TRANSFORMADOR TRIFASICO
Un transformador es una máquina eléctrica estática y reversible, que puede modificar tensión e intensidad para una potencia dada, manteniendo constante la frecuencia de la red.
Indice de Contenidos:
- Tipos de Transformadores
- El Transformador Trifásico
- Funcionamiento del Trafo Trifasico
- Relaciones de Transformación en el Trafo Trifásico
- ¿Qué es el Indice Horario del Trafo?
- Determinación del Indice Horario
- Formulas y Magnitudes del Trafo Trifásico
- Refrigeración de los Transformadores
Tipos de Transformadores
Los transformadores, ya sean trifásicos o monofásico, se clasifican en función de sus devanados y de sus nucleos magnéticos.
El núcleo, qúe es el circuito magnético del trafo, son chapas de acero de muy bajo espesor.
Según el núcleo los trafos pueden ser a 2 columnas o a 3 columnas.
Estos últimos también se llaman Acorazados = 3 columnas. Ver imagen de más abajo.
El circuito eléctrico son las bobinas o devanados enrolladas (bobina de cable) sobre el núcleo magnético.
Los devanados que reciben la energía se denominan "primario" y las bobinas o devanados que suministran la energía, lógicamente la misma energía pero con diferente tensión e intensidad, se denominan "secundario del trafo".
Podemos considerar el secundario como el receptor.
Los cables de los bobinados están aislados y también se pueden llamar "Bobinado de Alta AT" y "Bobinado de Baja BT", ya sea el que tiene más tensión para el de alta y el que tiene menos para el de baja.
En función de cómo se colocan (enrollan) las bobinas o devanados los tenemos concéntricos o alternados.
Los transformadores trifásicos son todos a 3 columnas y suelen tener sus bobinas de forma concéntrica.
Si quieres aprender los monofásicos visita el siguiente enlace: Transformador.
Resúmen tipos:
- Según el núcleo: a 2 columnas y/o Acorazados (3 columnas)
- Según las bobinas: Concentricos y/o Alternados
Luego los tenemos con líquido refrigerante en su interior o secos, pero esto lo veremos más adelante.
Los trifásicos, como suelen ser de mucha potencia son todos con líquido refrigerante.
El Transformador Trifasico
Un transformador trifásico está formado por un conjunto de 3 devanados (bobinas) para el primario del transformador y otras 3 para el secundario o de salida del transformador.
En cada columna del núcleo tenemos el bobinado del secundario, normalmente pegado a la chapa de la columna, y encima de este bobinado, enrollado sobre él pero separados por un aislante, el bobinado del primario, pero los dos sobre la misma columna.
Todas las bobinas están montadas sobre un mismo núcleo o banco de chapas magnéticas, pero en 3 columnas diferentes.
Fíjate en la siguiente imagen:
Al ser transformadores de mucha potencia, las bobinas y el núcleo van recubiertas de un líquido refrigerante para que no se calienten en exceso, por ese motívo los trafos trifásicos van metídos en una carcasa herméticamente cerrados.
Luego veremos lo tipos de refrigerantes que se utilizan.
Como el trafo está montado en lo que llamamos un banco de chapas magnéticas, a este tipo de transformadores se les suele llamar "Banco Trifásico".
Podríamos decir que un transformador trifásico está constituido por tres transformadores monofásicos montados en un núcleo magnético común.
Antiguamente se utilizaban 3 transformadores monofásicos independientes conectados a una línea trifásica, pero tiene más pérdidas y son más caros, por lo que ya casi no se usan.
Los principios y finales de las bobinas del transformador se nombran en lado de alta tensión AT (nuestro caso el primario) con letras mayúsculas de la siguiente forma: A principio y A´ (A prima) final del primario.
Ver imagen de más abajo.
En el lado de baja tensión BT (secundario en nuestro caso) igual pero con letras minúsculas aa´ principio y final de la bobina de la misma columna, pero del secundario.
Dependiendo de como estén conectadas las bobinas, el primario o el secundario pueden trabajar en estrella o en triángulo.
En la columna 1 tendremos las bobinas del primario y cuyo extremo A conectaremos a la fase L1 y además, en esa misma columna tendremos arrollada la bobina del secundario o de salida, que nos dará una tensión de salida diferente y que llamaremos l1.
Esta salida l1 al exterior de la bobina del secundario se hace a través del extremo o borne a.
A la bobina de la columna 2 se conectará la fase L2, y la L3 a la tercera bobina de la columna 3.
En estos transformadores se introduce una tensión trifásica en el primario y se induce una fuerza electromotriz (fem) o tensión diferente en el secundario y también trifásica.
La nomenclatura nueva es 1U, 1V y 1W para los bornes del primario y 2u, 2v, 2w y 2n para los bornes del secundario.
Nosotros utilizamos la vieja, que es la de las imágenes de arriba.
Por ejemplo, si es un transformador reductor, tendremos una tensión elevada en el primario que se reducirá en el secundario.
Si es un transformador elevador, tendremos una tensión pequeña en el primario que aumentará en el secundario.
En el transporte y distribución de la energía eléctrica es donde más se utilizan hoy en día los transformadores trifásicos.
A la salida de la central eléctrica elevamos la tensión mediante un transformador elevador para transportarla a otro sitio en alta tensión. Te puede interesar: Redes Aereas de Distribución.
Cuando vamos llegando al punto de consumo tendremos que ir reduciendo esta tensión elevada mediante transformadores reductores.
Si quieres saber más sobre esto visita el siguiente enlace: Como se Distribuye y Transporta la Energía Eléctrica.
Cuando hablamos de tensión en el transformador se refiere a los voltios fuera del transformador y es la que metemos por el primario o la que sacamos por el secundario.
Tensión en bornes del trafo o Tensión Nominal, que siempre se considera la tensión de línea (entre fase y fase)
Cuando hablamos de Fuerza Electromotriz (fem) es la creada o inducida por dentro del transformador, en las bobinas y también se mide en voltios.
Funcionamiento del Transformador Trifásico
Si analizamos una sola columna del trafo tenemos:
- Al conectar una bobina del primario a una tensión alterna se genera en las chapas del transformador una fem (fem del primario) y un flujo magnético que recorrerá las chapas magnéticas del banco.
