Transformador Trifasico 3c6q4u

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Transformadores Trifásicos Marcelo Merchan [email protected]

Resumen—En el siguiente ensayo se dará a conocer algunos de los muchos tipos de conexiones de transformadores trifásicos que existen en el medio clasificándolos por su aplicación, su construcción y el tipo de núcleo. De los transformadores trifásicos que se trataran a continuación se detallara potencias que manejan aplicabilidad , y algunos datos técnicos propios de cada transformador que hemos considerado importante mencionar. Por otra parte se dará a conocer los tipos de conexión comúnmente usados para este tipo de transformadores por ejemplo tenemos el delta-delta, delta-estrella, estrella-estrella, y estrelladelta por mencionar algunos, también se da a conocer los tipos de refrigeración de los transformadores además de la relación de transformación de los transformadores. Index —Monofisismo, Polifásico, Flujo, Magnético, Ferromagnético, Devanados, Concéntricos, Dieléctrico,

I.

I NTRODUCCIÓN

Los sistemas eléctricos de corriente alterna, casi siempre son sistemas trifásicos, tanto para la producción como para el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Es por lo cual, el estudio de los transformadores trifásicos es de mucha importancia, en el mundo de las maquinas eléctricas. Los conceptos sobre transformadores monofásicos, son aplicables para transformadores polifásicos. Se debe considerar las fases una a una, y los resultados obtenidos serán los mismos en cada fase. Los transformadores trifásicos se utilizan para el suministro o el transporte de energía a grandes distancias de sistemas de potencias eléctricas. Lo que se conoce como la distribución eléctrica, a grandes distancias. Un sistema trifásico puede estar conformando por 3 transformadores monofásicos. Estos circuitos magnéticos son independientes, es decir no se producirá reacción o interferencia entre los respectivos flujos magnéticos.

II.

T RANSFORMADORES T RIFASICOS

El transformador trifásico de igual manera que el transformador monofásico es una máquina eléctrica estática que funciona en base al fenómeno de inducción electromagnética. Están constituidos por dos bobinados por fase, un primario donde ingresa la tensión a transformar y un secundario donde se obtiene la tensión transformada. En total se tendrían en el transformador trifásico seis bobinas, cada par de bobinas va colocado en una columna del núcleo ferromagnético.

Figura 1.

Transformador Trifasico

Se puede considerar al transformador trifásico como la unión de tres transformadores monofásicos unidos por el núcleo magnético, debido a que se tiene en tres bobinas primarias y tres secundarias se pueden obtener varias combinaciones de los mismos para diferentes efectos

III.

BANCO DE T RANSFORMADORES

Los bancos de transformadores monofásicos son utilizados en sistemas eléctricos trifásicos como sustitución de un transformador trifásico. Por ejemplo, en el transporte a largas distancias de la energía eléctrica. Asimismo, el banco de transformadores monofásicos también sirve para poder cambiar el número de fases del sistema, es decir, un sistema trifásico lo podemos convertir en un sistema bifásico, de 6 fases, de doce fases, etc. Los bancos de transformadores consisten en tres transformadores monofásicos conectados entre ellos para simular un transformador trifásico. Esto estaría 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, es decir, un transformador trifásico es más barato que tres transformadores monofásicos.

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Figura 2.

Conexión Trifasica

Además, esta la relación de tamaño, un único transformador trifásico siempre será más pequeño que un banco de transformadores monofásicos. Tanto los bancos de transformadores monofásicos como el transformador trifásico se pueden conectar de diferentes formas En el caso del transformador trifásico, solo hay que decir que los devanados de las bobinas están conectadas internamente y, estas conexiones pueden ser en estrella o en triángulo. Como se aprecia en la figura 3 en un sistema se puede realizar la transformación de tensiones mediante un banco de tres transformadores monofásicos idénticos. O como en la figura 4 mediante un transformador trifasico.

Cada columna de un transformador trifásico se la puede considerar como un transformador monofasico. Así cuando un banco o un transformador trifásico funciona con cargas equilibradas todos los transformadores monofasicos del banco o todas las columnas del trasformador están igualmente cargados y bastará estudiar uno solo de ellos mediante su circuito equivalente. Hay que tener en cuenta que las tensiones y corrientes a utilizar en dicho circuito equivalente deberán ser las de fases del primario y el secundario y que la potencia de una fase es la tercera parte de la total. De esta manera todas las expresiones obtenidas anteriormente para el estudio del transformador monofásico se pueden adaptar para el estudio de las transformaciones trifásicas con cargas equilibradas.

