Transformadores Trifásicos PDF

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Introducción a transformadores Trifásicos...

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Instituto Tecnológico de Ti

Departamento de Metal Mecánica Ing. Mecánica Circuitos y Máquinas Eléctricas. Christian Aldrete Maldonado. Alumno:  Flores Soto Ulises Eduardo.

‘’Transformadores Trifásicos’’ 19 Mayo 2020

Diferencia entre el voltaje rms y pico Para comprender y visualizar con claridad en que consisten y sobre todo la relación que presentan ambos tipos de voltajes, es necesario hablar de corriente directa y alterna.

Corriente Directa También llamada corriente continua. Es aquella en que la corriente eléctrica que circula a través de un circuito, esta se mueve en un solo sentido, de un polo a otro (Del polo o terminal positivo al negativo ‘’según el sentido convencional’’) y por consecuencia, el mismo sentido de la corriente no cambiara si dichas terminales permanecen con la misma polaridad en el circuito.

Figura 1: Circuito eléctrico conectado a una carga utilizando una fuente de corriente directa

Además, el voltaje o tensión que genera la fuente de corriente directa no cambia o varia con el tiempo.

Corriente Alterna Es aquella fuente en que la corriente eléctrica que circula en un circuito, esta se mueve en dos sentidos, del polo positivo al negativo (un sentido) y después del polo negativo al positivo (segundo sentido). Por consecuencia, esto quiere decir que los polos cambian o alternan de polaridad durante cierto lapso de tiempo. (El polo que era positivo se convierte a negativo y el polo que era negativo se convierte a positivo).

Figura 2: Circuito eléctrico conectado a una carga (en este caso resistencia), utilizando una fuente de corriente alterna

Además, la tensión o voltaje que se produce si cambia de valor o varia con el tiempo.

Figura 3: Comparación de graficas de los tipos de corriente. Retomando el tema principal, sabemos que una fuente de corriente alterna produce ondas senoidales, así como se muestra en la figura 3. Tanto el voltaje pico y el voltaje eficaz representan la amplitud de una onda, pero se analizan de manera distinta Valor Pico (Vp o Vpk): Se le llama así al valor de la amplitud de una onda a partir del eje de referencia o punto de origen del sistema cartesiano (ya sea positiva o negativa). Valor Eficaz (Vrms): Es el valor de la tensión o voltaje que representa o sustituye al voltaje que se genera en un circuito con fuente alterna, pues según lo mencionado anteriormente, la corriente alterna siempre estará cambiando el valor de la tensión. Esto con el propósito de establecer simplemente un valor para la tensión alterna. Cabe mencionar que este voltaje es el que nos marca cualquier aparato de medición en alterna como los multímetros.

Nota: En ocasiones se considera el voltaje pico pico (Vpp), el cual simplemente es el doble del voltaje pico, o sea seria toda la amplitud de la onda desde –Vp hasta Vp

Figura 4:

La tensión en alterna puede tomar cualquier valor como se mencionó, o sea un valor entre +Vp y –Vp, siendo más explícitos, tomar cualquier valor del intervalo [ -∞,

+∞]

Hablando del voltaje eficaz, esta se representa en la gráfica de la misma manera que el voltaje en directa (línea recta) como en figura 4. Para llegar a esa representación del voltaje eficaz, se obtuvo al hacer una media o sumar cada semiciclo y realizar el ‘’promedio’’ de los semiciclos, la forma correcta de llamarlo es una media de la onda, pero el concepto es el mismo. Para realizar la media del voltaje (Vm) se utiliza la integral y su concepto de área bajo la curva.

Al resolver la integral nos da el voltaje eficaz. Nota: Siempre que se nos proporciona un voltaje o tensión en alterna se supone que es voltaje eficaz al menos que se indique que es voltaje pico o pico pico

¿Cuál es la diferencia de los dos circuitos con transformador?

Figura 5 Podemos observar a simple vista que solo hay una diferencia entre ambos circuitos y es referente a la fuente de corriente alterna. Mientras uno utiliza o proporciona voltaje eficaz el otro circuito con voltaje pico. En el primer circuito, la fuente está alimentando la tensión eficaz de su respectiva onda senoidal. En el segundo circuito, la fuente está alimentando con el voltaje pico al circuito. Sin embargo, es importante señalar que el voltaje pico es mayor que el eficaz (según figura 4). Se menciona esto debido a que se debe plantear la posibilidad de que tanto en el primer y segundo circuito se esté utilizando una misma fuente de corriente alterna y que simplemente en el 1er circuito se está expresando o referenciando el voltaje eficaz y en el 2do el voltaje pico, pero por lo dicho anteriormente, el Vrms tiene que ser menor a Vp, por lo que en este caso de la figura 5 no ocurre así. Lo que realmente ocurre en la figura 5 es que ambos circuitos están siendo alimentados por dos fuentes de corriente alterna distintas y expresando las tensiones en eficaz y pico, donde en el primer circuito por el hecho de ser Vrms nos da a entender que no es el voltaje máximo (pico) que da la fuente. Es por eso que, si comparamos ambas ondas senoidales, la onda del primer circuito tendrá una mayor amplitud

