo. En esta conexión los voltajes de línea del secundario y fase son iguales.

6 Tabla 1. Grupos de Conexiones VII. CONCLUSIONES En el estudio del uso de los transformadores trifásicos resulta de vital importancia tener claros los conceptos definidos anteriormente ya que muchas veces se utiliza de manera genérica al mismo sin considerar que se puede sacar un mayor rendimiento si se tiene claro sus diferentes conexiones y características. Esta máquina eléctrica es una de las más usadas y esenciales del medio eléctrico por lo que se debe tener un claro conocimiento del mismo. REFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5] Stephen J. Chapman, Fundamentos de circuitos eléctricos. 4ta Edición