Los Transformadores Trifasicos

5/12/2018 Los Transformadores Trifasicos - slidepdf.com

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA MAQUINAS ELECTRICAS I.

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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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http://www.monografias.com/trabajos11/tebas/tebas.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/tebas/tebas.shtml




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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

2




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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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http://www.monografias.com/trabajos78/tipos-transformadores-trifasicos/tipos-transformadores-trifasicos.shtml



http://www.tuveras.com/eltrafotrifasico/eltrafotrifasico.htm

http://html.rincondelvago.com/dielectricos-liquidos.html




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http://html.rincondelvago.com/dielectricos-liquidos.html

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