IV.

Un transformador trifásico consta de tres transformadores monofásicos, bien separados o combinados sobre un núcleo. Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico pueden conectarse independientemente en estrella (Y ) o en triángulo (delta) (4), Esto da lugar a cuatro conexiones básicas para un transformador trifásico.

Figura 5. Figura 3.

G RUPOS DE C ONEXIÓN

Tipo de Conexiones

Banco de tres Transformadores Monafasicos

IV-A.

Conexión estrella (Y ) - estrella (Y )

En una conexión Y - Y como en la figura 8, el voltaje primario de cada fase se expresa por VF P = VLP 3 . 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 = 3 ∗ VF S . Por tanto, la relación de voltaje en el transformador es:

Figura 4.

Transformador Polifásico de tres columnas

√ VLP 3 ∗ VF P = √ =a VLS 3 ∗ VF S

(1)

3

Figura 8. Figura 6.

Conexión Estrella - Triangulo

Conexión Estrella - Estrella

En esta clase de transformadores, las tres fases de ambos bobinados √ están conectadas en estrella, siendo la tensión de línea 3 veces mayor que la tensión de fase.

En esta conexión el voltaje primario de línea se√relaciona con el voltaje primario de fase mediante VLP = 3 ∗ VF P , y el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario VLS = VF S La relación de voltaje de cada fase es: VLP =a VLS

(2)

De tal manera que la relación total entre el voltaje de línea en el lado primario del grupo y el voltaje de línea en el lado secundario del grupo es: √ 3 ∗ VF P VLP = =a (3) VLS VF S

Figura 7.

Esquema de la conexión Estrella - Estrella

En esta clase de transformadores las tres fases del bobinado primario están conectadas en estrella y las del secundario en triángulo.

Se emplea en sistemas con tensiones muy elevadas, ya que disminuye la capacidad de aislamiento. Esta conexión tiene dos serias desventajas: Si las cargas en el circuito del transformador están descompensadas, entonces los voltajes en las fases del transformador se descompensarán 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.

Figura 9.

Esta conexión no presenta problemas con los componentes de tercer armónica puesto que se consumen en una corriente circulante en el lado conectado en delta o triángulo. Esta conexión también es más estable con respecto a las cargas desequilibradas. Sin embargo presenta como problema que debido a la conexión el voltaje secundario se desplaza 30 grados con respecto al voltaje del primario del transformador. IV-C.

IV-B.

Conexión estrella(Y ) - triángulo(4)

La conexión Y - 4 de los transformadores trifásicos se presenta en la figura 8.

Esquema de la conexión Estrella - Estrella

Conexión triángulo(4) - estrella(Y )

En una conexión 4 - Y como en la figura 10, el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario VLP = VF P en√tanto que los voltajes secundarios se relacionan por VLS = 3 ∗ VF S la relación de voltaje línea a línea de esta conexión es:

4

VF P VLP =√ =a VLS 3 ∗ VF S

(4)

Figura 12.

Conexión Triangulo -Triangulo

En este tipo de conexión VLP = VF P y VLS = VF S Así que la relación entre los voltajes de línea primario y secundario es:

Figura 10.

En esta clase de transformadores, las tres fases del bobinado primario están conectadas en triángulo, mientras que las del bobinado secundario lo están en estrella.

Figura 11.

VLP VF P = =a VLS VF S

Conexión Triangulo - Estrella

Esquema conexión Triangulo - Estrella

(5)

En esta clase de transformadores tanto el bobinado primario y secundario están conectados en triángulo.

Figura 13.

Esquema conexión Triangulo - Triangulo

La conexión triangulo - estrella, de las más empleadas, se utiliza en los sistemas de potencia para elevar voltajes de generación o de transmisión, en los sistemas de distribución (a 4 hilos) para alimentación de fuerza.

Se utiliza esta conexión cuando se desean mínimas interferencias en el sistema. Además, si se tiene cargas desequilibradas, se compensa dicho desequilibrio, ya que las corrientes de la carga se distribuyen uniformemente en cada uno de los devanados

IV-D.

Esta conexión se utiliza frecuentemente para alimentar sistemas de alumbrado monofásicos y carga de potencia trifásica simultáneamente, presenta la ventaja de poder conectar los devanados primario y secundario sin desfase, y no tiene problemas de cargas descompensadas o armónicas.

