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Transformadores trifásico, todas sus conexiones bien explicado

Los transformadores trifásico o las transformaciones de alto voltaje se pueden lograr mediante el uso de transformadores trifásicos, que son dispositivos individuales con todos los devanados construidos en un solo núcleo de hierro. Estas por igual se puede obtener a través del uso de tres transformadores monofásicos que estén conectados externamente para formar un banco trifásico.

Transformadores de alto voltaje

Si bien los dispositivos trifásicos suelen ser la opción más rentable, la opción monofásica proporciona más versatilidad y puede ser atractiva desde el punto de vista de la fiabilidad y el mantenimiento . Si se necesitan varios transformadores idénticos en una ubicación, la opción monofásica puede incluir la compra de una unidad de repuesto para reducir el tiempo de interrupción en caso de falla.

Puntos de conexión de transformador trifásico
Transformodor Trifásicos

Estas prácticas se verifican con mucha frecuencia en bancos críticos de autotransformadores y transformadores elevadores de generador porque la pérdida del transformador durante un período extenso tiene impactos significativos.

La mayor parte de conexiones discutidas en nuestro artículo se implementarán utilizando unidades monofásicas .

Conexiones y configuraciones más habituales en los transformadores trifasico

Nota: Al conectar transformadores monofásicos para formar un banco trifásico, se deben observar cuidadosamente las polaridades del devanado. La polaridad se indica mediante una convención de puntos. La corriente que se debe a un punto en el devanado primario inducirá una corriente que salga del punto en el devanado secundario correspondiente.

Dependiendo de cómo estén conectados los devanados a los casquillos, las polaridades pueden ser aditivas o sustractivas.

Las dos configuraciones de bobinado trifásico más comúnmente utilizadas son delta y estrella, nombradas después de la letra griega e inglesa que cada una se parece. En una configuración delta, los tres devanados están conectados de extremo a extremo para formar una ruta cerrada. Una fase irá conectada a cada arista o esquina del delta.

Aunque los devanados del delta a menudo se operan sin conexión a tierra, una parte del delta se puede tocar y poner a tierra en el centro, o una esquina del delta se puede poner a tierra. Para la configuración en estrella, un extremo de cada uno de los tres devanados irá conectado para formar un neutro. Una de las fases debe irá conectada al otro extremo de los tres devanados. El neutro acostumbra estar conectado a tierra.

La siguiente lista describe las configuraciones de transformadores trifásico donde utilizan las conexiones delta y en estrella.

  • Delta-Delta
  • Estrella-Estrella
  • Delta-Estrella
  • Estrella-Delta

La siguiente parte de este artículo analizará los transformadores trifásicos que utilizan las conexiones de triángulo abierto y estrella en estrella, donde se omite uno de los transformadores monofásicos que conforman el banco trifásico. La pata del transformador con el transformador faltante se conoce como la pata ficticia o fantasma.

Empezamos con la conexión Delta – Delta en los Transformadores Trifásico

Los transformadores Delta-Delta, como se muestra en la Figura 1, a menudo se utilizan para suministrar cargas que son principalmente trifásicas pero que pueden tener un pequeño componente monofásico.

Esquema para conexión de transformador delta-delta
Fig 1. Conexión Delta-Delta Para Transformador

La carga trifásica es típicamente la carga del motor, mientras que el componente monofásico a menudo es iluminación y energía de bajo voltaje. La carga monofásica puede alimentarse conectando a tierra una derivación central en una de las patas del delta secundario, luego conectando la carga monofásica entre una de las fases en la pata con conexión a tierra y este neutro con conexión a tierra.

La Figura 2 nos mostrará una conexión interna para el transformador delta-delta.

Esquema de conexión interna con sus respectiva variables de calculo para el transformador Delta-Delta
Fig. 2 – Conexiones de transformador Delta – Delta (haga clic para ampliar el diagrama)

El diagrama de conexión de la izquierda muestra cómo se puede hacer una conexión delta-delta, ya sea con tres transformadores monofásicos o con un transformador trifásico .

Las líneas discontinuas indican los contorno en los transformadores trifásicos. La implementación de tres transformadores monofásicos se puede ver sin tener en cuenta el contorno discontinuo exterior y las etiquetas del buje que se muestran en ese contorno, y concentrándose en los tres contornos más pequeños (transformador monofásico).

Información importante que debes tener en cuenta para la conexión delta-delta

Los bujes de los transformadores monofásicos están conectados por puentes externos como se muestra para lograr la conexión delta-delta. En el caso de la implementación de un transformador trifásico, no se tienen en cuenta los tres contornos internos, y los puentes entre los devanados se hacen dentro del tanque del transformador. Los seis casquillos en el esquema del transformador trifásico están disponibles para la conexión.

El diagrama esquemático en la esquina superior derecha es quizás más fácil de analizar, ya que se pueden ver claramente las conexiones delta.

