Banco de Transformadores Monofásicos y Trifásicos

Banco de Transformadores Monofásicos

• Es posible construir un transformador trifásico conectando tres transformadores monofásicos.
• La conexión puede ser en estrella o en triángulo en el primario y en el secundario.
• El banco de transformadores monofásicos se utiliza en potencias muy elevadas, como en centrales nucleares.
• Algunas de las ventajas que ofrece el banco de transformadores son la facilidad en el transporte y la posibilidad de tener un transformador de reserva (1/3P) por su menor coste y tamaño.

Transformadores Trifásicos

• Tres transformadores monofásicos se conectan a tres tensiones sinusoidales equilibradas.
• Los flujos resultantes estarán desfasados 120°, asegurando que la suma de los flujos sea cero.
• Si se unen las columnas de los tres transformadores, el flujo total en la columna central es cero.
• La columna central puede eliminarse, lo que supone un ahorro de material y peso.
• Una estructura donde se eliminan las culatas de uno de los transformadores para llevar los tres a un mismo plano, no es práctica ni desde el punto de fabricación ni por su volumen.
• La máquina resultante no es completamente equilibrada porque el transformador central tiene una única columna pero no culatas, a diferencia de los otros dos.
• Debido a esta configuración, la reluctancia de su circuito magnético es menor, lo que resulta en una corriente de vacío notablemente inferior a la de los transformadores de los laterales.

Tipos de Transformadores

• Transformadores secos
• Transformadores en cuba de aceite

Circuito Equivalente

• En un sistema equilibrado con carga equilibrada y un transformador Yy, la tensión UN_n = 0.
• Se puede descomponer el sistema en tres sistemas monofásicos.
• Cada uno de estos sistemas tiene magnitudes desfasadas 120° respecto a los otros dos, y sus potencias son un tercio del total.
• Tomando la fase A-a, se obtiene el circuito equivalente fase-neutro reducido al primario.
• En el caso en que los arrollamientos estén conectados en triángulo, se obtiene su estrella equivalente.

Tipos de Conexión

• Tanto el primario como el secundario pueden conectarse en Y o Δ.
• En transformadores trifásicos, la relación de transformación (rt) se define como el cociente entre las tensiones de línea.
• La relación de transformación no siempre coincide con el cociente entre el número de espiras.
• Conexión Δ: Ulinea = Ubobina
• Conexión Y: UL = √3 * Ubobina
• Ubobina = 4.44 * f * N * Φm

Diagrama Vectorial

• El diagrama vectorial representa el equivalente fase-neutro del transformador.

Ensayos

• Los ensayos se utilizan para obtener los parámetros del circuito equivalente monofásico.

Ensayo de Vacío

• Se realiza a tensión nominal asignada, con uno de los devanados a circuito abierto.
• En todos los casos, se calcula el equivalente fase-neutro independientemente de cómo estén conectados los devanados.
• La corriente I2 es cero porque el secundario está abierto.
• Se toma como corriente de vacío (Io) la media de las corrientes en los tres devanados.
• Se tiene en cuenta que la corriente en la columna central es menor.
• La tensión de fase se obtiene de la lectura del voltímetro, dividiendo la tensión de línea entre √3.
• La potencia del ensayo se obtiene de la lectura de dos vatímetros en conexión Aron, sumando algebraicamente las lecturas con sus signos.
• Se puede aprovechar el ensayo para obtener la relación de transformación como el cociente de las tensiones de línea: rt = U1 / U2vacío.
• La resistencia interna del voltímetro es del orden de MΩ, por lo que se puede considerar el secundario en vacío.
• El ángulo de la impedancia se calcula a partir de las lecturas de amperímetro, voltímetro y vatímetro.
• Finalmente, se obtienen las componentes de pérdidas (IFe) y magnetización (Iμ) de la corriente de vacío.

Ensayo de Cortocircuito

• El ensayo se realiza aplicando una corriente nominal.
• Se aplica al devanado una tensión creciente hasta que el amperímetro indique dicho valor nominal.
• En este ensayo, las corrientes en los tres devanados son similares.
• El efecto de la corriente de vacío (Io) frente a la corriente del secundario (I'2) es despreciable; solo es necesario un amperímetro.
• El ángulo de la impedancia se calcula a partir de las lecturas de vatímetro, voltímetro y amperímetro.
• Se calcula el módulo de la impedancia de cortocircuito (Zcc).
• Finalmente, se descompone la impedancia en resistencia y reactancia.

Definiciones

• Las tensiones de cortocircuito porcentuales: Ecc, Ercc, Exec, se definen igual que en el transformador monofásico.

