IE Laboratorio de Máquinas Eléctricas I: Práctica #8: Conexión de transformadores trifásicos Conexiones comunes

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1 IE Laboratorio de Máquinas Eléctricas I: Práctica #8: Conexión de transformadores trifásicos Conexiones comunes KEVIN OLIVARES R. B04587 ANDRÉS ROJAS J. B25848 Universidad de Costa Rica Escuela de Ingeniería Eléctrica 18 de octubre 2016 WILLY VILLALOBOS M. B17170 Resumen En el presente experimento se analizan e implementan los diferentes tipos de conexiones de transformadores trifásicos que se pueden encontrar típicamente en la industria y en los sistemas de distribución de potencia, para poder así determinar el caso más idóneo según la aplicación o necesidad particular que se desee solventar. Palabras clave: Transformador trifásico, delta-estrella, estrella-estrella, deltadelta, índice horario, diagrama fasorial. I-A. Objetivo general I. OBJETIVOS Estudiar de forma experimental las configuraciones básicas para conectar transformadores trifásicos. I-B. Objetivos específicos Analizar el comportamiento de conexiones delta-delta, estrella-estrella, delta-estrella y estrella-delta. Observar el comportamiento del índice horario en cada configuración. II. NOTA TEÓRICA A nivel de producción industrial y generación eléctrica, se ha dado el salto casi por completo al uso de sistemas trifásicos, cuyo análisis no difiere mucho del estudiado y puesto en práctica hasta el momentos para sistemas monofásicos, pues sólo basta con analizar cada fase por separado para tener una serie de sistemas monofásicos con un cierto desfase entre uno y otro, el cual se mantiene en casos donde se cuenta con cargas balanceadas y sin fallas [1]. Este tipo de conexiones para transformación se les conoce como transformación trifásica-trifásica, y consta de un primario en conexión trifásica balanceada y de un secundario también en conexión trifásica balanceada. Este tipo de transformación trifásica puede realizarse de dos formas [4]: Mediante tres transformadores monofásicos individuales unidos entre si en conexión trifásica. Mediante un solo transformador trifásico el cual reúne a tres transformadores monofásicos. EN la transformación trifásica mediante tres transformadores trifásicos se utilizan transformadores de igual relación de transformación, los primarios se conectan a la red trifásica de suministro y los secundarios al sistema trifásico de utilización. II-A. Conexiones de los transformadores trifásicos En los transformadores trifásicos, los arrollamientos pueden estar instalados de las siguientes formas [2]: Conexión en delta (D) Conexión en estrella (Y) Conexión en zig zag (Z) El convenio sobre la utilización de letras para designar abreviadamente las conexiones, utiliza una letra mayúscula y una minúscula para indicar la conexión de los devanados en el primario y en le secundario respectivamente. De esta forma, un transformador con grupo de conexión estrella-zigzag se designa Yz, por citar un ejemplo [5]. Las conexiones en estrella y delta son de uso general, mientas la conexión en zigzag se utiliza solamente en baja tensión [3]. II-B. Estudio de la conexión estrella-estrella (Yy) Este tipo de conexión es le más utilizado para transformadores de distribución de pequeña y mediana potencia, y es el más económico. EL esquema de conexión típico se muestra en la figura 1 [4]. II-C. Estudio de la conexión delta-estrella (Dy) Este tipo de conexión es el más utilizado en los transformadores elevadores de las centrales generadoras. SU conexión típica se muestra en la figura 2 [4]. II-D. Estudio de la conexión estrella-delta (Yd) El empleo más frecuente y eficaz de este tipo de conexión es en transformadores reductores para subestaciones al final de una línea de transmisión. Su configuración típica se muestra en la figura 3 [4]. II-E. Estudio de la conexión delta-delta (Dd) Como no se dispone de neutro en el primario ni tampoco en el secundario, su campo de aplicación es limitado, utilizado en transformadores de pequeña potencia para alimentación de redes de baja tensión con corrientes de línea muy elevadas. Su configuración se muestra en la figura 4 [4].

2 III-A. Lista de equipo III. RESULTADOS Para el desarrollo de está practica se utilizó el equipo que se muestra en el cuadro I. Cuadro I: Equipo utilizado Equipo Placa Características Fuente de V, 8 A CC alimentación 0-120/208 V, 15 A CA adquisición de datos G resistores W V - CA/CC 252 VAr inductores 120 V - 60 Hz 252 VAr inductores 120 V - 60 Hz Cables de conexión - - Transformador trifásico VA - 208/208 V A 1-60 Hz - 3 unidades La conexión de transformadores en estrella delta se muestra en la figura 3. Figura 3: Conexión Yd. La conexión delta-delta se muestra en la figura 4. III-B. Diagramas de conexión Se realizará la conexión de transformadores en estrellaestrella que se muestra en la figura 1. Figura 4: Conexión Dd. Se alimentará una carga RL conectada en estrella balanceada según se muestra en la figura 5. Figura 1: Conexión Yy0. La conexión delta-estrella se muestra en la figura 2. Figura 2: Conexión Dy11. Figura 5: Carga RL. Escuela de Ingeniería Eléctrica 2 de 5 Universidad de Costa Rica