Esquema de conexión para Transformadores Trifásico Delta-delta
Esquema de conexión para Transformadores Trifásicos Delta-delta

El diagrama fasorial en la parte inferior derecha muestra las relaciones geométricas entre el circuito de alto voltaje y las corrientes del circuito de bajo voltaje , y las ecuaciones en el centro inferior muestran matemáticamente esas relaciones.

A medida que la carga en un transformador delta-delta se desequilibra, pueden circular corrientes altas en los devanados delta que conducen a un desequilibrio de voltaje. La carga equilibrada requiere la selección de tres transformadores con relaciones de voltaje iguales e impedancias idénticas .

Además, la cantidad de carga monofásica debe mantenerse baja porque el transformador de derivación central debe suministrar la mayor parte de la carga monofásica. A medida que aumenta la carga monofásica, el transformador de derivación central aumentará su carga más que los otros dos transformadores y eventualmente se sobrecargará.

Si falla uno de los transformadores monofásicos en el banco delta-delta, el banco puede funcionar con solo dos transformadores que formen una configuración delta abierta. La clasificación de kVA del banco se reduce, pero todavía se suministra energía trifásica a la carga.

Transformadores Trifásico Conexión Estrella-Estrella

Los transformadores estrella-estrella o también conocidos wye-wye en norteamérica, pueden servir tanto para cargas trifásicas como monofásicas. La carga monofásica debe distribuirse lo más uniformemente posible entre cada una de las tres fases y neutro, como se muestra en la Figura 3.

Esquema para la conexión de transformador Estrella-Estrella
Fig. 3 Conexión de transformador Estrella-Estrella

En esta Figura 4 ilustra la conexión estrella-estrella, ya sea como tres transformadores monofásicos o como una sola unidad trifásica. A continuación te mostraremos las etiquetas de los bujes y los puntos de polaridad para cada conexión.

Conexión interna de transformador Estrella-Estrella fig2
Fig. 4 Conexión de transformador Estrella-Estrella

Un detalle que jamás podemos pasar desapercibido en los transformadores estrella-estrella es la propagación de corrientes y tensiones del tercer armónico . Estos armónicos pueden causar interferencias en los circuitos de comunicación cercanos , así como otros problemas variados de calidad de energía eléctrica.

Otro problema es que existe la probabilidad de que se produzca resonancia entre la capacitancia en derivación de los circuitos conectados al transformador y la susceptancia magnetizante del transformador, especialmente si los circuitos incluyen cable aislado. Debido a estas causas, los transformadores estrella-estrella deben ser tratado con especificaciones e implementación detallada y cuidadosa

Agregar un tercer devanado (terciario) conectado en delta trae como resultado un alivio de muchas de las preocupaciones que antes mencione.

Conexión Delta-Estrella

La conexión Delta-Estrella es la conexión de transformador trifásico más comúnmente utilizada en la actualidad. El secundario conectado en estrella permite que la carga monofásica pueda distribuirse entre las tres fases a neutro en lugar de colocarse todo en un devanado como en un secundario delta de cuatro cables.

Esto ayuda a mantener equilibrada la carga de fase en el transformador y es especialmente importante cuando la cantidad de carga monofásica aumenta . El punto neutro estable también proporciona una buena ubicación de tierra para permitir la amortiguación crítica del sistema para evitar oscilaciones de voltaje.

Si uno de los transformadores monofásicos en el banco delta-estrella falla, todo el banco queda inoperativo.

Además, dado que el transformador delta-wye introduce un cambio de fase de 30 ° de primario a secundario como se puede ver por los símbolos de fase en la Figura 5, no puede ser paralelo a los transformadores delta-delta y estrella-estrella que no producen desplazamiento de fase.

Esquema para conexión de transformador Delta-Estrella
Fig. 5 Conexión de transformador Delta-Estrella

La Figura 6 ilustra como descotrumbre en este articulo la conexión interna delta-estrella, ya sea como tres transformadores monofásicos o como una sola unidad trifásica. En estos por igual se muestran las etiquetas de los bujes y los puntos de polaridad.

Esquema interno de conexión de transformador Delta-Estrella
Fig. 6 Conexión de transformador Delta-Estrella

Una análisis más profundo del transformador Delta-Estrella

El análisis del transformador Delta-Estrella ilustra muchos conceptos importantes con respecto al funcionamiento de los transformadores polifásicos. El análisis se puede hacer ya sea en voltaje o corriente. Dado que el voltaje (diferencia de potencial o la resta de dos cantidades fasoriales) es bastante abstracto y difícil de visualizar, la corriente (o el flujo de carga) se utilizará como base para el análisis, ya que la corriente es fácil de conceptualizar.

Las corrientes debidas en los devanados de un transformador delta-wye se muestran en la Figura 7. Tenga en cuenta que las flechas indican direcciones instantáneas de la corriente alterna y son consistentes con la convención de puntos.

Esquema de punto de conexión transformador Delta-Estrella
Fig. 6 Conexión de transformador Delta-Estrella

El análisis debe comenzar en uno de los dos circuitos eléctricos, ya sea el circuito de alta tensión conectado por delta o el circuito de baja tensión conectado en estrella.

