Transformador trifásico e instrucciones de conexión

El transformador trifásico se utiliza ampliamente para generar y transmitir electricidad a largas distancias, atendiendo principalmente necesidades industriales y comerciales. Para ajustar los niveles de tensión en estos sistemas, se emplean transformadores trifásicos, ya que permiten varias configuraciones de bobinado para aumentar o reducir la tensión.

Anteriormente, examinamos la construcción y el funcionamiento de los transformadores monofásicos de dos devanados, que pueden modificar de forma similar los niveles de tensión secundaria en relación con la tensión de alimentación primaria.

Sin embargo, los transformadores no se limitan a aplicaciones monofásicas. Pueden diseñarse para sistemas bifásicos, trifásicos, hexafásicos o incluso más complejos, ampliándose hasta 24 fases en escenarios especializados de rectificación de CC de alta potencia.

Al interconectar los devanados primarios de tres transformadores monofásicos y hacer lo mismo con sus devanados secundarios en una disposición específica, esta configuración se convierte en adecuada para su uso con una fuente de alimentación trifásica.

Los suministros trifásicos -denominados trifásicos o 3φ- son esenciales para la generación, transmisión, distribución y aplicaciones industriales. Ofrecen ventajas significativas sobre los sistemas monofásicos en términos de eficiencia y rendimiento eléctrico.

Sin embargo, cuando se trabaja con transformadores trifásicos, es importante tener en cuenta las tres tensiones y corrientes alternas que están desfasadas 120 grados entre sí.

Transformador trifásico Tensiones y corrientes trifásicas

En un sistema eléctrico trifásico, la tensión entre líneas (VL) representa la tensión entre dos líneas cualesquiera, mientras que la tensión fase-neutro (VP) es la tensión medida entre una sola fase y el punto neutro. La relación entre estas tensiones en una conexión en estrella viene dada por VL=√(3)×VP.

Un transformador no puede convertir una alimentación monofásica en trifásica ni viceversa. Para que los transformadores sean compatibles con los sistemas trifásicos, sus devanados deben conectarse en configuraciones específicas para formar una configuración de transformador trifásico.

Transformador trifásico Construcción
Un transformador trifásico puede construirse de dos maneras:

1. Combinando tres transformadores monofásicos para crear un “banco de transformadores trifásicos”.”
2. Utilizando un único transformador trifásico premontado con tres pares de bobinados montados sobre un núcleo laminado.

El diseño de una sola unidad ofrece ventajas como la reducción de tamaño, peso y coste, y una mayor eficiencia para la misma potencia en kVA en comparación con el uso de tres transformadores separados. Sin embargo, el uso de transformadores individuales aporta flexibilidad y fiabilidad, ya que una unidad puede sustituirse sin afectar a todo el sistema.

Configuraciones de bobinado
Los devanados de los transformadores trifásicos pueden conectarse en distintas configuraciones para satisfacer diferentes requisitos eléctricos:

• Estrella (Wye): Un extremo de cada bobinado se conecta para formar un punto neutro.
• Delta (malla): Los devanados están conectados de extremo a extremo en un bucle cerrado.
• Estrella interconectada (Zig-Zag): Una variación de la conexión en estrella para aplicaciones específicas.

Los devanados primario y secundario pueden disponerse en combinaciones como estrella-estrella, delta-triángulo, estrella-triángulo o delta-estrella. Cada configuración tiene sus casos de uso específicos:

• Delta-Star (Δ-Y): Comúnmente utilizado para los transformadores elevadores al inicio de las líneas de transmisión.
• Estrella Delta (Y-Δ): Se utiliza para los transformadores reductores de las subestaciones.
• Star-Star (Y-Y): Adecuado para aplicaciones de alta tensión con cargas equilibradas.
• Delta-Delta (Δ-Δ): Ideal para sistemas de baja tensión y cargas desequilibradas.

Cuando los transformadores proporcionan tres o más fases, se denominan transformadores polifásicos. Estas configuraciones permiten flexibilidad en los niveles de tensión y garantizan la compatibilidad con distintos sistemas eléctricos.

Configuraciones estrella y triángulo de transformadores trifásicos

En los sistemas de transformadores trifásicos, los términos “estrella” (o estrella) y “triángulo” (o malla) se refieren a formas específicas de interconectar los devanados del transformador. Estas configuraciones influyen en los niveles de tensión, el flujo de corriente y la conexión a tierra del sistema.