Ejemplos de Cálculo

• Cálculo del circuito equivalente fase-neutro referido al primario de un transformador trifásico.
• Determinación del valor aproximado de la resistencia de un arrollamiento del circuito primario del transformador.
• Cálculo de la tensión en el secundario al alimentar una carga con cosφ = 0.8 inductivo utilizando la aproximación de Kapp.
• Cálculo del rendimiento del transformador

Acoplamiento en Paralelo

• Las condiciones necesarias para el acoplamiento en paralelo son las mismas que para transformadores monofásicos, pero la diferencia de fase entre tensiones presenta más variantes (12 en lugar de 2).
• El desfase entre las tensiones primarias y secundarias se expresa mediante el índice horario.
• Este índice se obtiene mediante un algoritmo gráfico.
• Se considera el transformador alimentado por una red equilibrada de secuencia directa.
• Se consideran ángulos positivos, el retraso de la menor tensión respecto de la mayor.
• Se expresa en múltiplos de 30°.
• Se identifica con la posición de las agujas de un reloj cuando marca una hora exacta.

Permutaciones Circulares

• Se permuta circularmente para no cambiar la secuencia.
• En cada permutación, se incrementa el índice en 4 (4 x 30° = 120°).
• La permutación puede realizarse en ambos sentidos.

Cambio Especular en Índices Impares

• Permutar dos fases (las mismas) en el primario y en el secundario.
• Se obtiene el índice impar simétrico respecto del origen.

Combinación de Permutaciones

• Es posible combinar permutaciones en espejo con conmutaciones circulares.
• Esto permite cambiar a otra secuencia impar y moverse dentro de ella.
• No están permitidos los cambios entre secuencia par e impar, ya que esto implica cambios en el conexionado interno y afecta la relación de transformación en √3.
• Tampoco están permitidos los cambios entre secuencia de índices pares, ya que implica cambios en el conexionado interno.

Autotransformadores

• Un autotransformador es un transformador especial formado por un único devanado que se utiliza como primario y secundario a la vez.
• Funcionan como elevadores o reductores de tensión.
• Las tensiones primarias y secundarias no están aisladas eléctricamente.
• La potencia se transmite por acoplamiento magnético y por conducción eléctrica.
• Al aplicar una tensión U1, aparece una corriente de vacío Io, que origina un flujo magnético Φ, induce una fem E1 ≈ U1 y E2 = U2.
• se cumple, como en el caso del transformador: U1/U2 = N1/N2. Además, N1·I1 = R⋅Φ.
• Al conectar una carga en el secundario, aparece una corriente I2 hacia la carga, que es suministrada por el primario y por el secundario. Como consecuencia, I1 aumenta para que se mantenga el flujo.
• El autotransformador presenta la ventaja de un ahorro de cobre, tanto mayor cuanto más se parezcan U1 y U2.
• Si U2 = 0.5⋅U1: Vol.Cu Autotr. / Vol.Cu Transf. ≈ 0.5.
• Si U2 = 0.75⋅U1: Vol.Cu Autotr. / Vol.Cu Transf. ≈ 0.25.
• La reducción de la cantidad de Cu utilizado reduce las pérdidas en el Cu, y el menor ventana del núcleo debido a la falta de N2 implica ahorro en Fe.
• Los autotransformadores tienen inconvenientes que limitan su uso.
• Presentan un menor flujo de dispersión que disminuye su reactancia de dispersión, generando un cortocircuito mayor.
• Las conexiones Ecc bajas desequilibran cuando trabaja en paralelo.
• El inconveniente mayor es la falta de aislamiento galvánico, lo que pone en peligro al trabajador si entra en contacto con potencial de tierra.
• Se deben instalar diferencias entre U1 y U2 mejores al <25% y conectar neutro con tierra.

Transformadores con Tomas

• En algunas aplicaciones es necesario regular el nivel de tensión para mantener constante la tensión en un nudo de una red, o para regular dicha tensión para controlar los flujos de potencia activa y reactiva en las líneas conectadas al nudo.
• En estos casos se utilizan transformadores que disponen de conexiones intermedias (tomas) en sus devanados, permitiendo así cambiar la relación de transformación dentro de un cierto margen.
• Las tomas pueden ir situadas en el lado de AT o el de BT.
• La relación de transformación (rt) se puede modificar en ±5%.

Transformadores de Corriente (T.I.)

• Los transformadores de corriente trabajan siempre con el secundario cortocircuitado.
• La razón es que no deben trabajar nunca con el secundario abierto, esto puede producir una elevación de tensión.
• Su objetivo es reducir el valor de la corriente para poder medirla.
• El secundario va conectado a tierra por seguridad y se conectan en serie con la línea.

Transformadores de Tensión (T.T.)

• Los transformadores de tensión se conectan a tensiones elevadas y funcionan en vacío.
• Los transformadores de tensión se conectan en paralelo a las bobinas voltimétricas de contadores, voltímetros y relés.
• La bobina primaria tiene muchas espiras y la intensidad debe ser baja.