Como ves esta fem es interna al transformador.
- Ahora esta flujo viajará por las chapas magnéticas de la columna y cortará las espiras de la bobina del secundario por lo que se inducirá en esta bobina una fem por el fenómeno de la inducción electromagnética.
Esta fem inducida en el secundario será de diferente valor que la del primario porque la bobina del secundario tiene diferente número de espiras que la bobina del primario.
Si esta fem inducida la sacamos fuera del trafo, será la tensión en el secundario.
Las dos (la fem y la tensión) se miden lógicamente en voltios porque son tensiones.
En los trafos ideales la fem y la tensión se consideran iguales, no hay pérdidas.
Hablamos de tensión en el primario o de entrada y de tensión en el secundario o de salida.
Esto que ocurre en una columna, ocurrirá igualmente en las otras dos al conectarlas a un sistema trifásico.
Eso si, las tensiones (y corrientes) en cada columna, y por lo tanto las fem, estarán desfasadas 120º una respecto a la otra, como ya deberías saber por ser un sistema trifásico.
Relaciónes de Transformación de un Transformador Trifásico
La relación de transformación es lo que aumenta o disminuye la tensión en un transformador entre el primario y el secundario.
De forma generalizada, en un trifásico será:
m = V1/V2
donde:
V1 = tensión de línea del primario
V2 = Tensión de línea del secundario
También se cumple que:
m = V1/V2= N1/N2
N1 = Número de espiras del bobinado del primario.
N2 = Número de espiras del bobinado del secundario.
La división de las tensiones de fase también nos dará la relación de transformación, ya que será la misma que si dividimos las tensiones de línea.
Recuerda que VL = √3 * Vf.
ms = Vfp/Vfs = Np/Ns; donde
ms = relación de transformación simple o de fase.
Vfp = Tensión de fase del primario
Vfs = Tensión de fase del secundario
Np = Número de espiras del bobinado del primario.
Ns = Número de espiras del bobinado del secundario.
Las tensiones que se utilizan normalmente en los trafos son las de línea (medida entre 2 fases).
De hecho estas son las que se llaman tension nominal, Siempre a la de línea.
Tanto la tensión (o fem) del primario como la del secundario dependen del número de espiras del primario y del secundario y de la forma de conectar las bobinas.
No será lo mismo conectar las bobinas en estrella, que en triángulo, como más adelante veremos.
Cuando el transformador está en carga, si es ideal, la potencia aparente del primario será igual a la del secundario:
S1 = S2
√3 x V1 x I1 = √3 x V2 x I2; de lo tenemos:
V1/V2 = I2/I1 = m
Podemos calcular la relación de transformación con el número de espiras o con las intensidades en el trafo, además de por supuesto con las tensiones.
Las conexiones de las bobinas, además de modificar la relación de transformación en el trafo, puede provocar un desfase de las tensiones de fase entre el primario y el secundario provocando que tengamos el llamado índice horario.
Recordar que en trifásica:
Pactiva =√3 x Vlinea x Ilinea x cose fi
S = √3 x Vlinea x Ilinea
¿Qué es el índice horario de un Transformador?
Es el desfase entre el diagrama vectorial de las fuerzas electromotrices (tensiones) del primario y del secundario.
Indice Horario = Desfase, en grados, entre la tensión del primario y la del secundario.
Así de sencillo, el problema es determinar el índice horario de un transformador concreto.
Eso es lo que aprenderemos aquí.
Lo primero que tenemos que conocer es que el índice horario se llama así porque el desfase se expresa según las horas de un reloj.
Cada hora, desde las 12 en punto, representa un desfase de 30º.
Veamos el reloj que se toma como referencia y con algún ejemplo:
Por ejemplo, si el desfase entre la fuerza electromotriz (fem) del primario y la fem del secundario es de 6, significa que el diagrama de las fem del primario y del secundaria están desfasados 180º.
Si es de 3, desfase de 90º, si es de 11, desfase de 330º (o -30º).
Una vez entendido esto veamos como se expresan las diferentes opciones de conexión de los transformadores trifásico.
En los trafos también se expresa el "Grupo de Conexión", que es la conexión de las bobinas del primario y del secundario mediante letras.
- La primera letra, en mayúscula, nos expresa la conexión del primario. "D" en triángulo, "Y" en estrella.
- La segunda letra, en minúscula, nos expresa la conexión del secundaria. "d" en triángulo, "y" en estrella.
- Puede llevar una n (minúscula) como tercera letras para expresar que es con neutro. Por ejemplo Dyn (triángulo con salida en estrella con neutro)
- El número que se pone a continuación del grupo de conexión es el índice horario del trafo, como ya vimos anteriormente.
Por ejemplo: Dy11 es un transformador con conexión triángulo en el primario y conectado en estrella en el secundario y cuyo índice horario es de 11 o 330º.
Yd11 será estrella en el primario, triángulo en el secundario y desfase de 330º.
Dd0 será triángulo y triangulo con desfase de 0º.
Existe un grupo de conexión llamada zig-zag que se denomina con la letra z y que podrás ver en las conexiones de la imagen de más abajo.
A continuación te dejamos una tabla con los índices horarios más utilizados y las conexiones del transformador trifásico. De momento solo fíjate en lo explicado hasta ahora, a continuación te explicaremos como determinar el índice horario.
Las razones para elegir una configuración Y o Δ para las conexiones de devanado del transformador son las mismas que para cualquier otra aplicación trifásica: las conexiones en Y brindan la posibilidad de múltiples voltajes, mientras que las conexiones en Δ disfrutan de un mayor nivel de confiabilidad (si un devanado falla, los otros dos aún pueden mantener voltajes de línea completos a la carga).
Determinación del Índice Horario de un Transformador
Para determinar el índice horario de un trafo trifásico se parte de lo siguiente: "Todos los arrollamientos montados sobre una misma columna abrazan en cada instante el mismo flujo común F y, con el fin de precisar el sentido de las f.e.m., suponemos que el sentido de arrollamiento de las bobinas primarias y secundarias es el mismo".
¿Qué significa esto?
Los transformadores trifásicos tienen 3 columnas, o lo que es lo mismo 3 arrollamientos (bobinas) en el primario y 3 en el secundario.