Conexión triángulo(4) - triángulo(4)

La conexión triángulo - triángulo se presenta en la figura 12.

De las distintas formas que pueden conectarse los transformadores las seis formas principales se denominan según se especifica en la tabla siguiente:

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Figura 14.

Grupo de conexiones para transformadores

V.

C ONEXIÓN Z IG - Z AG

Se consigue la conexión zig - zag descomponiendo cada fase del bobinado secundario en dos mitades, las cuales se colocan en columnas sucesivas del núcleo magnético y arrolladas en sentido inverso, conectando los finales en estrella. Esta conexión se emplea únicamente en el lado de baja tensión. Tiene un buen comportamiento frente a desequilibrios de carga. Para evitar el inconveniente de cargas desequilibradas se conecta el arrollamiento secundario en zigzag. Esta conexión consiste en hacer que la corriente circula por cada conductor activo del secundario, afecte siempre igual a dos fases primarias, estas corrientes se compensan mutuamente con las del secundario.

Figura 16.

En la figura 17 se observa el esquema del Transformador trifásico en conexión estrella zig-zag y desfase de 150º con el grupo de conexión Yz5

Figura 17. Figura 15.

Conexión Zig - Zag

Designando arbitrariamente los terminales del primario y con respecto a estas designaciones el secundario ofrece cuatro posibilidades distintas de conexión, dos de ellas que proceden del neutro. Estos grupos de conexión son: Desfase Desfase Desfase Desfase

de de de de

30º (Yz1) 150º (Yz5) -30º (Yz11) -150º (Yz7)

De estos grupos de conexión los más utilizados son el Yz5 y el Yz11. Este tipo de conexión se emplea para transformadores reductores de distribución, de potencia hasta 400KVA; para mayores potencias resulta más favorable el transformador conectado en triángulo estrella.

Representación esquemática Zig - Zag

VI.

Conexión estrella - Zig - Zag

G RUPOS DE CONEXIÓN PARA T RANSFORMADORES T RIFÁSICOS

Además de la conexiones trifásicas conocidas existen la posibilidad de llevar a cabo utilizando solo dos transformadores la transformación trifásica. En este tema veremos las cuatro conexiones más importante o utilizadas para con dos transformadores: VI-A.

Conexión M Abierta o V - V

En ciertas situaciones no puede utilizarse un banco de transformadores completo para realizar una transformación trifásica. Por ejemplo, supóngase que un banco de transformadoresM-Mque consta de transformadores separados tiene una fase dañada que se debe retirar para su reparación. La situación resultante se muestra en la figura 18.

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Figura 18.

Conexión Delta Abierta

Si los dos voltajes secundarios que permanecen son VA = V ∠ 0° Y VB = V ∠ -120° V, entonces el voltaje que pasa a través de la abertura que dejó el tercer transformador está dado por: VC= VA ∠ VB VC= V ∠ 120° Éste es el mismo voltaje que estaría presente si el tercer transformador siguiera ahí. A menudo, a la fase C se le llama fase fantasma. Entonces, la conexión delta abierta posibilita que un banco de transformadores siga funcionando con sólo dos de sus transformadores. Permitiendo que fluya cierta potencia aun cuando se haya removido una fase dañada.

Figura 20.

Diagrama cableado Y abierta Delta abierta

Una gran desventaja es que debe fluir una corriente de retorno muy grande por el neutro. VI-C.

Conexión Scott- T

La conexión Sott-T es la manera de obtener dos fases, separadas 90° de una fuente de alimentación trifásica. En los comienzos de la transmisión de corriente alterna, los sistemas de potencia bifásicos y trifásicos eran bastantes comunes. Por aquellos días, era una necesidad rutinaria la interconexión de sistemas de dos y tres fases, y la conexión Scott-T de transformadores se desarrollo para lograr dicho propósito. Hoy en día la potencia bifásica esta limitada a ciertas aplicaciones de control y esta conexión se sigue utilizando para producir la potencia necesaria para su funcionamiento.

Figura 19.

VI-B.

Conexión De Transformador DeltaAbierta

Conexión Y abierta - M abierta

La conexión ye abierta delta abierta es muy parecida a la conexión delta abierta excepto en que los voltajes primarios se derivan de dos fases y el neutro .Se utiliza para dar servicio a pequeños clientes comerciales que necesitan servicio trifásico en áreas rurales donde no están disponibles las tres fases .Con esta conexión un cliente puede obtener servicio trifásico provisional hasta que la demanda haga necesaria la instalación de la tercera fase.

