Transformadores trifásicos
Figura 1: Transformador trifásico
Los transformadores trifásicos son máquinas pasivas que pasan la energía eléctrica entre circuitos. En el circuito secundario, un flujo magnético induce una fuerza electromotriz (fem), con lo que se elevan o reducen las tensiones sin alterar la frecuencia. Hay diferentes tipos de sistemas eléctricos y, por tanto, los transformadores tienen que funcionar en sistemas compatibles. Un transformador trifásico funciona con un sistema eléctrico trifásico de CA (corriente alterna) para proporcionar a los consumidores una electricidad estable y segura para los dispositivos. Dependiendo del sector o de la aplicación, el tamaño, el diseño, la potencia en voltios y amperios y la capacidad de carga del transformador trifásico serán diferentes.
Índice de contenidos
- ¿Qué es un transformador trifásico?
- ¿Qué es el sistema eléctrico trifásico?
- Importancia de la ley de inducción de Faraday
- Tipos de transformadores trifásicos
- Constitución de un transformador trifásico
- Configuraciones
- Aplicaciones
- FAQs
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¿Qué es un transformador trifásico?
En algunos transformadores de rectificación de CC, los transformadores de tensión pueden construirse para una sola fase o para dos, tres, seis e incluso combinaciones complejas de hasta 24 fases. Los procesos de generación, distribución y transmisión de energía pueden utilizar la trifásica, denotada como 3φ o trifásica. Un transformador trifásico funciona con una fuente de alimentación trifásica y tanto el primario como el secundario tienen tres juegos de bobinas.
Figura 2: Transformador trifásico con tres juegos de devanados (A, B y C) en los lados primario y secundario.
¿Qué es el sistema eléctrico trifásico?
Los sistemas eléctricos trifásicos y monofásicos utilizan corriente alterna (CA). La corriente alterna suele ser la forma de onda sinusoidal, pero también se pueden generar otras formas de onda como la cuadrada, la triangular y la compleja. Las señales de corriente alterna tienen tres propiedades significativas: amplitud, periodo y frecuencia. La amplitud describe la magnitud de la onda. El periodo es el tiempo en el que se produce una oscilación completa, mientras que la frecuencia es el número de ciclos que aparecen por segundo.
Una oscilación completa de CA tiene un pico y un valle. Para el ciclo habitual de 360°, estos puntos están a 90° y 270°. El sistema monofásico tiene un solo pico y un solo valle dentro de un conductor, y estos puntos experimentan magnitudes máximas pero en direcciones opuestas. los sistemas trifásicos, en cambio, tienen tres picos y valles en tres conductores. Las tensiones y las corrientes se adelantan o retrasan 120° (figura 2).
Importancia de la ley de inducción de Faraday
El funcionamiento de todos los tipos de transformadores está sujeto a la ley de inducción de Faraday, que establece que la magnitud de la fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético que atraviesa el circuito.
Por lo tanto, un conductor colocado cerca de un campo magnético variable -el de un electroimán alimentado por corriente alterna, por ejemplo- conducirá una corriente eléctrica. Los circuitos electromagnéticos de esta naturaleza se denominan devanados primarios.
A medida que la corriente eléctrica se colapsa y se genera continuamente a una frecuencia determinada, el campo magnético se colapsa y se recrea de forma similar. Este campo magnético alterno induce una corriente en los conductores cortados por este flujo; se denominan por ello devanados secundarios. La frecuencia es la misma en ambos devanados.
Tipos de transformadores trifásicos
Los transformadores trifásicos pueden clasificarse en función de su construcción. Hay dos tipos de transformadores trifásicos: el de núcleo con devanados primarios y secundarios enrollados en un núcleo y el transformador de carcasa que combina tres transformadores monofásicos.
Tipo de núcleo
En los transformadores trifásicos de núcleo, el núcleo tiene tres extremidades dentro del mismo plano. Cada miembro contiene devanados primarios y secundarios, y estos devanados se reparten uniformemente entre los tres miembros. No es raro oír hablar de devanados de alta tensión (AT) y de baja tensión (BT).