Como la corriente se utiliza como base para el análisis, el circuito conectado en estrella se selecciona como punto de partida, ya que en un circuito conectado en estrella, las corrientes de línea (que salen del transformador) y las corrientes de fase (debidas en los devanados del transformador) son iguales. Esta relación entre las corrientes de línea y fase simplifica el análisis.

El análisis comienza etiquetando todas las corrientes de línea y fase. Esto se muestra en la Figura 8.

Esquema con variables para la conexión de transformador Delta-Estrella, transformadores trifasico
Fig. 8 Conexión de transformador Delta-Estrella

Análisis de las variables integradas al circuito

Debes tener en cuenta que los subíndices en minúsculas indican las corrientes de línea en el circuito de bajo voltaje, y los subíndices en mayúsculas indican las corrientes de línea en el circuito de alto voltaje. 

En el circuito de bajo voltaje, las corrientes de fase son idénticas a las corrientes de línea correspondientes, por lo que también están etiquetadas como a , I by I c . Cuando se dibujan los devanados del transformador, un devanado particular de alto voltaje corresponde al devanado de bajo voltaje paralelo a él.

En otras palabras, un devanado de alto voltaje y un devanado de bajo voltaje que se dibujan paralelos entre sí constituyen un transformador monofásico o dos devanados en la misma pata del núcleo magnético de un transformador trifásico .

La corriente de fase de alto voltaje correspondiente a a está etiquetada como a ′ . La dirección de a ‘en relación con la de a debe respetar la convención de puntos. La magnitud de a ‘en relación con a es la inversa de la relación de transformación del transformador «n» , o

Fórmula aplicada a la conexión delta-estrella

Fórmula de la magnitud eléctrica en los transformadores trifasico

Al analizar un transformador usando por unidad, n = 1, por lo que se convierte en:

a ′ = I a

Entonces,

a ′ = I a (por unidad)
b ′ = I b (por unidad)
c ′ = I c (por unidad)
(ecuaciones 1)

A continuación, la ley actual de Kirchhoff se puede aplicar a cada nodo del delta:

A = I a ′ – I b ′ = I a – I b
 = I b ′ – I c ′ = I b – I c
 = I c ′ – I a ′ = I c – I a
(Eqs 2)

Las ecuaciones anteriores expresan las corrientes de línea del circuito de alto voltaje en términos de las corrientes de línea del circuito de bajo voltaje . En este punto, los valores numéricos pueden ser sustituidos por I a , I b , y I c . Teniendo en cuenta que I a , I b y I c representan un conjunto equilibrado de fasores , se seleccionan valores arbitrarios por unidad para representar la secuencia de fases abc :

secuencia de fases abc en transformadores trifásicos
Eqs. 3

Se debe utilizar una secuencia de fase positiva (abc) , ya que los estándares IEEE para transformadores de potencia (la serie IEEE C57) se basan en la secuencia de fase positiva.

Desarrollo de la fórmula secuencia de fases abc
Secuencia de fases abc

Comparando I una a a I A , una diferencia √3 magnitud y una diferencia de 30 ° angular son evidentes.

Qué dicen las normas sobre las conexiones en los transformadores trifásicos

IEEE Std. C57.12.00 define la dirección en la que los ángulos fasoriales cambiarán de un circuito eléctrico a otro. En un transformador estándar delta-estrella (o estrella-delta), las corrientes y voltajes de secuencia positiva en el lado de alto voltaje conducen las corrientes y voltajes de secuencia positiva en el lado de bajo voltaje en 30°.

Cuando los fasores de alto voltaje retrasan a los fasores de bajo voltaje, la conexión se considera no estándar. A veces, las conexiones no estándar son necesarias para hacer coincidir las fases en dos sistemas diferentes que deben estar conectados eléctricamente, pero normalmente, se especifican las conexiones estándar.

Conexiones Estrella-Delta

El transformador estrella-delta que se muestra en la Figura 9 a veces se usa para proporcionar un neutro en un sistema de tres cables, pero también puede servir la carga desde su secundario .

Esquema de conexión de transformador Estrella-Delta
Fig. 9 Conexión de transformador Estrella-Delta

Los devanados en estrella primarios suelen estar conectados a tierra. Si el secundario es un delta de cuatro hilos, el cuarto hilo que se origina en una derivación central en una de las patas del delta está conectado a tierra.

La Figura 10 ilustra la conexión en estrella-triángulo, ya sea como tres transformadores monofásicos o como una sola unidad trifásica. Se muestran las etiquetas de los bujes y los puntos de polaridad .

Terminales y punto de conexión para transformador Estrella-Delta
Fig. 9 Conexión interna del transformador Estrella-Delta

Incluso cuando no hemos terminado con este articulo estoy seguro que has despejado algunas dudas sobre las conexiones de transformadores trifasico,

Referencia // Distribución de energía industrial por Ralph E.Fehr

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