Figura 6

Nota: Debido a que la frecuencia y al ángulo de fase de ambas fuentes son las mismas, esto provoca que ambas tengan la misma forma de onda senoidal en el osciloscopio, mientras que en los transformadores (tienen la misma relación de vueltas), pues se está utilizando para hacer la medición de la tensión (si hubiera sido diferente dicha relación de vueltas en cada circuito, hubiera cambiado la señal en el osciloscopio).

Preguntas y temas de análisis. 2.10.- ¿Por qué los autotransformadores pueden manejar más potencia que los transformadores convencionales del mismo tamaño? Debido a las caídas de voltajes que ocurren en sistemas de potencia alejados de los generadores. El lado primario del autotransformador (el lado por el cual entra la potencia) puede ser de alto o el de bajo voltaje dependiendo de si el autotransformador actúa como el reductor o como elevador. 2.11.- ¿En qué consisten las tomas transformadores? ¿Por qué se utilizan?

de

derivación

(taps)

en

los

Los transformadores de distribución tienen una serie de tomas(taps) en los devanados para permitir pequeños cambios en la relación de vueltas del transformador después de a ver salido de fábrica. Las tomas de un transformador permiten que este 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 encuentre sin carga. 2.12.- ¿Cuáles son los problemas asociados a la conexión trifásica de transformadores en Y-Y? La conexión Y-Y tiene dos problemas graves: 1.- Si las cargas del circuito del transformador están desbalanceadas, los voltajes de las fases del transformador pueden llegar a desbalancearse severamente. 2.- Los voltajes de terceras armónicas pueden ser grandes. 2.13.- ¿Qué es un transformador TCUL? Conocido como el Transformador Conmutador de tomas bajo carga o regulador de voltaje. Se define como aquel que tiene posibilidad de cambiar las tomas mientras se está suministrando potencia. Un regulador de voltaje es un transformador TCUL con un circuito sensor de voltaje incorporado que cambia automáticamente las tomas para mantener constante el voltaje del sistema. Son muy comunes en los sistemas de potencia moderno. 2.14.- ¿Cómo pueden realizarse transformaciones trifásicas utilizando tan sólo dos transformadores? Posteriormente las técnicas que se emplean involucran una reducción en la capacidad de potencia de los transformadores, pero se justifican en ciertas situaciones económicas.

¿Qué tipos de conexiones se pueden utilizar? Algunas de las más importantes conexiones con dos transformadores son:    

Conexión en Delta abierta (o V-V). Conexión Y abierta- D abierta. Conexión Scott-Y. Conexión trifásica en T.

¿Cuáles son sus ventajas y desventajas? Se explicará más adelante en el tema ‘’ Conexiones de un transformador trifásico’’. 2.15.- Explique por qué la conexión en delta abierta está limitada a suministrar solo 57.7% de la carga de un banco de transformación delta- delta normal. En consecuencia, un transformador produce la potencia reactiva que el otro consume. Este intercambio de energía entre los dos transformadores limita la salida de potencia a 57.7% de la potencia nominal original del banco, en lugar de obtener la esperada: 66.7%. Las conexiones en delta abierta se utilizan ocasionalmente cuando se desea suministrar una pequeña cantidad de potencia trifásica junto con una carga monofásica mayor. 2.16.- ¿Puede un transformador de 60 Hz? Ser operado en un sistema de 50 Hz.? Entonces el voltaje que se le aplique debe reducirse también en un sexto o el flujo máximo en el núcleo será demasiado alto. Esta reducción de voltaje, aplicada con frecuencia, es llamada derrateo. Igualmente, un transformador de 50Hz. ¿Qué acciones se deben llevar acabo para que se ha viable esta operación? Puede operarse con un voltaje de 20% más alto a 60 Hz. Si esta acción no ocasiona problemas en su aislamiento. 2.17.- ¿Qué ocurre en un transformador cuando se conecta por primera vez a una línea de potencia? La máxima altura alcanzada por el flujo en el primer semiciclo del voltaje aplicado depende de la fase del voltaje en el momento de su aplicación. Si el voltaje inicial es: V(t)= VM Sen (wt + 90°) = VM Cos wt V. Y el flujo inicial en el núcleo es cero, el máximo flujo durante el primer semiciclo será justamente igual al flujo máximo de estado estacionario ¿Cómo puede minimizarse este problema?