Como un devanado de baja tensión es más fácil de aislar, estos devanados están más cerca del núcleo que las bobinas de mayor tensión. Los últimos bobinados envuelven a los primeros, con material aislante entre ellos. Esta construcción tiene los devanados unidos magnéticamente entre sí, con un devanado que utiliza el otro par de extremidades como vías de retorno de su flujo magnético (véase la figura 3).
Tipo de concha
El transformador trifásico tipo shell (concha) son tres transformadores monofásicos separados. Las tres fases de este transformador tienen sus campos magnéticos prácticamente independientes, y el núcleo de este transformador tiene cinco miembros.
Los devanados de AT y BT existen alrededor de los tres miembros principales. Al igual que el dispositivo trifásico de tipo núcleo, la bobina de baja tensión está más cerca del núcleo. Los dos miembros más externos sirven como vías de retorno del flujo.
El flujo magnético se divide en dos a medida que el campo se acerca al yugo. Es habitual que las extremidades exteriores y el yugo tengan la mitad del tamaño de las extremidades principales. Puedes disminuir la altura del transformador reduciendo el tamaño del yugo.
Figura 3: Transformadores de carcasa (A) y de núcleo (B)
La constitución del transformador trifásico
Además del núcleo y los devanados, hay otras partes vitales en un transformador que se comentan a continuación:
- Aislamiento: Esta parte actúa como una barrera que separa los devanados del núcleo.
- Aceite para transformadores: El aceite del transformador tiene dos funciones principales: aislamiento y refrigeración. Las propiedades aislantes del aceite evitan que la electricidad haga cortocircuito y se produzca un arco eléctrico. Este aceite actúa como refrigerante transportando el calor del núcleo y de los bobinados.
- Termómetros Los termómetros controlan la temperatura del aceite.
- Sistemas de alivio de presión: Los sistemas de alivio de presión forman parte del protocolo de seguridad. Desactivan las situaciones de sobrepresión cuando el aceite se dispara debido a los cortocircuitos.
- Más fresco: El sistema de refrigeración enfría el refrigerante. Enfría el aceite caliente mediante tubos refrigerados por agua o aire. El refrigerante vuelve al núcleo y a los bobinados.
- Tanque: El depósito protege los devanados y el núcleo del transformador de las condiciones externas y contiene el líquido refrigerante.
- Conservador de aceite: El conservador de aceite es un recipiente que se instala por separado del depósito. Ayuda a mantener el aceite después de que se haya expandido debido al calentamiento en los devanados y el núcleo.
- Reguladores de tensión: Los reguladores de tensión modifican la tensión de salida, que tiende a disminuir en condiciones de carga. Modificando las vueltas de toma mediante un cambiador de tomas se ajusta la relación de tensión.
- Relé accionado por gas: Los relés accionados por gas tienen otro nombre: el relé Buchholz. Retiene el gas liberado que burbujea del tanque del transformador, y ver este gas libre indica que hay un problema con el transformador.
- Respiradores: Los respiradores sirven para mantener seco el aceite del transformador. Estos respiradores eliminan la humedad de las bolsas de aire por encima del nivel de aceite del conservador.
Configuraciones
Hay dos conexiones importantes para estas máquinas trifásicas: las configuraciones en estrella y en triángulo.
La configuración en estrella también se denomina conexión en Y. Tiene cuatro terminales pero tres bobinas. Los tres devanados forman las tres fases del circuito, mientras que el cuarto terminal es el que une los otros tres devanados; es un punto neutro común.
La conexión en triángulo, también conocida como conexión en malla, es una interconexión de tres devanados cuyos extremos están conectados, creando un bucle cerrado. Tiene tres terminales y bobinas sin punto neural, utilizando en su lugar conexiones a tierra. La conexión en triángulo se configura en sistemas de tramo alto conectando a tierra el punto medio de una fase, como se ve en la figura 4.