Pues lo dicho arriba significa que el vector de la fem de un transformador trifásico en una de sus 3 columnas del primario es de la misma dirección y sentido que la generada en el secundario en la misma columna.
Lógicamente en el secundario mas pequeña si es reductor de tensión.
Si todavía no lo entiendes no te preocupes, con el ejemplo que veremos te quedará claro.
Las columnas (bobinas) en un trafo se nombran de la siguiente forma:
En el Primario el Inicio con la letra A, el Final de la bobina con la A´(A prima).
La segunda columna del trafo será BB´ y la tercera C y C´.
En el Secundario lo mismo pero con letras minúsculas.
En la figura el secundario las letras minúsculas de la parte de arriba son las primas a´b´c´y las de abajo son a, b y c (sin ser primas).
Si nombramos de esta forma, los vectores de las tensiones o fem del primario AA´ y la del secundario aa´ tienen la misma dirección y sentido (como si fueran paralelos, una más grande que otro).
Además Siempre las conexiones a la red del primario serán L1, L2 y L3 (mayúsculas) y las del secundario l1, l2 yl3 (minúsculas).
A partir de ahora hablaremos de tensiones. Ya sabes que en un transformador la fem es la interna, y la tensión es la externa, es decir la que tenemos en los bornes de conexión.
Una vez que sabemos esto, ahora veamos los pasos a realizar para calcular el índice horario.
Imaginemos queremos deducir el índice horario del siguiente trafo:
1º) Sacamos los vectores de las fem del primario AA’, BB’ y CC’. Para eso dibujamos el siguiente triángulo.
Si el primario es en estrella, nos quedará la estrella de tensiones desde el punto neutro, si es en triángulo, nos quedará una representación de vectores formando el triángulo.
¡¡¡OJO!!!! Dibujar el triángulo siempre del primario en la misma posición ya que será la referencia para sacar el índice horario.
En el triángulo anterior ponemos las letra del primario que está conectada a L1 a L2 y a L3 (antiguamente R,S,T).
Como A está unido a L1, en el triángulo de alimentación A deberá estar unido a L1. De igual modo se observa que A’ está unido a L2, por lo que sucederá lo mismo en el triángulo de alimentación. Siguiendo este procedimiento marcaremos los extremos B y B’, así como C y C’.
Nos queda:
Si fuera en estrella tendríamos que poner las tensiones desde N.
Sigamos con nuestro ejemplo y lo entenderás.
2º) A continuación representamos los vectores de las tensiones aa’, bb’ y cc’ del secundario, que como dijimos tienen que tener la misma dirección y sentido que los segmentos AA’, BB’ y CC’ .
OJO, en este ejemplo en estrella.
Según el esquema de conexión a´,b´, y c´están unidos formando el punto neutro.
Pues ya sabes, a ponerlos en el mismo punto.
Sabemos donde este el punto A´ en el primario y donde está el punto a´en el secundario.
Sabiendo donde está el punto A de primario deducimos donde estará el punto a en el secundario.
Recuerda que tienen que ser vectores paralelos AA´ y aa´(misma dirección y sentido).
Además el punto a está conectado a l1.
Con todos estos datos no es difícil sacar el vector aa´.
Repetimos el proceso para las otras dos columnas y nos queda lo siguiente:
¿Te fijas en la diferencia (ángulo) que hay entre el diagrama del primario y del secundario?
Si tomamos como referencia el 12 del reloj, el secundario estaría en el 11, es decir, el índice horario sería 11 con 330º de desfase.
Lógicamente en este caso al estar a´en el neutro la tensión de fase en el secundario de salida será a´a, vector contrario en sentido al AA´, ya que aa´ será del mismo sentido que AA´.
Realmente si hiciéramos el diagrama de tensiones de fase del primario y lo comparamos con el del secundario, eso sería el índice horario: "El desfase entre las tensiones de fase o simples del primario y del secundario de un transformador".
¡OJO! No todas las conexiones iguales, por ejemplo Yy, tienen el mismo índice, depende de la forma de unir los bornes para hacer la conexión.
Veamos un ejemplo de una Yy0 y una Yy6 (imagen de abajo).
¿Qué las hace diferentes?
Fíjate que en el secundario están conectada la estrella (el puente) de la misma manera, sin embargo en el primario de la Yy6 es puente de la estrella se hace ABC, no A´B´y C´ como en el Yy0.
Eso hace que aunque estén los dos en estrella, el desfase o índice horario sea diferente.
Por último te dejamos una imagen con la mayoría de las posibles conexiones de un transformador trifásico y sus respectivos índices horarios.
Fórmulas y Magnitudes en los Transformadores Trifásicos
Además de las relaciones de transformación tenemos:
- Potencia del Trafo = Potencia Aparente en KVAs = Es el valor de potencia aparente que puede suministrar el secundario de un transformador. Este valor estará referido a la tensión nominal en las condiciones de temperatura preestablecidas.
S = √3 x Vl x Il
Donde Vl e Il son la tensión y la intensidad nominal del secundario, es decir las de línea.
Las potencias nominales están normalizadas y los valores son: 25, 50, 100, 250, 400 y 630 kVA. Las dos últimas son las más utilizadas en los centros de transformación.
Si no se consideran pérdidas, la potencia del trafo sería igual en el primario que en el secundario.
Recuerda:
- Tensión nominal primaria: Se refiere a la tensión de alimentación del transformador.
Suele llamarse V1n, aunque no te confundas con la n, es tensión de línea, es decir medida entre 2 fases.
- Tensión nominal secundaria: Es la obtenida en los bornes del secundario (U2n) cuando el transformador opera en vacío y se alimenta el circuito primario a su tensión nominal.
Su valor suele ser un 5% mayor, respecto a los valores nominales de la red, para compensar las caídas de tensión.
De la fórmula de la potencia aparente anterior podemos despejar la I1n o I2n (intensidad nominal primario o secundaria) para calcularla, sabiendo la S del trafo.
- Intensidad nominal primaria: Es la que recorre el devanado primario cuando el transformador trabaja a plena carga o a su potencia nominal. I1n
- Intensidad nominal secundaria: Es la que recorre el devanado secundario cuando el transformador suministra su potencia nominal. I2n
Otras tensiones son:
- Tensión máxima de servicio: Es la máxima tensión que soportaría el transformador funcionando en régimen permanente.