Conexión en estrella (estrella)

• En una conexión en estrella, un extremo de cada bobinado se conecta a un punto neutro común, formando una “Y”. Los otros extremos de los bobinados se conectan a las líneas trifásicas.
• Esta configuración proporciona tensiones de línea a línea y de línea a neutro, lo que la hace versátil para sistemas que requieren varios niveles de tensión. El punto neutro también puede conectarse a tierra para mayor seguridad y estabilidad.
• En las conexiones en estrella, la tensión de línea (VL) es 33 veces la tensión de fase (VP), mientras que la corriente de línea es igual a la corriente de fase.

Conexión Delta (Malla)

• En una conexión en triángulo, los devanados están conectados de extremo a extremo en un bucle cerrado, formando un triángulo. Cada esquina del triángulo se conecta a una de las líneas trifásicas.
• Las conexiones en triángulo no tienen punto neutro, pero son fiables porque pueden seguir funcionando aunque falle un devanado. Esto es especialmente útil para cargas desequilibradas o aplicaciones industriales.
• En las conexiones en triángulo, la tensión de línea es igual a la tensión de fase, mientras que la corriente de línea es 33 veces la corriente de fase.

Marcado y etiquetado

• Los devanados primarios se etiquetan con letras mayúsculas (A, B, C), correspondientes a las fases (por ejemplo, rojo, amarillo, azul). Los devanados secundarios se etiquetan con letras minúsculas (a, b, c).
• Cada devanado tiene dos terminales etiquetados numéricamente (por ejemplo, A1 y A2 para los devanados primarios; a1 y a2 para los secundarios).

Flujo magnético y fases

• Cuando se conectan tres transformadores monofásicos en un sistema trifásico, sus flujos magnéticos difieren en fase 120 grados eléctricos. Esto garantiza un funcionamiento equilibrado y una transferencia de energía eficiente.
• Una sincronización adecuada es fundamental cuando se interconectan devanados para evitar tensiones o corrientes desajustadas.

Combinaciones de conexiones

Los devanados primario y secundario pueden configurarse en varias combinaciones:

• Delta-Delta (Δ-Δ): Adecuado para sistemas de baja tensión con cargas desequilibradas.
• Star-Star (Y-Y): Común en sistemas de alta tensión con cargas equilibradas.
• Delta-Star (Δ-Y): Se utiliza para los transformadores elevadores en los orígenes de las líneas de transmisión.
• Estrella Delta (Y-Δ): Se utiliza normalmente para los transformadores reductores de las subestaciones.

Estas configuraciones permiten que el transformador trifásico se adapte a diversos requisitos eléctricos, al tiempo que garantiza una distribución eficaz de la energía.

Configuraciones estrella y triángulo del transformador

En los transformadores trifásicos, se emplean símbolos específicos para denotar los tipos de conexiones utilizados para los devanados primario y secundario.

Símbolos de conexión

• Letras mayúsculas:
  • Y: Representa una conexión en estrella para los devanados primarios.
  • D: Indica una conexión en triángulo para los devanados primarios.
  • Z: Indica conexiones en estrella interconectadas para los devanados primarios.
• Letras minúsculas:
  • y: Representa una conexión en estrella para los devanados secundarios.
  • d: Indica una conexión en triángulo para los devanados secundarios.
  • z: Indica conexiones en estrella interconectadas para los devanados secundarios.

Ejemplos de etiquetado

• A Estrella-Estrella (Yy) transformador conectado se etiquetaría como Yy, lo que indica que tanto el bobinado primario como el secundario están en configuración de estrella.
• A Delta-Delta (Dd) transformador conectado se etiquetaría como Dd, lo que significa que tanto el devanado primario como el secundario están configurados en triángulo.
• En Estrella interconectada a estrella interconectada (Zz) transformador se etiquetaría como Zz, lo que indica que ambos conjuntos de bobinados son estrellas interconectadas.

Estos símbolos proporcionan una forma clara y concisa de identificar la configuración de los transformadores trifásicos, facilitando la comunicación y la comprensión entre ingenieros y técnicos sobre el terreno.