Este flujo máximo es dos veces el flujo normal de estado estacionario. Si se examina en efecto, para parte del ciclo, el transformador parece un cortocircuito y fluye una gran corriente. 2.18.- ¿Qué es un transformador potencial? ¿Cómo se utiliza? Este componente presenta ciertos devanados especiales:  El primario para alto voltaje.  El secundario para bajo voltaje. Este transformador tiene muy baja capacidad de potencia y su único propósito es tomar el voltaje de sistema para mostrarlo a los sistemas que lo monitorean. Dado este propósito, el transformador debe ser muy exacto para que no distorsione en forma apreciable los verdaderos valores del voltaje 2.19.- ¿Qué es un transformador de corriente? ¿Cómo se utiliza? Consta de un devanado secundario enrollado alrededor de un anillo de material ferromagnético en que la línea para medir actúa como primario y atraviesa el centro del anillo. El anillo ferromagnético capta y concentra una pequeña muestra del flujo de la línea primaria. Este flujo induce un voltaje y una corriente en el devanado secundario. Sin embargo, en dicho transformador, la corriente secundaria es directamente proporcional a la corriente primaria más grande y puede proveer una muestra precisa de la corriente de la línea, para propósitos de medida. Estos por igual toman la corriente de la línea y la reducen a un nivel seguro y medible.

Problemas

Transformadores Trifásicos Para entender mejor su concepto, es necesario volver a mencionar algunos aspectos de los transformadores monofásicos y sobre todo de los tipos de corriente que hay en un circuito, para después compararlo con los trifásicos para su mejor comprensión.

Corriente Monofásica: La corriente que circula en el circuito solo produce una onda senoidal (debido a que solo hay un circuito en el transformador).

Figura 7

Corriente Trifásica: La corriente que circula en el circuito produce tres ondas senoidales desfasadas a 120 grados una de otra (hay en realidad tres circuitos).

Figura 8

En un circuito con corriente monofásica, hace referencia a que necesita solo dos cables para completar el circuito

Figura 9

En un circuito con corriente trifásica, hace referencia a que necesita al menos tres cables para completar o cerrar el circuito.

Figura 10: Sistema Trifásico

Podemos presentar el caso en que en el circuito con corriente monofásica solamente tenemos una carga, pero si en lugar de una se lo colocaran tres ‘’por ejemplo’’, entonces ocuparíamos más cables para completar el circuito, así como se mostrara a continuación.

Figura 11: Se agregaron 4 cables adicionales con una sola fuente y teniendo un total de 6.

Es este aspecto a considerar para realizar la comparación de un sistema monofásico y uno trifásico, pues como vemos en la figura 8, solo se necesitaron tres cables y tres fuentes de alterna para alimentar a tres cargas que, a diferencia del sistema monofásico, se hubieran ocupado 6 cables con una sola fuente. Es clara la ventaja que presenta el sistema trifásico, además de que entrega el triple de potencia al tener las tres fuentes (aunque también se puede en el monofásico, pero utilizando cables tres veces más gruesos (en este ejemplo) que los originales ‘’ o sea, aumentar el diámetro de los cables multiplicándolo por tres’’.

Prosiguiendo con la explicación de transformadores trifásicos.

¿Qué es un transformador trifásico? Tiene el mismo fin que un transformador monofásico, transformar una magnitud de tensión o de corriente de un circuito primario a otro secundario por medio de bobinas. El rasgo más correcto para diferenciarlo con el monofásico es en la estructura o composición geométrica y en las conexiones que se utilizan para alimentar uno o más circuitos.

Estructura geométrica de un transformador Para la construcción de un transformador trifásico siempre se parte de una composición de transformadores monofásicos, los cuales se dividen en dos… Banco de Trifásico: Consiste en unir tres transformadores monofásicos basándose en las terminales de las bobinas (ya sea primaria o secundaria)

Figura 12: Conexión de transformadores monofásicos.

Trafo Trifásico: Consiste en la unión de tres transformadores monofásicos con una estructura geométrica en tres dimensiones. Cada transformador está separado uno del otro por un ángulo de 120 grados.

Figura 13

Como se muestra en la figura 12, los tres transformadores están unidos por una misma columna, provocando entonces que la bobina secundaria no se pueda colocar en ese lugar y ahora se pone justo en la misma columna que en el primario (Lo cual resulta ser más eficiente debido el secundario aprovecha más el campo

magnético de la primaria al no necesitar un flujo magnético que pase a través del núcleo y llegue al secundario). Sin embargo, está demostrado que el flujo magnético que circula en la columna que comparten los transformadores es cero, por lo cual se puede quitar resultando…

Figura 14

Figura 15

Figura 16: Esquema real de un transformador trifásico.

Conexiones de un transformador trifásico Recordando que un transformador trifásico es un conjunto de transformadores monofásicos. A continuación, se explicará las conexiones que se realizan (sin importar que sea un banco trifásico o trafo) para su correcto funcionamiento.