Figura 21.

Conexión del transformador Scott-T

Esta conexión consiste en dos transformadores monofásicos con idéntica potencia nominal. Uno tiene derivación en su bobinado primario al 86.6 % de voltaje a plena carga. Están conectados tal como se observa en la figura 21

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La derivación del transformador T2 al 86.6 %, está conectada a la derivación central del transformador T1. Los voltajes aplicados al bobinado primario aparecen en la figura 22.

a las derivaciones centrales de los correspondientes bobinados del transformador T1.

Figura 25. Figura 22.

voltajes de alimentación trifásica

y los voltajes resultantes, aplicados a los primarios de los transformadores, se aprecian en la figura 23.

Figura 23.

voltajes en los devanados primarios del transformador

Como estos voltajes están separados 90°, producirán una salida bifásica como se presenta en la figura 24.

v Figura 24.

voltajes secundarios bifásicos

También es posible convertir potencia bifásica en potencia trifásica por medio de está conexión, pero, puesto que existen muy poco generadores bifásicos en uso, esto casi nunca se hace. VI-D.

Conexión trifásica en T

La conexión Scott T usa dos transformadores para convertir potencia trifásica en potencia bifásica a diferente nivel de voltaje. Por medio de una sencilla modificación en tal conexión, los mismos dos transformadores pueden también convertir potencia trifásica en potencia trifásica a diferente nivel de voltaje. Esta conexión se ilustra en la figura 25. Aquí, tanto el bobinado primario como el secundario del transformador T2 se han derivado al 86.6 % y las derivaciones están conectadas

Conexión transformador trifásico T

Como en la conexión Scott T, las tensiones de alimentación trifásicas producen dos voltajes desfasados 90° en los devanados primarios de los dos transformadores. Estos voltajes primarios producen tensiones secundarias, desfasadas también 90°. Sin embargo, a diferencia de la conexión Scott T, las tensiones secundarias se combinan para producir salida trifásica. Una ventaja principal de la conexión T trifásica sobre las otras conexiones trifásicas con dos transformadores es que se puede conectar un neutro, 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 ocurre en los transformadores de distribución. VII. F UNCIONAMIENTO 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 relación 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. Si cualquiera 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. VIII. N ÚCLEOS T RIFÁSICOS El núcleo del transformador es donde van bobinados los alambres. Es en el núcleo donde se produce la conducción eléctrica por medio del acoplamiento magnético. Existen 2 tipos de núcleos fundamentales de estructura del transformador ellos son el tipo núcleo y el tipo acorazado, los cuales se detallan a continuación.

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VIII-A.

Núcleos a Columnas

Al igual que en el transformador monofásico los bobinados van en las columnas laterales del núcleo. En su construcción se ha considerado la disminución de pérdidas de potencia por lo que usualmente están formadas de chapas apiladas. Pueden ser de más de tres columnas. El aislamiento entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor.

Figura 26.

Figura 27.

VIII-B.

Figura 28.

Acorazado Con tres transformadores monofásicos

Figura 29.

Acorazado Polifásico con un solo núcleo

IX.

Núcleo de tres columnas

Núcleo de Cuatro Columnas

Núcleos tipo acorazado

Es el tipo más eficiente de núcleo, pues se reduce la dispersión de flujo magnético. Las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, circulan de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan. El hecho que los núcleos sean hechos en dos partes, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entre hierro. Este tipo de núcleo, a comparación con el núcleo tipo columna tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, su uso es más común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central. Dado que las tensiones en el transformador tipo acorazado presentan menos distorsiones en las salidas de las fases este trasformador es mejor que el trasformador tipo núcleo.

F ORMAS DE D EVANADOS

Los devanados estarán formados por bobinas con céntricas de cobre electrolítico diseñados en tal forma que el transformador pueda suministrar la potencia nominal en cualquier posición del conmutador de derivaciones. Las bobinas serán compactas, ensambladas y aseguradas, teniendo en cuenta las expansiones y contracciones debidas a los cambios de temperatura, con el fin de suministrar rigidez para resistir el movimiento y distorsión producidos por condiciones de operación normal o transitoria. La forma de los devanados en los transformadores dependen en parte del nivel de voltaje que manejan consiguiéndolos clasificar en devanados de baja y alta tensión. La razón principal por la que los hemos clasificado los devanados de esta manera es porque los razones que se toman en cálculo al momento del diseño de los devanados en baja tensión son diferentes a los usados en el diseño de los devanados de alta tensión. IX-A.