Transformador trifásico Identificación del devanado

Las cuatro configuraciones estándar para conectar tres transformadores trifásicos en un sistema trifásico son:

Delta-Delta (Dd)

• Los devanados primario y secundario están conectados en configuración delta.
• Ventajas:
  • Puede funcionar con 2/3 de su capacidad si falla un transformador.
  • Adecuado para manipular cargas desequilibradas.
• Suelen utilizarse en aplicaciones industriales y sistemas de distribución de baja tensión.

Estrella-Estrella (Yy)

• Los devanados primario y secundario están conectados en estrella.
• Ventajas:
  • Proporciona acceso a las tensiones de línea a línea y de línea a neutro.
  • Adecuado para aplicaciones de alta tensión.
• De uso común en sistemas de transmisión de energía.

Estrella-Delta (Yd)

• Los devanados primarios están en configuración estrella, los secundarios en triángulo.
• Ventajas:
  • Reduce la tensión en los bobinados primarios.
  • Elimina las corrientes de tercer armónico en el secundario.
• A menudo se utiliza para transformadores reductores en sistemas de distribución.

Delta-Estrella (Dy)

• Los devanados primarios están en configuración delta, los secundarios en estrella.
• Ventajas:
  • Proporciona un punto neutro en el lado secundario.
  • Suprime las corrientes armónicas en el primario.
• Se utiliza habitualmente en los transformadores elevadores de las centrales eléctricas.

Consideraciones clave

Ventajas de la configuración en estrella:

• Reduce la tensión en los transformadores individuales.
• Requiere menos vueltas y conductores más pequeños.
• Aislamiento más fácil y rentable.
• Especialmente ventajoso para operaciones de alta tensión.

Ventaja de configuración Delta:

• En una configuración triángulo-triángulo, si falla un transformador, los dos restantes pueden seguir suministrando energía trifásica a aproximadamente 2/3 de la capacidad original.

Estas configuraciones ofrecen flexibilidad en el diseño de sistemas de alimentación, permitiendo a los ingenieros elegir la disposición más adecuada en función de los niveles de tensión, las características de la carga y los requisitos del sistema.

Conexiones triángulo y triángulo de transformadores trifásicos

Configuración Delta-Delta (Dd)

En un grupo de transformadores conectados en triángulo:

• Tensión de línea (VL) es igual a la tensión de alimentación (VS):VL=VS
• Corriente en cada devanado de fase: Iphase=31×IL, donde IL es la corriente de línea

Desventajas de Delta Connection:

1. Cada transformador debe estar bobinado para toda la tensión de línea
2. Requiere 57,7% de la capacidad de corriente de la línea
3. Bobinas más grandes y caras debido al mayor número de vueltas y al aislamiento
4. No hay conexión neutra o común disponible

Configuración Estrella-Estrella (Yy)

En una disposición estrella-estrella:

• Cada transformador tiene un terminal conectado a un punto neutro común
• Los otros extremos de los bobinados primarios se conectan a la alimentación trifásica
• El número de vueltas en los devanados conectados en estrella es 57,7% del necesario para la conexión en triángulo.

Características de la conexión en estrella:

1. Requiere tres transformadores
2. Si falla un transformador, todo el grupo puede quedar inutilizado
3. Económico para sistemas de distribución de energía
4. Permite un cuarto cable como punto neutro en el secundario

Ventaja de Star Connection:

• Permite utilizar un cable neutro, lo que resulta beneficioso en muchas situaciones de distribución de energía.

Comparación

La elección entre las configuraciones delta y estrella depende de los requisitos específicos del sistema, los niveles de tensión y las características de la carga. Cada una tiene sus ventajas en distintos escenarios, lo que las hace adecuadas para diversas aplicaciones en sistemas de potencia.

Conexiones estrella y estrella del transformador

La tensión entre cualquier línea del transformador trifásico se denomina “tensión de línea”, V_L, mientras que la tensión entre cualquier línea y el punto neutro de un transformador conectado en estrella se denomina “tensión de fase”, V_P.

Esta tensión de fase entre el punto neutro y una cualquiera de las conexiones de línea es 1/√3 × V_L de la tensión de línea. A continuación, desde arriba, la tensión de fase del lado primario, V_P se da como.

La corriente secundaria en cada fase de un grupo de transformadores conectados en estrella es la misma que la de la corriente de línea de la alimentación, luego I_L = I_S.