En el caso de distribución, para una tensión nominal en el primario de 20 kV, correspondería una tensión máxima de servicio de 24 kV.
- Tensión de cortocircuito: Es la tensión que hay que aplicar al bobinado primario para que, estando en cortocircuito el devanado secundario, circule por cada uno de ellos su intensidad nominal.
La tensión de cortocircuito UCC se expresa en % de la tensión nominal del primario y su valor se indica en la placa de características del transformador.
Para acoplar transformadores en paralelo, una de las condiciones que deben cumplir es tener igual tensión de cortocircuito en %.
. Rendimiento del Trafo: Potencia del primario / Potencia del secundario
Tensiones en triángulo y en estrella
Fíjate que la tensión de las bobinas es la tensión de fase y que la tensión de la línea y la de las bobinas (de fase) del transformador, en triángulo son las mismas.
En Estrella, la tensión de la línea a la que se conecta el trafo es √3 veces mayor que la tensión a la que estarán sometidas las bobinas (la de fase)
Además recuerda que:
ms = Vfp/Vfs = Np/Ns; y que además la mc = VLp/VLs.
Según esto. ahora vamos a deducir la relación de transformación compuesta en función del número de espiras:
- Trafo triangulo-Triángulo: En este caso las tensiones de línea y fase en el secundario y en el primario son iguales por lo que:
ms = Vfp/Vfs = N1/N2; como
Vfp/Vfs = VLp/VLs tenemos que:
ms = mc = Vfp/Vfs = N1/N2 = VLp/VLs; normalmente la relación que se utiliza es la relación compuesta o de línea referida al número de espiras. Esas son las fórmulas que vamos a deducir y a poner en negrita en cada caso. Para este caso será:
mc = N1/N2
- Trafo Estrella-Estrella: En este caso las tensiones de línea son √3 la de fase por lo que:
m = Vfp/Vfs = N1/N2; como VLp/VLs = √3Vfp/√3Vfs = Vfp/Vfs; entonces:
ms = mc = Vfp/Vfs = N1/N2 = VLp/VLs
mc = N1/N2
- Trafo Triángulo-Estrella: Aquí las tensiones del primario son iguales, pero las del secundario no:
ms = Vfp/Vfs = N1/N2
mc = VLp/VLs = Vfp/√3Vfs = N1/√3N2; por lo que mc = ms/√3
mc = N1/√3N2
- Trafo Estrella-Triángulo: Aquí las tensiones del primario no son iguales, pero las del secundario son iguales, por lo que tenemos:
mc = VLp/VLs = √3Vfp/Vfs = √3N1/N2; luego mc = √3 x ms;
mc = √3N1/N2
Si ahora vuelves a ver la tabla de arriba de índices horarios, verás que en la última columna hay la relación de transformación de línea en cada tipo de conexión. Verás como coincide con la aquí explicado.
Refrigeracion de los Transformadores
Como ya dijimos, tanto el núcleo como los bobinados van inmersos en un fluido refrigerante que evita las altas temperaturas en el interior del transformador. El calor se expulsa al exterior por contacto del refrigerante con el aire o con otro líquido, por ejemplo agua.
La designación del sistema de refrigeración utilizado en los transformadores está normalizada según las normas UNE.
Dicho sistema consta de cuatro letras, donde cada una suministra información de un tipo.
- Primera letra: Se refiere al medio de refrigeración interno que está en contacto con los arrollamientos. Las opciones son:
O = Aceite mineral o líquido aislante sintético con punto de inflamación menor de 300 °C.
K = Líquido aislante con punto de inflamación superior a 300 °C.
L = Líquido aislante con punto de inflamación no medible.
- Segunda letra: Indica el modo de circulación del medio de refrigeración interno. Los modos son:
N = Circulación natural por termosifón a través del sistema de refrigeración y en los arrollamientos.
F = Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, circulación por termosifón en los arrollamientos.
D = Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, dirigida desde el sistema de refrigeración hasta, al menos, los arrollamientos principales.
– Tercera letra. Se refiere al medio de refrigeración externo. Las opciones son:
A = Aire.
W = Agua.
– Cuarta letra. Indica el modo de circulación del fluido externo. Las posibilidades son dos:
N = Convección natural.
F = Circulación forzada (ventiladores y bombas).
Los tipos más comunes son:
ONAN = Refrigeracion Aceite por circulación Natural (Oil Natural AirNatural). Este es el sistema de enfriamiento por transformador más utilizado de todos los sistemas y el más económico. En la circulación del aceite, el aceite absorbe el calor de las bobinas y fluye hacia la parte superior del tanque del transformador (circulación natural del aceite por convección). Este aceite caliente que llega a la parte superior disipará el calor a la atmósfera a través de la conducción natural, la convección y la radiación en el aire y se enfriará, volviendo a circular y refrigerar sin parar mientras el transformador este en funcionamiento.
ONAF: Aceite forzado por aire natural (Oil Natural Air Forced). Prácticamente es una ONAN al que se le añaden ventiladores. La disipación del calor se puede hacer aún más rápido aplicando un flujo de aire forzado por la superficie de propagación. Se emplean ventiladores que soplan aire en la superficie de enfriamiento. El aire forzado elimina el calor de la superficie del radiador y proporciona una mejor refrigeración.
ONWF: Oil Natural Water Forced. Sumergidos en aceite pero por enfriamiento por agua (intercambiador de calor aceite-agua).
Ahora te recomendamos hacer los : Ejercicios Transformador Para hacer Online.
Conclusiones:
En estrella se consigue que la tensión a la que queda sometida cada fase del transformador sea √3 veces menor que la tensión de línea, por lo que se consigue reducir el número de espiras en relación a la conexión en triángulo para una misma relación de transformación de las tensiones de línea.
Por otro lado, la conexión en estrella hace circular una corriente por cada fase del transformador √3 veces mayor que en la conexión en triángulo, por lo que la sección de los conductores de las espiras aumenta en relación con la conexión en triángulo. Conectando el secundario en estrella se consigue disponer de neutro, lo que permite obtener dos tensiones de distribución y la posibilidad de conectar el neutro a tierra para garantizar la seguridad de las instalaciones.