Figura 4: Conexiones estrella (izquierda) y delta (derecha)
Características de tensión y corriente
El uso de sistemas de cableado de transformadores trifásicos en estrella o en triángulo tiene ventajas y desventajas. Comprender las corrientes y tensiones de fase y de línea es primordial para elegir el sistema adecuado para sus aplicaciones.
Las corrientes y tensiones de fase se miden en un componente, mientras que los parámetros de línea se miden en dos terminales. El cuadro 1 muestra las relaciones entre estas características:
Tabla 1: características de tensión y corriente trifásicas
| Conexión | Tensión de fase | Tensión de línea | Corriente de fase | Corriente de la línea |
| Estrella | VP = VL / √3 | VL = √3 * VP | IP = IL | IL = IP |
| Triángulo | VP = VL | VL = VP | IP = IL / √3 | IP = √3 * IL |
- VL: tensión entre líneas (tensión de línea)
- VP: tensión de fase a neutro (tensión de fase)
- IL: corriente de línea
- IP: corriente de fase
Además de las tensiones y las corrientes, una calculadora de transformadores trifásicos necesitaría otro parámetro para dimensionar correctamente el dispositivo: la relación de vueltas (TR). Como un transformador es una máquina lineal, las tensiones en los devanados secundarios pueden determinarse utilizando las tensiones primarias y la relación de vueltas. Es la relación de las vueltas de los devanados secundario y primario.
Diagramas de devanados de transformadores trifásicos
Los devanados primario y secundario de un transformador trifásico pueden tener configuraciones diferentes o iguales. Las cuatro combinaciones principales son:
Configuración estrella-estrella (Y -Y)
Las bobinas primarias y secundarias se enrollan en el sistema de estrellas. Tiene la gran ventaja de poseer un terminal neutro en los dos lados del transformador, lo que permite la conexión a tierra. La conexión a tierra elimina la distorsión de la forma de onda. Cuando no está conectado a tierra, el funcionamiento de este tipo de transformador es satisfactorio si las tres cargas de las tres fases están equilibradas. Es principalmente para pequeños transformadores de alta tensión.
TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS
- VS: Tensión secundaria
- VP: Tensión primaria
- IS: Corriente secundaria
- IP: Corriente primaria
Esta conexión reduce el número de vueltas ya que la tensión de fase es 1/√3 de la tensión de línea. También se reduce la cantidad de aislamiento necesaria.
Figura 5: Conexión estrella-estrella
Configuración delta-delta (Δ-Δ)
Las bobinas primarias y secundarias están en triángulo. Este sistema es para grandes transformadores de BT, y utiliza un número de vueltas mayor que el tipo Y-Y. Una de las ventajas de esta conexión es que es compatible con cargas desequilibradas en las fases. Otra ventaja es que incluso cuando el transformador está desactivado, sus cargas trifásicas pueden seguir recibiendo energía. Suele ser en la configuración triángulo abierto a capacidades reducidas.
En una configuración triángulo-triángulo:
TR = VS / VP = NS / NP = IP / IS
- VS: Tensión secundaria
- VP: Tensión primaria
- IS: Corriente secundaria
- IP: Corriente primaria
Figura 6: Configuración delta-delta
Configuración estrella-triángulo o estrella-triángulo (Y-Δ)
En esta configuración, el devanado primario está conectado en estrella y conectado a tierra en su terminal neutro. Las vueltas secundarias están conectadas en el sistema de triángulo. Su principal campo de aplicación es la reducción de la tensión en el lado de la subestación de la transmisión eléctrica.
Las tensiones de línea secundaria y primaria tienen una relación que es 1/√3 veces la relación de transformación del dispositivo. También hay un desfase de 30 grados entre las tensiones de la línea primaria y secundaria.