Devanados de Baja Tensión

Están constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces en dos o tres capas sobrepuestas), con alambres rectangular aislado. El conductor se usa generalmente para potencia pequeñas tiene diámetros no superiores a 3 o 3.5 mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilíndricos, puede ser de algodón o de papel,más raramente conductor esmaltado en el caso que los transformadores que no sean enfriados por aceite. Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurre al uso de placa o solera de cobre aislada, el aislamiento es por lo general de papel. En el caso de que las corrientes que transporte el devanado sean elevadas ya sea por vacilidad de manipulación en la construccióno bien para reducir las corrientes parásitas, se puede construir el devanado don más de una solera o placa en paralelo. Son aquellos que trabajan en baja tensión están constituidos de dos o tres capas sobrepuestas de espiras, estas espiras están encerradas entre sí por papel o más habitualmente se usan cables esmaltados.

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Figura 30.

Transformador De Baja Tensión

Figura 32.

IX-C. IX-B.

Devanados de Alta Tensión

Los devanados de alta tensión, tiene en comparación con los de baja tensión, muchos espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente baja, por lo que son de conductor de cobre de sección circular con diámetro de 2.5 a 3.0 mm. Los transformadores de alta tensión son usados especialmente en líneas de distribución en el cual ingresa 22000V al primario y se obtiene 220V al secundario, donde se puede prestar atención una gran contradicción de tensiones razón por la cual los criterios de diseño son diferentes a los usados en los transformadores de baja tensión. Estos tienen muchas más espiras que los devanados de baja tensión. Son compuesto 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 similar a las varias bobinas discoidales precisas para transigir el devanado equivalente, por lo normal, el número de espiras por capa en este tipo de devanado; es principal al constituido de varias bobinas discoidales.

Transformador De Alta Tensión

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 difusión del flujo. Esto se logra de mejor manera cuando existe un buen alejamiento entre las espiras de la bobina y ubicando al primario lo más cerca posible del secundario. Para alcanzar estos requerimientos tenemos estos tres tipos de disposición de devanados: IX-C1. El devanado con céntrico simple: En el cual 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 la parte interna, más cerca del núcleo y aislado de este, mientras que el de tensión más elevada, sobrepuesto a este pero debidamente aislados. IX-C2. En el devanado tipo alternado: Cada uno de los dos devanados está subdividido en cierto número de bobinas que están dispuestas en las columnas en forma alternada. IX-C3. El devanado con céntrico doble: Es aquel que se consigue cuando el devanado de menor tensión se divide en dos mitades dispuestas correspondientemente 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 con céntrico 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. IX-D.

Figura 31.

Devanado De Alta Tensión

Construcción de los devanados

Como se indicó anteriormente, los conductores usados para la construcción de los devanados, pueden ser de alambre circular (como un diámetro comprendida entre 0.2 y 0.4 mm) o bien solera de distintas medidas. Según sea el tipo de las espiras de las bobinas, se pueden construir en dos formas. IX-D1. Helicoidal continua: Las bobinas helicoidales se hacen, por lo general, cuando el conductor empleado es de solera, lo único que se debe tener cuidado es en la forma del aislamiento con respecto al núcleo y eventualmente su constitución mecánica. Este tipo de construcción tiene cierto tipo de limitaciones, en cuanto al aislamiento se refiere, aún cuando se puede

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construir en varias capas, por lo que su práctica se limita a los devanados de baja tensión.

X.

ACEITES D IELÉCTRICOS

Los aceites dieléctricos de origen mineral se obtienen de un derivado secundario del petróleo en cuya composición predominan los hidrocarburos nafténicos. Las propiedades de un buen aceite de transformador no son propias o no están presentes, en forma exclusiva, en un determinado tipo de hidrocarburo, sino que por el contrario se encuentran repartidas entre varios ( Naftéticos, parafínicos y aromáticos). Una composición típica de un buen aceite dieléctrico responde a las siguientes proporciones: Hidrocarburos Aromáticos: 4 a 7 % Hidrocarburos Isoparafínicos: 45 a 55 % Hidrocarburos Nafténicos: 50 a 60

Figura 33.