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Indice de Contenidos:
- Tipos de Transformadores
- El Transformador Trifásico
- Funcionamiento del Trafo Trifasico
- Relaciones de Transformación en el Trafo Trifásico
- ¿Qué es el Indice Horario del Trafo?
- Determinación del Indice Horario
- Formulas y Magnitudes del Trafo Trifásico
- Refrigeración de los Transformadores
Tipos de Transformadores
Los transformadores, ya sean trifásicos o monofásico, se clasifican en función de sus devanados y de sus nucleos magnéticos.
El núcleo, qúe es el circuito magnético del trafo, son chapas de acero de muy bajo espesor.
Según el núcleo los trafos pueden ser a 2 columnas o a 3 columnas.
Estos últimos también se llaman Acorazados = 3 columnas. Ver imagen de más abajo.
El circuito eléctrico son las bobinas o devanados enrolladas (bobina de cable) sobre el núcleo magnético.
Los devanados que reciben la energía se denominan "primario" y las bobinas o devanados que suministran la energía, lógicamente la misma energía pero con diferente tensión e intensidad, se denominan "secundario del trafo".
Podemos considerar el secundario como el receptor.
Los cables de los bobinados están aislados y también se pueden llamar "Bobinado de Alta AT" y "Bobinado de Baja BT", ya sea el que tiene más tensión para el de alta y el que tiene menos para el de baja.
En función de cómo se colocan (enrollan) las bobinas o devanados los tenemos concéntricos o alternados.
Los transformadores trifásicos son todos a 3 columnas y suelen tener sus bobinas de forma concéntrica.
Si quieres aprender los monofásicos visita el siguiente enlace: Transformador.
Resúmen tipos:
- Según el núcleo: a 2 columnas y/o Acorazados (3 columnas)
- Según las bobinas: Concentricos y/o Alternados
Luego los tenemos con líquido refrigerante en su interior o secos, pero esto lo veremos más adelante.
Los trifásicos, como suelen ser de mucha potencia son todos con líquido refrigerante.
El Transformador Trifasico
Un transformador trifásico está formado por un conjunto de 3 devanados (bobinas) para el primario del transformador y otras 3 para el secundario o de salida del transformador.
En cada columna del núcleo tenemos el bobinado del secundario, normalmente pegado a la chapa de la columna, y encima de este bobinado, enrollado sobre él pero separados por un aislante, el bobinado del primario, pero los dos sobre la misma columna.
Todas las bobinas están montadas sobre un mismo núcleo o banco de chapas magnéticas, pero en 3 columnas diferentes.
Fíjate en la siguiente imagen:
Al ser transformadores de mucha potencia, las bobinas y el núcleo van recubiertas de un líquido refrigerante para que no se calienten en exceso, por ese motívo los trafos trifásicos van metídos en una carcasa herméticamente cerrados.
Luego veremos lo tipos de refrigerantes que se utilizan.
Como el trafo está montado en lo que llamamos un banco de chapas magnéticas, a este tipo de transformadores se les suele llamar "Banco Trifásico".
Podríamos decir que un transformador trifásico está constituido por tres transformadores monofásicos montados en un núcleo magnético común.
Antiguamente se utilizaban 3 transformadores monofásicos independientes conectados a una línea trifásica, pero tiene más pérdidas y son más caros, por lo que ya casi no se usan.
Los principios y finales de las bobinas del transformador se nombran en lado de alta tensión AT (nuestro caso el primario) con letras mayúsculas de la siguiente forma: A principio y A´ (A prima) final del primario.
Ver imagen de más abajo.
En el lado de baja tensión BT (secundario en nuestro caso) igual pero con letras minúsculas aa´ principio y final de la bobina de la misma columna, pero del secundario.
Dependiendo de como estén conectadas las bobinas, el primario o el secundario pueden trabajar en estrella o en triángulo.
En la columna 1 tendremos las bobinas del primario y cuyo extremo A conectaremos a la fase L1 y además, en esa misma columna tendremos arrollada la bobina del secundario o de salida, que nos dará una tensión de salida diferente y que llamaremos l1.
Esta salida l1 al exterior de la bobina del secundario se hace a través del extremo o borne a.
A la bobina de la columna 2 se conectará la fase L2, y la L3 a la tercera bobina de la columna 3.
En estos transformadores se introduce una tensión trifásica en el primario y se induce una fuerza electromotriz (fem) o tensión diferente en el secundario y también trifásica.
La nomenclatura nueva es 1U, 1V y 1W para los bornes del primario y 2u, 2v, 2w y 2n para los bornes del secundario.
Nosotros utilizamos la vieja, que es la de las imágenes de arriba.
Por ejemplo, si es un transformador reductor, tendremos una tensión elevada en el primario que se reducirá en el secundario.
Si es un transformador elevador, tendremos una tensión pequeña en el primario que aumentará en el secundario.
En el transporte y distribución de la energía eléctrica es donde más se utilizan hoy en día los transformadores trifásicos.
A la salida de la central eléctrica elevamos la tensión mediante un transformador elevador para transportarla a otro sitio en alta tensión. Te puede interesar: Redes Aereas de Distribución.
Cuando vamos llegando al punto de consumo tendremos que ir reduciendo esta tensión elevada mediante transformadores reductores.
Si quieres saber más sobre esto visita el siguiente enlace: Como se Distribuye y Transporta la Energía Eléctrica.
Cuando hablamos de tensión en el transformador se refiere a los voltios fuera del transformador y es la que metemos por el primario o la que sacamos por el secundario.
Tensión en bornes del trafo o Tensión Nominal, que siempre se considera la tensión de línea (entre fase y fase)
Cuando hablamos de Fuerza Electromotriz (fem) es la creada o inducida por dentro del transformador, en las bobinas y también se mide en voltios.
Funcionamiento del Transformador Trifásico
Si analizamos una sola columna del trafo tenemos:
- Al conectar una bobina del primario a una tensión alterna se genera en las chapas del transformador una fem (fem del primario) y un flujo magnético que recorrerá las chapas magnéticas del banco.