3 III-C. Datos y observaciones obtenidas en el laboratorio Prueba de polaridad La prueba de polaridad fue realizada en la práctica anterior, al utilizar los mismos transformadores de dicha práctica, ya se tenía identificados los terminales con punto. Se realizó la conexión Yy0 mostrada en la figura 1 y se midió la tensión y corriente para una de las fases en el primario y secundario, dado que es un sistema balanceado, el comportamiento será similar en las 3 fases. Los resultados obtenidos se muestran en el diagrama fasorial de la figura 6. Figura 7: Diagrama fasorial para la conexión Dy11. Para la conexión Yd de la figura 3 se obtuvo el diagrama fasorial mostrado en la figura 8. Figura 6: Diagrama fasorial para conexión Yy0. Se observa que la tensión en el primario y secundario están en fase, así como las corrientes, por lo tanto se tiene un índice horario Yy0. Posteriormente se implementó la conexión Dy11 de la figura 2 y se obtuvo el diagrama fasorial mostrado en la figura 7. Figura 8: Diagrama fasorial para la conexión Yd1. Por último para la conexión Dd de la figura 4 se obtuvo el diagrama fasorial mostrado en la figura 9. Escuela de Ingeniería Eléctrica 3 de 5 Universidad de Costa Rica

4 30 o [6], nuevamente este problema se presentó a una mala medición durante la practica en el laboratorio o bien una conexión errónea de los transformadores, en este caso y el anterior (conexión Dy) al involucrar una combinación de conexiones en estrella y delta, se pudo medir en algunos casos tensión de fase y no de línea lo que pudo generar estos desfases incorrectos. Por último se estudió la conexión delta-delta de la figura 4 obteniendo un desfase de 0 o según se muestra en la figura 9 en este caso el resultado si coincidió con el desfase esperado entre las tensiones del primario y secundario utilizadas como referencia. IV-A. Figura 9: Diagrama fasorial para la conexión Dd0. Kevin: IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS Según se ha estudiado en la parte teórica del curso máquinas eléctricas I, existen conexiones básicas en trasformadores como lo son las conexiones delta y estrella, en este laboratorio se analizó el efecto de combinar este tipo de configuraciones en el primario y secundario de un transformador considerando el desfase generado en una de las fases del secundario con su respectiva fase en el primario. La primer conexión estudiada fue la estrella-estrella (Yy0) mostrada en la figura 1, en este caso se obtuvo un desfase de 0 o entre la tensión de una de las fases en el primario y su respectiva fase en el secundario como se muestra en la figura 6, también se observa que la corriente en ambas fases tienen el mismo ángulo de desfase con respecto a la tensión, se observa solo una fase ya que se tienen sistemas balanceados por lo que el comportamiento de todas ellas es similar. Luego se analizó la conexión delta-estrella (Dy) mostrada en la figura 2, para este caso se obtuvo un desfase de 120 o como se muestra en la figura 7, en este caso el resultado esperado es un desfase de 330 o [6], por lo que el resultado obtenido no concuerda con el esperado, esto se pudo presentar debido a que no se eligió correctamente los puntos de medición durante la práctica en el laboratorio, es decir, los terminales de la fase medida en el primario no corresponden con los medidos en la fase del secundario por lo que se obtuvo un desfase diferente del esperado. Para la conexión estrella-delta mostrada en la figura 3 se obtuvo un desfase de -60 o siendo el esperado un desfase de Para el caso de las corrientes, se observa en la figura 6 (conexión Yy0, desfase de 0 o ) que ambas corrientes (corriente en el primario y secundario) están en fase, para el segundo caso mostrado en la figura 7 (conexión Dy11, desfase de 330 o ) se obtuvo un desfase de -30 o, para el caso de conexión Yd1 (desfase de 30 o ) se obtuvo un desfase entre las corrientes de 30 o aproximadamente. En estos tres casos el desfase coincide con el esperado pues se midió correctamente la corriente en las fases. Para la conexión Dd0, el desfase esperado es de 0 o, sin embargo, en la figura 9 el desfase de las corrientes es de -14 o, nuevamente se pudo presentar este error por que no se midió la corriente de fase y si de línea en alguna de las terminales de los transformadores utilizados. IV-B. Andrés: Al haber diferentes tipos de conexiones en los transformadores, como la estrella y la delta. Estas se pueden combinar para generar diferentes funciones. Estableciendo una conexión en el primario y otra conexión en el secundario o la misma en ambos lados. Para la conexión Yy vista en la figura 1 se obtuvo el diagrama fasorial visto en la figura 6. Donde no se presenta un desfase en las tensiones debido a que es la misma conexión. Luego se procedió a poner una conexión Dy11, osea una conexión delta en el primario y una conexión estrella en el secundario. Se puede observar en la figura 2, y su resultado en la figura 7. El 11 se puede observar como si el diagrama fasorial fuera un reloj, su ángulo de 120 grados indica justamente esto. Similar fue la conexión Yd, como la anterior pero opuesta, se puede observar su resultado en la figura 8 con un desfase de -60 grados. Finalmente se realizó una conexión Dd, que como la primera conexión Yy no presenta un desfase, ya que es la misma conexión a ambos lados, como se puede observar en 9. Los valores de tensiones y corrientes dependen de la carga. IV-C. Willy: Dentro de los resultados observados a la hora de implementar las distintas conexiones típicas de los transformadores, se observa particularmente cómo el índice horario, obtenido a partir de las fases, sirve como indicador del comportamiento esperado a la hora de nombrar cada una de las configuraciones. Un detalle importante en este caso es el cuidado que se debe tener de referenciar adecuadamente las fases conectadas para lograr una Escuela de Ingeniería Eléctrica 4 de 5 Universidad de Costa Rica