Configuración Delta-Eye o Delta-Estrella (Δ-Y)
El devanado primario se conecta en el sistema delta y el secundario en la configuración de estrella con conexión a tierra. Se utiliza principalmente en los transformadores elevadores situados en el lugar donde se origina la línea de transmisión. Las tensiones de la línea secundaria y primaria tienen una relación que es √3 veces la relación de transformación del dispositivo. También hay un desfase de 30 grados entre las tensiones de línea primaria y secundaria, como el transformador Estrella-Triángulo.
Figura 7: Configuración Triángulo-Estrella
Hay otras dos configuraciones además de las cuatro combinaciones principales. Estos otros son producto de la alteración de los devanados primarios triángulo y estrella. Entre ellos se encuentran:
Conexión delta abierta (V-V)
En este sistema hay dos transformadores. La conexión V-V entra en juego cuando uno de los transformadores está desactivado, pero el funcionamiento regular de la carga sigue siendo necesario. El servicio continuará hasta que necesite reparaciones o se instale un reemplazo en estos casos.
Esta configuración puede soportar pequeñas cargas trifásicas en las que no es necesario instalar un banco de transformadores trifásico completo. Su capacidad de carga es del 57,7% de la conexión triángulo-triángulo completa.
Conexión Scott-T (T-T)
En este sistema de bobinado de transformador trifásico se utilizan dos transformadores. Uno tiene derivaciones centrales en los devanados primario y secundario, conocido como transformador principal. El otro transformador, llamado transformador de burla, tiene una toma de 0,87. El transformador de burla funciona al 87% de la tensión nominal.
Se utiliza cuando un sistema trifásico se interconecta con un sistema bifásico. La alimentación de un horno eléctrico que funciona con un sistema bifásico es una aplicación típica de una conexión T-T.
Conexión delta de pata alta
La conexión en triángulo de la pata alta se produce cuando el lado secundario conectado en triángulo tiene una toma central; esta toma se conecta a tierra. Esta configuración produce una alimentación trifásica (conectada en triángulo) y una alimentación monofásica.
Tanto los sistemas de distribución comercial como los residenciales utilizan esta conexión. Los consumidores pueden recibir 240 V (tensión de línea) para las máquinas grandes o 120 V (tensión de fase) para los equipos más pequeños o la iluminación sin necesidad de un transformador adicional.
Aplicaciones
Los transformadores trifásicos son máquinas versátiles que se utilizan en muchos campos. Algunas de las aplicaciones más comunes son:
- Los procesos de generación y transmisión de energía utilizan transformadores trifásicos.
- Los transformadores trifásicos pueden aumentar/disminuir la tensión en muchos sectores. Estos transformadores se utilizan ampliamente en los sectores de la minería, la imprenta, la industria textil, los ascensores, la automatización industrial y la petroquímica, entre otros.
- Como el transformador trifásico puede eximir del ruido y de las interferencias de los impulsos de alta frecuencia de su acoplamiento interno, son esenciales a la hora de fabricar máquinas herramienta de precisión. Presente en sistemas de carga industrial de alta potencia, como accionamientos de motores y rectificadores, entre otros equipos.
Preguntas frecuentes
¿Puede un transformador trifásico utilizar una fuente monofásica para suministrar energía trifásica?
Es imposible transformar las tensiones monofásicas de entrada para suministrar energía trifásica a la salida del transformador. Los convertidores de fase, o las máquinas de cambio de fase, como los condensadores y las reactancias, son necesarios para convertir un sistema monofásico en uno trifásico.
¿Pueden funcionar los transformadores trifásicos a frecuencias superiores a la nominal?
Es posible utilizar transformadores trifásicos a frecuencias superiores a la nominal. Pero cuanto mayor sea la frecuencia más allá del valor nominal, más reducida será la regulación de la tensión.
¿Qué significa la impedancia cuando se habla de transformadores trifásicos?
La impedancia es una característica de oposición/limitación de corriente del transformador, y suele expresarse en porcentaje. Este parámetro determina la capacidad de interrupción de un fusible o un interruptor automático para proteger los devanados primarios del transformador.