Como ves esta fem es interna al transformador.
- Ahora esta flujo viajará por las chapas magnéticas de la columna y cortará las espiras de la bobina del secundario por lo que se inducirá en esta bobina una fem por el fenómeno de la inducción electromagnética.
Esta fem inducida en el secundario será de diferente valor que la del primario porque la bobina del secundario tiene diferente número de espiras que la bobina del primario.
Si esta fem inducida la sacamos fuera del trafo, será la tensión en el secundario.
Las dos (la fem y la tensión) se miden lógicamente en voltios porque son tensiones.
En los trafos ideales la fem y la tensión se consideran iguales, no hay pérdidas.
Hablamos de tensión en el primario o de entrada y de tensión en el secundario o de salida.
Esto que ocurre en una columna, ocurrirá igualmente en las otras dos al conectarlas a un sistema trifásico.
Eso si, las tensiones (y corrientes) en cada columna, y por lo tanto las fem, estarán desfasadas 120º una respecto a la otra, como ya deberías saber por ser un sistema trifásico.
Relaciónes de Transformación de un Transformador Trifásico
La relación de transformación es lo que aumenta o disminuye la tensión en un transformador entre el primario y el secundario.
De forma generalizada, en un trifásico será:
m = V1/V2
donde:
V1 = tensión de línea del primario
V2 = Tensión de línea del secundario
También se cumple que:
m = V1/V2= N1/N2
N1 = Número de espiras del bobinado del primario.
N2 = Número de espiras del bobinado del secundario.
La división de las tensiones de fase también nos dará la relación de transformación, ya que será la misma que si dividimos las tensiones de línea.
Recuerda que VL = √3 * Vf.
ms = Vfp/Vfs = Np/Ns; donde
ms = relación de transformación simple o de fase.
Vfp = Tensión de fase del primario
Vfs = Tensión de fase del secundario
Np = Número de espiras del bobinado del primario.
Ns = Número de espiras del bobinado del secundario.
Las tensiones que se utilizan normalmente en los trafos son las de línea (medida entre 2 fases).
De hecho estas son las que se llaman tension nominal, Siempre a la de línea.
Tanto la tensión (o fem) del primario como la del secundario dependen del número de espiras del primario y del secundario y de la forma de conectar las bobinas.
No será lo mismo conectar las bobinas en estrella, que en triángulo, como más adelante veremos.
Cuando el transformador está en carga, si es ideal, la potencia aparente del primario será igual a la del secundario:
S1 = S2
√3 x V1 x I1 = √3 x V2 x I2; de lo tenemos:
V1/V2 = I2/I1 = m
Podemos calcular la relación de transformación con el número de espiras o con las intensidades en el trafo, además de por supuesto con las tensiones.
Las conexiones de las bobinas, además de modificar la relación de transformación en el trafo, puede provocar un desfase de las tensiones de fase entre el primario y el secundario provocando que tengamos el llamado índice horario.
Recordar que en trifásica:
Pactiva =√3 x Vlinea x Ilinea x cose fi
S = √3 x Vlinea x Ilinea
¿Qué es el índice horario de un Transformador?
Es el desfase entre el diagrama vectorial de las fuerzas electromotrices (tensiones) del primario y del secundario.
Indice Horario = Desfase, en grados, entre la tensión del primario y la del secundario.
Así de sencillo, el problema es determinar el índice horario de un transformador concreto.
Eso es lo que aprenderemos aquí.
Lo primero que tenemos que conocer es que el índice horario se llama así porque el desfase se expresa según las horas de un reloj.
Cada hora, desde las 12 en punto, representa un desfase de 30º.
Veamos el reloj que se toma como referencia y con algún ejemplo:
Por ejemplo, si el desfase entre la fuerza electromotriz (fem) del primario y la fem del secundario es de 6, significa que el diagrama de las fem del primario y del secundaria están desfasados 180º.
Si es de 3, desfase de 90º, si es de 11, desfase de 330º (o -30º).
Una vez entendido esto veamos como se expresan las diferentes opciones de conexión de los transformadores trifásico.
En los trafos también se expresa el "Grupo de Conexión", que es la conexión de las bobinas del primario y del secundario mediante letras.
- La primera letra, en mayúscula, nos expresa la conexión del primario. "D" en triángulo, "Y" en estrella.
- La segunda letra, en minúscula, nos expresa la conexión del secundaria. "d" en triángulo, "y" en estrella.
- Puede llevar una n (minúscula) como tercera letras para expresar que es con neutro. Por ejemplo Dyn (triángulo con salida en estrella con neutro)
- El número que se pone a continuación del grupo de conexión es el índice horario del trafo, como ya vimos anteriormente.
Por ejemplo: Dy11 es un transformador con conexión triángulo en el primario y conectado en estrella en el secundario y cuyo índice horario es de 11 o 330º.
Yd11 será estrella en el primario, triángulo en el secundario y desfase de 330º.
Dd0 será triángulo y triangulo con desfase de 0º.
Existe un grupo de conexión llamada zig-zag que se denomina con la letra z y que podrás ver en las conexiones de la imagen de más abajo.
A continuación te dejamos una tabla con los índices horarios más utilizados y las conexiones del transformador trifásico. De momento solo fíjate en lo explicado hasta ahora, a continuación te explicaremos como determinar el índice horario.
Las razones para elegir una configuración Y o Δ para las conexiones de devanado del transformador son las mismas que para cualquier otra aplicación trifásica: las conexiones en Y brindan la posibilidad de múltiples voltajes, mientras que las conexiones en Δ disfrutan de un mayor nivel de confiabilidad (si un devanado falla, los otros dos aún pueden mantener voltajes de línea completos a la carga).
Determinación del Índice Horario de un Transformador
Para determinar el índice horario de un trafo trifásico se parte de lo siguiente: "Todos los arrollamientos montados sobre una misma columna abrazan en cada instante el mismo flujo común F y, con el fin de precisar el sentido de las f.e.m., suponemos que el sentido de arrollamiento de las bobinas primarias y secundarias es el mismo".
¿Qué significa esto?
Los transformadores trifásicos tienen 3 columnas, o lo que es lo mismo 3 arrollamientos (bobinas) en el primario y 3 en el secundario.