A continuación, la relación entre las tensiones y corrientes de línea y de fase en un sistema trifásico puede resumirse como:

En sistemas de transformadores trifásicos, VL representa la tensión de línea a línea, mientras que VP indica la tensión entre fase y neutro en el primario o en el secundario.

Conexiones adicionales del transformador trifásico

1. Estrella-Delta (Yd):
   • Bobinado primario: Conectado en estrella
   • Devanado secundario: Conectado en triángulo
2. Delta-Estrella (Dy):
   • Devanado primario: Conectado en triángulo
   • Devanado secundario: Conectado en estrella

Los transformadores Delta-Star (Dy) se utilizan habitualmente en sistemas de distribución de baja potencia. Ofrecen dos ventajas fundamentales:

• Los devanados primarios proporcionan una carga equilibrada de tres hilos a la compañía eléctrica
• Los devanados secundarios suministran la conexión neutra o a tierra necesaria del cuarto hilo

Relación de vueltas Complejidad

La relación global de vueltas se complica cuando los devanados primario y secundario tienen distintos tipos de conexión (estrella o triángulo). Para configuraciones delta-triángulo (Dd) o estrella-estrella (Yy), es posible una relación de vueltas 1:1, lo que significa que las tensiones de los devanados de entrada y salida son iguales.

Análisis de la configuración estrella-triángulo (Yd)

En una conexión estrella-triángulo (Yd):

1. Cada devanado primario conectado en estrella recibe la tensión de fase (VP) del suministro:
   VP=31×VL
2. Se induce la misma tensión en cada devanado secundario correspondiente.
3. Como los devanados secundarios están conectados en triángulo, 31×VL se convierte en la tensión de la línea secundaria.
4. Con una relación de vueltas de 1:1, esta configuración proporciona una relación de reducción de tensión de línea de 3:13:1.

Esta característica única de los transformadores estrella-triángulo permite transformar la tensión sin cambiar el número de espiras, lo que los hace valiosos en aplicaciones específicas de distribución de energía.

Para un transformador conectado en estrella-triángulo ( Yd ) la relación de vueltas pasa a ser:

Del mismo modo, para un transformador conectado en triángulo-estrella ( Dy ), con una relación de vueltas de 1:1, el transformador proporcionará una relación de tensión de línea elevadora de 1:√3. Entonces, para un transformador conectado en triángulo-estrella, la relación de vueltas pasa a ser:

A continuación se muestra una tabla con las tensiones e intensidades secundarias para las cuatro configuraciones básicas de transformadores trifásicos, con respecto a la tensión de línea primaria (VLVL) y la corriente de línea primaria (IL):

Dónde:

• nn es la relación de vueltas del transformador (número de vueltas del secundario dividido por el número de vueltas del primario)
• VLVL es la tensión de la línea primaria
• ILIL es la corriente de línea primaria

Esta tabla resume cómo afectan las distintas configuraciones a las relaciones de tensión e intensidad entre los lados primario y secundario de los transformadores trifásicos.

Donde: n es igual a la “relación de vueltas” (R.T.) del transformador, que es el número de arrollamientos secundarios N_S, dividido por el número de arrollamientos primarios N_P. ( N_S/N_P ) y V_L es la tensión de línea a línea con V_P siendo la tensión entre fase y neutro.

Transformador trifásico Ejemplo

Para un transformador conectado en triángulo-estrella (Dy) con las especificaciones dadas, podemos calcular las tensiones y corrientes del lado secundario de la siguiente manera:

Relación de vueltas

La relación de vueltas (n) se calcula como:

n = vueltas secundarias / vueltas primarias
n = 100 / 500 = 0.2

Tensión de línea secundaria

Para un transformador delta-estrella, la tensión de línea secundaria viene dada por:

Tensión de línea secundaria = √3 × n × Tensión de línea primaria
Tensión de línea secundaria = √3 × 0,2 × 100 V
Tensión de línea secundaria ≈ 34,64 V

Corriente de línea secundaria

La corriente de línea secundaria puede calcularse a partir de la potencia nominal del transformador:

Corriente de la línea secundaria = Capacidad del transformador / Tensión de la línea secundaria
Corriente de línea secundaria = 50 VA / 34,64 V
Corriente de línea secundaria ≈ 1,44 A

Tensión de fase secundaria

En un secundario conectado en estrella, la tensión de fase es:

Tensión de fase secundaria = Tensión de línea secundaria / √3
Tensión de fase secundaria ≈ 34,64 V / √3 ≈ 20 V