Bobina Helicoidal

IX-D2. Con bobinas separadas (discoidales): La construcción de bobinas discoidales (para devanados con bobinas separadas), generalmente se hace con el mismo número de espiras por bobinas y de capas se hace de manera que se limite la tensión máxima entre espiras de capas adyacentes a una valor entre 200 y 300 volts, con esto se espera que en general, y sólo en casos excepcionales, el voltaje por bobina sea cuando mucho 1000 volts entre capas separadas por papel aislante. IX-E. Aislamiento externo de los devanados Los devanados primario y secundario, deben estar aislados entere sí, generalmente este aislamientos de por medio de separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares que además cumplan con funciones refrigerantes.

Los aceites minerales representan el 90 % del volumen de ventas de aceites dieléctricos a nivel mundial, casi todo usado en transformadores e interruptores de potencia. Una cantidad menor es usada en capacitores y cables.

X-A.

Aceites Sintéticos

La aplicación de aceites sintéticos como aislantes eléctricos ha sido muy limitada. Recientemente se han empleado fluidos sintéticos a base de silicona y ésteres de ftalato en aplicaciones especiales donde un alto grado de seguridad y muy amplio tiempo de servicio es requerido. También, últimamente, se están ensayando acites dieléctricos de naturaleza predominantemente parafínica. Las pruebas y su interpretación son prácticamente las mismas para un aceite sintético a base de silicona que para un aceite mineral. El test de oxidación no se requiere para las siliconas debido a que este material no se oxida (no forma lodos).

X-B.

Propiedades de los Aceites Dieléctricos

Para que un aceite dieléctrico cumpla adecuadamente con su trabajo debe tener ciertas características físicas, químicas y eléctricas. Las principales son:

X-C.

Figura 34.

Aislamiento

Tanto los devanados de baja tensión como los de alta, están provistos de canales de refrigeración para la circulación libre del aceite y están aislados con papel del tipo prestan, revestido con resina epóxica, estable ante las altas temperaturas, que pega íntegramente el papel al cobre del devanado formando un conjunto muy resistente a desplazamientos, lo cual permite después del secado obtener una adecuada resistencia al cortocircuito.

Propiedades Físicas

X-C1. Viscosidad: Por definición, la viscosidad de un fluido es la resistencia que dicho fluido presenta al moverse o deslizarse sobre una superficie sólida. Mientras más viscoso es el aceite, mayor será la resistencia que ofrecerá a moverse dentro del transformador y será menos efectiva su función de refrigeración. Por esta razón, los aceites dieléctricos deben tener una baja viscosidad para facilitar la disipación del calor generado en la operación del transformador. Las viscosidades máximas establecidas para aceites dieléctricos, a las diferentes temperaturas de evaluación, mediante el método ASTM D- 445 o D-88, son: 100 oC . . . . . . . . . . . . .3 cSt 40 oC... . . . . . . . . . . . ..12 cSt 0 oC . . . . . . . . . . . . . 76 cSt

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X-C2. Punto de Inflamación: Se define como la mínima temperatura a la cual el aceite emite una cantidad de vapores que es suficiente para formar una mezcla explosiva con el oxígeno del aire en presencia de una llama. El punto de inflamación de los aceites dieléctricos se ha fijado con un valor mínimo de 145 oC y mientras más alto, será más segura su utilización en transformadores e interruptores de potencia. X-C3. Punto de Fluidez: Se define como la temperatura a la cual el aceite deja de fluir, mientras se somete a un proceso de enfriamiento progresivo. Este dato sirve para identificar diferentes tipos de aceites aislantes. Un punto de fluidez igual o mayor que 0 oC C indica la presencia dominante de hidrocarburos parafínicos, en tanto que puntos de fluidez del orden de -10 oC son propios de las fracciones de petróleo en las cuales predominan los hidrocarburos isoparafínicos. Las fracciones de hidrocarburos nafténicos tienen puntos de fluidez entre -20 a -35 oC y las fracciones de hidrocarburos aromáticos llegan a tener puntos de fluidez del orden de los -40 a -60 oC. X-C4. Color: La intensidad de color del aceite dieléctrico depende de los tipos de hidrocarburos que predominen en dicho aceite. Así por ejemplo, las fracciones parafínicas e isoparafínicas son blancas y transparentes, color agua. Las nafténicas varían de amarillo claro a amarillo verdoso. Las aromáticas poseen coloraciones que van desde el amarillo rojizo (naranja) al marrón oscuro. Para los aceites dieléctricos se ha fijado un color máximo de 0,5 (amarillo claro), buscando que el aceite sea predominantemente nafténico. El color se determina mediante el método ASTM D- 1500 X-D.