Pues lo dicho arriba significa que el vector de la fem de un transformador trifásico en una de sus 3 columnas del primario es de la misma dirección y sentido que la generada en el secundario en la misma columna.
Lógicamente en el secundario mas pequeña si es reductor de tensión.
Si todavía no lo entiendes no te preocupes, con el ejemplo que veremos te quedará claro.
Las columnas (bobinas) en un trafo se nombran de la siguiente forma:
En el Primario el Inicio con la letra A, el Final de la bobina con la A´(A prima).
La segunda columna del trafo será BB´ y la tercera C y C´.
En el Secundario lo mismo pero con letras minúsculas.
En la figura el secundario las letras minúsculas de la parte de arriba son las primas a´b´c´y las de abajo son a, b y c (sin ser primas).
Si nombramos de esta forma, los vectores de las tensiones o fem del primario AA´ y la del secundario aa´ tienen la misma dirección y sentido (como si fueran paralelos, una más grande que otro).
Además Siempre las conexiones a la red del primario serán L1, L2 y L3 (mayúsculas) y las del secundario l1, l2 yl3 (minúsculas).
A partir de ahora hablaremos de tensiones. Ya sabes que en un transformador la fem es la interna, y la tensión es la externa, es decir la que tenemos en los bornes de conexión.
Una vez que sabemos esto, ahora veamos los pasos a realizar para calcular el índice horario.
Imaginemos queremos deducir el índice horario del siguiente trafo:
1º) Sacamos los vectores de las fem del primario AA’, BB’ y CC’. Para eso dibujamos el siguiente triángulo.
Si el primario es en estrella, nos quedará la estrella de tensiones desde el punto neutro, si es en triángulo, nos quedará una representación de vectores formando el triángulo.
¡¡¡OJO!!!! Dibujar el triángulo siempre del primario en la misma posición ya que será la referencia para sacar el índice horario.
En el triángulo anterior ponemos las letra del primario que está conectada a L1 a L2 y a L3 (antiguamente R,S,T).
Como A está unido a L1, en el triángulo de alimentación A deberá estar unido a L1. De igual modo se observa que A’ está unido a L2, por lo que sucederá lo mismo en el triángulo de alimentación. Siguiendo este procedimiento marcaremos los extremos B y B’, así como C y C’.
Nos queda:
Si fuera en estrella tendríamos que poner las tensiones desde N.
Sigamos con nuestro ejemplo y lo entenderás.
2º) A continuación representamos los vectores de las tensiones aa’, bb’ y cc’ del secundario, que como dijimos tienen que tener la misma dirección y sentido que los segmentos AA’, BB’ y CC’ .
OJO, en este ejemplo en estrella.
Según el esquema de conexión a´,b´, y c´están unidos formando el punto neutro.
Pues ya sabes, a ponerlos en el mismo punto.
Sabemos donde este el punto A´ en el primario y donde está el punto a´en el secundario.
Sabiendo donde está el punto A de primario deducimos donde estará el punto a en el secundario.
Recuerda que tienen que ser vectores paralelos AA´ y aa´(misma dirección y sentido).
Además el punto a está conectado a l1.
Con todos estos datos no es difícil sacar el vector aa´.
Repetimos el proceso para las otras dos columnas y nos queda lo siguiente:
¿Te fijas en la diferencia (ángulo) que hay entre el diagrama del primario y del secundario?
Si tomamos como referencia el 12 del reloj, el secundario estaría en el 11, es decir, el índice horario sería 11 con 330º de desfase.
Lógicamente en este caso al estar a´en el neutro la tensión de fase en el secundario de salida será a´a, vector contrario en sentido al AA´, ya que aa´ será del mismo sentido que AA´.
Realmente si hiciéramos el diagrama de tensiones de fase del primario y lo comparamos con el del secundario, eso sería el índice horario: "El desfase entre las tensiones de fase o simples del primario y del secundario de un transformador".
¡OJO! No todas las conexiones iguales, por ejemplo Yy, tienen el mismo índice, depende de la forma de unir los bornes para hacer la conexión.
Veamos un ejemplo de una Yy0 y una Yy6 (imagen de abajo).
¿Qué las hace diferentes?
Fíjate que en el secundario están conectada la estrella (el puente) de la misma manera, sin embargo en el primario de la Yy6 es puente de la estrella se hace ABC, no A´B´y C´ como en el Yy0.
Eso hace que aunque estén los dos en estrella, el desfase o índice horario sea diferente.
Por último te dejamos una imagen con la mayoría de las posibles conexiones de un transformador trifásico y sus respectivos índices horarios.
Fórmulas y Magnitudes en los Transformadores Trifásicos
Además de las relaciones de transformación tenemos:
- Potencia del Trafo = Potencia Aparente en KVAs = Es el valor de potencia aparente que puede suministrar el secundario de un transformador. Este valor estará referido a la tensión nominal en las condiciones de temperatura preestablecidas.
S = √3 x Vl x Il
Donde Vl e Il son la tensión y la intensidad nominal del secundario, es decir las de línea.
Las potencias nominales están normalizadas y los valores son: 25, 50, 100, 250, 400 y 630 kVA. Las dos últimas son las más utilizadas en los centros de transformación.
Si no se consideran pérdidas, la potencia del trafo sería igual en el primario que en el secundario.
Recuerda:
- Tensión nominal primaria: Se refiere a la tensión de alimentación del transformador.
Suele llamarse V1n, aunque no te confundas con la n, es tensión de línea, es decir medida entre 2 fases.
- Tensión nominal secundaria: Es la obtenida en los bornes del secundario (U2n) cuando el transformador opera en vacío y se alimenta el circuito primario a su tensión nominal.
Su valor suele ser un 5% mayor, respecto a los valores nominales de la red, para compensar las caídas de tensión.
De la fórmula de la potencia aparente anterior podemos despejar la I1n o I2n (intensidad nominal primario o secundaria) para calcularla, sabiendo la S del trafo.
- Intensidad nominal primaria: Es la que recorre el devanado primario cuando el transformador trabaja a plena carga o a su potencia nominal. I1n
- Intensidad nominal secundaria: Es la que recorre el devanado secundario cuando el transformador suministra su potencia nominal. I2n
Otras tensiones son:
- Tensión máxima de servicio: Es la máxima tensión que soportaría el transformador funcionando en régimen permanente.