Conexión Estrella (Y): Las terminales finales de las tres bobinas son conectadas en un punto para formar una forma de ‘’estrella’’ y formar un cable neutro.

Figura 18

Figura 17

Este tipo de conexión es usada cuando requerimos una terminal o cable neutro con el fin de obtener dos diferentes tipos de voltajes, el de fase y el de línea. Figura 19

¿Qué es el voltaje de fase? Es el voltaje medido entre la terminal línea y el terminal neutro. Esta da a conocer la tensión de una sola carga o elemento (en este caso una sola bobina).

¿Qué es el voltaje de línea? Es el voltaje medido entre las líneas Fórmulas que se utilizan en conexión estrella  La corriente de línea es igual a la corriente de fase.

IL= If

 El voltaje de línea es igual a la raíz de tres multiplicada por el voltaje de fase. VL = √3 * Vf

 Cada bobinado recibe 220 voltios aproximadamente.

Nota: Al calcular el voltaje de línea entre la línea, sabiendo que el voltaje de fase es 220 v, nos da 380 v

Figura 20 La conexión estrella puede ser derivado en dos tipos de sistemas  Sistema de 3 fases y 4 cables  Sistema de 3 fases y 3 cables (quitando el cable neutro)

Figura 21: Sistema 3 fases y 4 cables

Figura 22: Sistema 3 fases y 3 cables

Nota Importante: En el caso de sistema de 3 fases y 3 cables, esto solo es posible si el sistema está balanceado. Pero…

¿A qué se refiere un sistema trifásico balanceado? Un sistema trifásico balanceado es aquel cuyas fuentes se encuentran desfasadas 120 grados entre sí,

tienen la misma magnitud y operan a la misma frecuencia angular. Además, sus impedancias de carga y línea son las mismas para todas las fases.

Conexión Delta (Δ): Las terminales opuestas de las tres bobinas están conectadas juntas. Es llamada conexión delta debido a que cuando se unen dichas terminales, toma la forma de un triángulo equilátero como se muestra en figura 23

Figura 24

Figura 23

La conexión delta es usada cuando NO requerimos una terminal o cable neutro para obtener el voltaje de fase. Solo existe un voltaje y es el de línea.

Figura 25

Fórmulas que se utilizan en conexión delta  La corriente de línea es igual a la raíz de tres multiplicada por la corriente de fase. IL = √3 * If

 El voltaje de línea es igual al voltaje de fase

VL= Vf

 Cada bobina recibe 380 voltios aproximadamente. Figura 26

La conexión delta solo puede ser derivado o conectado en un solo sistema, el sistema de 3 fases y 3 cables (así como en las figuras 24 y 25). Nota Importante 1: Las terminales o fases (roja, azul y amarilla) que resulta de la misma conexión de las terminales de las bobinas (ya sea conexión estrella o delta) se le suelen nombrar R, S y T.

Figura 28

Figura 27

Nota Importante 2: Siempre que se vea la notación para un transformador trifásico ya sea Y-Y, Y-D, D-Y y D-D, nos estará indicando que las conexiones de las bobinas primarias y secundarias, donde la primera letra siempre hará referencia al primario y la segunda letra al secundario.

Conexión Y-Y: El voltaje de la primera fase se enlaza con el voltaje de la segunda fase por la relación de espiras del transformador. El voltaje de fase secundario se relaciona, entonces, con el voltaje de la línea en el secundario por VLS =Ö3 * VFS. Por tanto, la relación de voltaje en el transformador es VLP / VLS = (Ö3 * VFP) / (Ö3 * VFS) = a

Se emplea en sistemas con tensiones muy elevadas, ya que disminuye la capacidad de aislamiento.

Figura 29 Esta conexión tiene dos serias desventajas. Si las cargas en el circuito del transformador están desbalanceadas, entonces los voltajes en las fases del transformador se desbalancearán seriamente.  No presenta oposición a los armónicos impares (especialmente el tercero). Debido a esto la tensión del tercer armónico puede ser mayor que el mismo voltaje fundamental. 

Pueden resolverse usando alguna de las dos técnicas que se esbozan a continuación. Conectar sólidamente a tierra el neutro primario de los transformadores. Esto permite que los componentes adicionales del tercer armónico, causen un flujo de corriente en el neutro, en lugar de causar gran aumento en los voltajes. El neutro también proporciona un recorrido de retorno a cualquier corriente desbalanceada en la carga.  Agregar un tercer embobinado(terciario) conectado en delta al grupo de transformadores. Esto permite que se origine un flujo de corriente circulatoria dentro del embobinado, permitiendo que se eliminen los componentes del tercer armónico del voltaje, en la misma forma que lo hace la conexión a tierra de los neutros. 

Conexión Y-D: Está conexión es ...