Corriente de fase secundaria

En un secundario conectado en estrella, la corriente de fase es igual a la corriente de línea:

Corriente de fase secundaria ≈ 1,44 A

Por lo tanto, para este transformador de 50 VA conectado en triángulo-estrella (Dy):

• Tensión de línea secundaria: 34,64 V
• Corriente de línea secundaria: 1,44 A
• Tensión de fase secundaria: 20 V
• Corriente de fase secundaria: 1,44 A

A continuación, el secundario del transformador suministra una tensión de línea, V_LÍNEA de unos 35 V, lo que da una tensión de fase secundaria, V_FASE de 20v a 0,834 amperios.

Construcción de transformadores trifásicos

De hecho, los transformadores trifásicos combinan tres transformadores monofásicos en una sola unidad, lo que ofrece importantes ventajas en términos de coste, tamaño y peso. El resultado es un diseño más compacto y eficiente. tipos de transformadores. Exploremos los aspectos clave de la construcción de transformadores trifásicos:

Construcción del núcleo

1. Transformador con núcleo
   • Tres circuitos magnéticos se entrelazan en un único núcleo de hierro laminado.
   • Este diseño garantiza una distribución uniforme del flujo dieléctrico entre los devanados de alta y baja tensión.
   • Proporciona un mejor acoplamiento magnético y reduce el flujo de fuga.
2. Transformador de carcasa
   • Una excepción al diseño entrelazado.
   • Tres núcleos se colocan juntos pero permanecen no entrelazados.
   • A menudo se utiliza en aplicaciones de alta potencia debido a su resistencia mecánica.

Ventajas del diseño combinado

• Reducción de costes: Menos materiales necesarios en comparación con tres transformadores separados.
• Reducción de tamaño: Su diseño compacto ocupa menos espacio en subestaciones o entornos industriales.
• Reducción de peso: Menor peso total, lo que facilita el transporte y la instalación.
• Mejora de la eficiencia: Un mejor aprovechamiento del material del núcleo reduce las pérdidas.
• Funcionamiento equilibrado: Garantiza un funcionamiento más simétrico en sistemas trifásicos.

Distribución de flujos

• En los transformadores de núcleo, el diseño entrelazado favorece la distribución uniforme del flujo.
• Esta distribución uniforme minimiza los desequilibrios magnéticos y reduce los armónicos.

Disposición del bobinado

• Los devanados suelen estar dispuestos concéntricamente alrededor de los miembros del núcleo.
• Los devanados de alta y baja tensión se colocan para optimizar el aislamiento y la refrigeración.

La integración de tres transformadores monofásicos en una unidad trifásica representa un avance significativo en el diseño de transformadores, ya que ofrece una solución más eficaz y económica para los sistemas eléctricos trifásicos.

Transformador trifásico con núcleo

El diseño con núcleo de tres ramas es el método más utilizado para construir transformadores trifásicos. Este diseño ofrece varias ventajas:

• Enlace magnético: Las fases están interconectadas magnéticamente, lo que permite una distribución eficaz del flujo.
• Ruta de flujo: El flujo magnético de cada miembro utiliza los otros dos miembros como vía de retorno, creando un circuito magnético cerrado.
• Desplazamiento de fase: Los flujos magnéticos en el núcleo, generados por las tensiones de línea, están separados 120° en tiempo-fase.
• Salida sinusoidal: Este desplazamiento de fase da lugar a un flujo casi sinusoidal en el núcleo, que induce una tensión secundaria sinusoidal.

Transformador de cinco brazos tipo concha

Aunque es menos común, el diseño de transformador de cinco ramas tipo concha tiene aplicaciones específicas:

• Construcción: Generalmente más pesados y más caros de construir que los de tipo núcleo.
• Aplicación: Comúnmente utilizado para transformadores de potencia muy grandes.
• Ventaja: Puede construirse con altura reducida, beneficiosa en determinadas instalaciones.
• Similitudes: Los materiales del núcleo, los devanados eléctricos, la envolvente de acero y los sistemas de refrigeración son similares a los de los grandes transformadores monofásicos.

Comparación

La elección entre los diseños de tipo núcleo y de tipo carcasa depende de los requisitos específicos de la aplicación, incluida la potencia nominal, las limitaciones de instalación y los factores económicos.