En el caso de distribución, para una tensión nominal en el primario de 20 kV, correspondería una tensión máxima de servicio de 24 kV.
- Tensión de cortocircuito: Es la tensión que hay que aplicar al bobinado primario para que, estando en cortocircuito el devanado secundario, circule por cada uno de ellos su intensidad nominal.
La tensión de cortocircuito UCC se expresa en % de la tensión nominal del primario y su valor se indica en la placa de características del transformador.
Para acoplar transformadores en paralelo, una de las condiciones que deben cumplir es tener igual tensión de cortocircuito en %.
. Rendimiento del Trafo: Potencia del primario / Potencia del secundario
Tensiones en triángulo y en estrella
Fíjate que la tensión de las bobinas es la tensión de fase y que la tensión de la línea y la de las bobinas (de fase) del transformador, en triángulo son las mismas.
En Estrella, la tensión de la línea a la que se conecta el trafo es √3 veces mayor que la tensión a la que estarán sometidas las bobinas (la de fase)
Además recuerda que:
ms = Vfp/Vfs = Np/Ns; y que además la mc = VLp/VLs.
Según esto. ahora vamos a deducir la relación de transformación compuesta en función del número de espiras:
- Trafo triangulo-Triángulo: En este caso las tensiones de línea y fase en el secundario y en el primario son iguales por lo que:
ms = Vfp/Vfs = N1/N2; como
Vfp/Vfs = VLp/VLs tenemos que:
ms = mc = Vfp/Vfs = N1/N2 = VLp/VLs; normalmente la relación que se utiliza es la relación compuesta o de línea referida al número de espiras. Esas son las fórmulas que vamos a deducir y a poner en negrita en cada caso. Para este caso será:
mc = N1/N2
- Trafo Estrella-Estrella: En este caso las tensiones de línea son √3 la de fase por lo que:
m = Vfp/Vfs = N1/N2; como VLp/VLs = √3Vfp/√3Vfs = Vfp/Vfs; entonces:
ms = mc = Vfp/Vfs = N1/N2 = VLp/VLs
mc = N1/N2
- Trafo Triángulo-Estrella: Aquí las tensiones del primario son iguales, pero las del secundario no:
ms = Vfp/Vfs = N1/N2
mc = VLp/VLs = Vfp/√3Vfs = N1/√3N2; por lo que mc = ms/√3
mc = N1/√3N2
- Trafo Estrella-Triángulo: Aquí las tensiones del primario no son iguales, pero las del secundario son iguales, por lo que tenemos:
mc = VLp/VLs = √3Vfp/Vfs = √3N1/N2; luego mc = √3 x ms;
mc = √3N1/N2
Si ahora vuelves a ver la tabla de arriba de índices horarios, verás que en la última columna hay la relación de transformación de línea en cada tipo de conexión. Verás como coincide con la aquí explicado.
Refrigeracion de los Transformadores
Como ya dijimos, tanto el núcleo como los bobinados van inmersos en un fluido refrigerante que evita las altas temperaturas en el interior del transformador. El calor se expulsa al exterior por contacto del refrigerante con el aire o con otro líquido, por ejemplo agua.
La designación del sistema de refrigeración utilizado en los transformadores está normalizada según las normas UNE.
Dicho sistema consta de cuatro letras, donde cada una suministra información de un tipo.
- Primera letra: Se refiere al medio de refrigeración interno que está en contacto con los arrollamientos. Las opciones son:
O = Aceite mineral o líquido aislante sintético con punto de inflamación menor de 300 °C.
K = Líquido aislante con punto de inflamación superior a 300 °C.
L = Líquido aislante con punto de inflamación no medible.
- Segunda letra: Indica el modo de circulación del medio de refrigeración interno. Los modos son:
N = Circulación natural por termosifón a través del sistema de refrigeración y en los arrollamientos.
F = Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, circulación por termosifón en los arrollamientos.
D = Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, dirigida desde el sistema de refrigeración hasta, al menos, los arrollamientos principales.
– Tercera letra. Se refiere al medio de refrigeración externo. Las opciones son:
A = Aire.
W = Agua.
– Cuarta letra. Indica el modo de circulación del fluido externo. Las posibilidades son dos:
N = Convección natural.
F = Circulación forzada (ventiladores y bombas).
Los tipos más comunes son:
ONAN = Refrigeracion Aceite por circulación Natural (Oil Natural AirNatural). Este es el sistema de enfriamiento por transformador más utilizado de todos los sistemas y el más económico. En la circulación del aceite, el aceite absorbe el calor de las bobinas y fluye hacia la parte superior del tanque del transformador (circulación natural del aceite por convección). Este aceite caliente que llega a la parte superior disipará el calor a la atmósfera a través de la conducción natural, la convección y la radiación en el aire y se enfriará, volviendo a circular y refrigerar sin parar mientras el transformador este en funcionamiento.
ONAF: Aceite forzado por aire natural (Oil Natural Air Forced). Prácticamente es una ONAN al que se le añaden ventiladores. La disipación del calor se puede hacer aún más rápido aplicando un flujo de aire forzado por la superficie de propagación. Se emplean ventiladores que soplan aire en la superficie de enfriamiento. El aire forzado elimina el calor de la superficie del radiador y proporciona una mejor refrigeración.
ONWF: Oil Natural Water Forced. Sumergidos en aceite pero por enfriamiento por agua (intercambiador de calor aceite-agua).
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Conclusiones:
En estrella se consigue que la tensión a la que queda sometida cada fase del transformador sea √3 veces menor que la tensión de línea, por lo que se consigue reducir el número de espiras en relación a la conexión en triángulo para una misma relación de transformación de las tensiones de línea.
Por otro lado, la conexión en estrella hace circular una corriente por cada fase del transformador √3 veces mayor que en la conexión en triángulo, por lo que la sección de los conductores de las espiras aumenta en relación con la conexión en triángulo. Conectando el secundario en estrella se consigue disponer de neutro, lo que permite obtener dos tensiones de distribución y la posibilidad de conectar el neutro a tierra para garantizar la seguridad de las instalaciones.
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