Propiedades Eléctricas

X-D1. Factor de Potencia: El factor de potencia mide las pérdidas de corriente que tienen lugar dentro del equipo cuando se encuentra en operación. Estas pérdidas de corriente son debidas a la existencia de compuestos polares en el aceite y a su vez son la causa de los aumentos anormales de temperatura que se suceden en los equipos bajo carga. El factor de potencia máximo permisible ( %), evaluado mediante el método ASTM D-924, es: 25 oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..0,05 % 100 oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 0,3 % X-D2. Rigidez Eléctrica : La rigidez dieléctrica de un aceite aislante es el mínimo voltaje en el que un arco eléctrico ocurre entre dos electrodos metálicos. Indica la habilidad del aceite para soportar tensiones eléctricas sin falla. Una baja resistencia dieléctrica indica contaminación con agua, carbón u otra materia extraña. Una alta resistencia dieléctrica es la mejor indicación de que el aceite no contiene contaminantes. Los contaminantes que disminuyen la rigidez dieléctrica pueden usualmente ser removidos mediante un proceso de filtracion (filtroprensa) o de centrifugación. X-E.

Aplicaciones

Los aceites Dieléctricos pueden utilizarse en: Transformadores de potencia y de distribución. Interruptores de Potencia en baños de aceite. Condensadores.

Como medio aislante en las bobinas de arranque de automóviles. Como aceite dieléctrico en general. La mayor parte de los transformadores trifásicos son de media y de alta tensión por lo tanto los bobinados no se pueden ejecutar en aire porque no tienen suficiente aislación, por esa razón se los construye inmersos en aceite aislante. El aceite aislante es un aceite mineral que posee una rigidez dieléctrica muy superior a la del aire.

Figura 35.

Aceite

XI.

R EFRIGERACIÓN

Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite capaz de mantener una temperatura de operación suficiente baja y prevenir “puntos calientes” en cualquier parte del transformador. XI-A.

Refrigeración forzada y natural

La parte activa del transformador suele ir sumergida en aceite, esta parte está en el interior de un tanque o caja. Esta caja puede tener una superficie de refrigeración considerable, compuesta por tubos, o con radiadores adosados. Este sistema de refrigeración, puede efectuarse por convección natural, o bien forzada (mediante ventiladores que activen la circulación en el caso de refrigeración por aire, y de bombas en el caso del aceite,que mediante un circuito cerrado puede a su vez enfriarse mediante la acción por ejemplo de otra circulación de agua. El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeración que tiene además buenas propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes funciones: Actúa como aislante eléctrico. Actúa como refrigerante. Protege a los aisladores sólidos contra la humedad y el aire. El enfriamiento de los transformadores se clasifica en los siguientes grupos: XI-B.

Tipo OA

Sumergido en aceite, con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento mas comúnmente usado y el que frecuentemente

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resulta el mas económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estos transformadores, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas, corrugadas o bien previstos de enfriadores tubulares o radiadores separables. XI-C.

Tipo FOA

Sumergidos en aceite, con enfriamiento por aceite forzado con enfriadores de aire forzado. El aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlo pasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite colocados fuera del tanque. Su diseño esta destinado a usarse únicamente con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando continuamente. XI-F.

Tipo OW

Sumergidos en aceite, con enfriamiento por agua. Este tipo de transformador esta equipado con un cambiador de calor tubular colocado fuera del tanque, el agua de enfriamiento circula en el interior de los tubos y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite fluye, estando en o con la superficie exterior de los tubos. XI-G.

Tipo seco, con enfriamiento propio. La característica primordial es que no contienen aceite u otro liquido para efectuar las funciones de aislamiento y enfriamiento, y es el aire el único medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas menos de 15KV y hasta 2 000 KVA.

XI-I.

Tipo AFA

Tipo seco, con enfriamiento por aire forzado. Para aumentar la potencia del transformador AA, se usa el enfriamiento con aire forzado. El diseño comprende un ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte inferior del transformador.

Tipo OA/FOA/FOA

Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con enfriamiento de aceite forzado-aire forzado, con enfriamiento aceite forzado-aire forzado. El régimen del transformador tipo OA, sumergido en aceite puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores. En la construcción se usan los radiadores desprendibles normales con la adición de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas de aceite conectados a los cabezales de los radiadores. El aumento de capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas para lograr un aumento de 1.333 veces sobre diseño OA; en el segundo se hace trabajar a la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se consigue un aumento de 1.667 veces el régimen OA. XI-E.