5 respuesta correcta en el diagrama de fase. Es importante además considerar el efecto de la carga en la fase observada, pues esto también influye en el factor de potencia debido al desfase entre tensión y corriente, aún cuando a nivel del generador la fase se mantenga igual (esto pues se usa la tensión como referencia). Es importante además tener presente la referenciación de las fases con respecto a tierra, especialmente cuando se plantean conexiones en delta (como es bien sabido, el delta carece de retorno a través de un neutro), particularmente a la hora de conectar los equipos en el laboratorio. En las figuras se puede apreciar como la fase varía de forma más significativa cuando se emplean configuraciones híbridas (dy o yd, etc), pues la relación no es necesariamente 1:1 entre los devanados y entre la carga. V-A. Kevin: V. CONCLUSIONES Se estudió diferentes configuraciones de conexión de transformadores con el fin de observar el desfase de la corriente o tensión en el secundario con respecto a las mismas variables en el primario de un transformador trifásico. Fue posible implementar con el equipo proporcionado, las diferentes configuraciones básicas de transformadores trifásicos, empleando directamente este tipo de transformadores. Es posible lograr resultados similares empleando 3 transformadores monofásicos separados. Se pudo observar a partir del diagrama fasorial, cómo los índices horarios determinan el nombre de la configuración según el comportamiento deseado, como es el caso de las configuraciones Dy11 y Yd1. REFERENCIAS [1] Charles K. Alexander and Matthew N. O. Sadiku. Fundamentos de Circuitos Eléctricos. McGraw-Hill, 3 edition, [2] Stephen J. Chapman. Máquinas eléctricas. McGraw-Hill, [3] A. E. Fitzgerald. Electric Machinery. McGraw Hill, [4] Vembu Gourishankar. Conversión de Energía Electromecánica. International Textbook Company, [5] Jesús Fraile Mora, Colegio de Ingenieros de Caminos, and Canales y Puertos. Máquinas eléctricas. McGraw-Hill, [6] Enrique Ras Oliva. Transformadores de potencia, de medida y de protección. Marcombo, V-B. V-C. Al observar el desfase de cada una de las conexiones realizadas (Yy, Yd, Dy y Dd) se logró identificar en que casos las tensiones permanecen en fase y en cuales se presenta una variación. En las configuraciones Yy y Dd el desfase fue de 0 o debido a que cada una de as terminales en el primario correspondieron en orden de conexión con las terminales del secundario. Para las conexiones Yd y Dy se presentó un desfase distinto de 0 o debido a que la tensión de línea a medir en el primario es diferente con respecto al secundario, ya que en una conexión delta la tensión de línea es igual a la de una fase, esto no se cumple en una conexión estrella, por lo que se generan estos desfases. El índice horario es un indicador de cuanto se desfasa la tensión en el secundario con respecto a la del primario, en este laboratorio se logró observar el desfase en cada una de las conexiones, si bien es cierto, en algunos casos se obtuvo resultados distintos de los esperados, se logró identificar los casos en los que el desfase es distinto de 0 o. También se pudo notar que el índice horario también se cumple para las corrientes. Andrés: Hay más de una forma de realizar los diferentes tipos de conexiones, una es utilizando transformadores trifásicos y la otra con transformadores monofásicos, es nada más de verificar cómo se realizan las conexiones, siempre teniendo presente un diagrama a mano, para evitar posibles fallas. Al haber diferentes conexiones entre los transformadores se crea un desfase entre las conexiones donde se puede ver como el índice horario de un reloj. Willy: Dentro de los análisis y experimentos realizados, se extraen las siguientes conclusiones: Escuela de Ingeniería Eléctrica 5 de 5 Universidad de Costa Rica