Tipo AA

Tipo OA/FA

Sumergido en aceite con enfriamiento propio y con enfriamiento de aire forzado. Este tipo de transformadores es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento y por lo tanto, aumentar los KVA de salida. XI-D.

XI-H.

Tipo FOW

Sumergido en aceite, con enfriamiento de aceite forzado con enfriadores de agua forzada. El transformador es prácticamente igual que el FOA, excepto que el cambiador de calor es del modelo agua-aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores.

XI-J.

Tipo AA/AFA

Tipo sedo, con enfriamiento natural con enfriamiento por aire forzado. La denominación de estos transformadores indica que tienen dos régimen, uno por enfriamiento natural y el otro contando con la circulación forzada por medio de ventiladores, cuyo control es automático y opera mediante un relevador térmico.

XI-K.

Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi

Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

Figura 36.

XII.

Transformador Con Refigración en resina epoxi

R ELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN DE SISTEMAS TRIFASICOS

En un transformador trifásico o en un banco trifásico podemos distinguir 2 relaciones de transformación diferentes:

XII-A.

La relación de trasformación m

Es el cociente de las tensiones asignadas de fase del primario y del secundario: m=

V1N I2N E1 N1 V1 = = = = V2N I1N E2 N2 V2

(6)

13

XII-B.

La relación de trasformación mT

Es la que normalmente se da como dato y es el cociente entre las tensiones asignadas de línea del primario y del secundario. mT =

I2N L V1L V1N L = ≈ V2N L I1N L V2L

(7)

La relación que existe entre m y mT depende de la forma de conexión depende de la forma de conexión del transformador o del banco Polifásico. Según la norma CEI 76-4, la designación de los terminales del primario y del secundario de un transformador trifásico o de un banco de 3 transformadores monofásicos es así: Se denominan con las letras mayúsculas ( A,B,C,A´,B´,C´) los terminales de alta tensión y con letras minúsculas ( a,b,c,a´,b´,c´) los del lado de baja tensión. Los 2 terminales de la misma bobina están designados con La misma letra, aunque uno de ellos se denomina con la letra con apóstrofe (a y a´, A y A´, b y b´,. . . . . . ) Dos terminales uno del primario y otro del secundario, sometidos a tensiones que están prácticamente en fase (recuérdese que en un transformador monofásico las tensiones primaria y secundaria están casi en fase) se designan con la misma letra, uno con mayúscula y otra con minúscula (a y A, a´ y A’, b y B, b´ y B´. . . . . . .) XIII.

C ONCLUSIONES

Los principios impuestos para los sistemas monofásicos son aplicables para los trifásicos, solo que ahora se aplicaran a cada una de las fases de los mismos. Los transformadores trifasicos se puede decir que está constituido por tres transformadores monofásicos montados en un núcleo magnético común. Este tipo de transformadores se construyen para potencias nominales también elevadas. Los transformadores trifasicos son de más extensa aplicación en los sistemas de transporte y distribución de energía eléctrica. Debido a las necesidades que se deseen emplear los transformadores se procede a realizar la conexión elegida para que el funcionamiento sea mucho mas eficiente. La conexión tipo Estrella - estrella se emplea en sistemas con tensiones muy elevadas, ya que disminuye la capacidad de aislamiento. La conexión triangulo - estrella, es de las más empleadas, se utiliza en los sistemas de potencia para elevar voltajes de generación o de transmisión, en los sistemas de distribución (a 4 hilos) para alimentación de fuerza. Los bancos de transformadores monofásicos son utilizados en sistemas eléctricos trifásicos como sustitución de un transformador trifásico La forma de los devanados en los transformadores dependen en parte del nivel de voltaje que manejan consiguiéndolos clasificar en devanados de baja y alta tensión. La refrigeración en las transformadores es de gran importancia ya que mantienen una temperatura de operación suficiente

baja y pueden prevenir puntos calientes en cualquier parte del transformador. R EFERENCIAS [1] [2] [3] [4]

Aceite para Transformadores . Tutor de Lubricación. Ensayo de Un Transformador Trifásico. page 9. Esteban Arpi Coellar. Transformador Trifasico. Ing. Osvaldo Luis Mosconi. Transformadores Trifasicos. Fundamentos De Electrotecnia. [5] Miguel Angel Rodríguez Pozueta. Transformadores Trifasicos.