Transformadores Trifásicos

Hasta este momento hemos hablado mucho sobre los transformadores , pero nos hace falta tocar un tema muy importante que es sobre los transformadores trifásicos. Así que vamos a explicar qué son estos transformadores de tres fases y aprender todo lo que respecte a ello.

¿Qué son los transformadores Trifásicos?

Hasta ahora hemos examinado la construcción y el funcionamiento del transformador de tensión de dos bobinas monofásico que se puede utilizar para aumentar o disminuir su tensión secundaria con respecto a la tensión de alimentación primaria. Pero los transformadores de voltaje también pueden construirse para la conexión no solo de una sola fase, sino de dos fases, tres fases, seis fases e incluso combinaciones elaboradas de hasta 24 fases para algunos transformadores de rectificación de corriente continua.

Si tomamos tres transformadores monofásicos y conectamos sus devanados primarios entre sí y sus devanados secundarios entre sí en una configuración fija, podemos usar los transformadores en un suministro trifásico.

Los suministros trifásicos, también escritos como trifásicos o 3φ se utilizan para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, así como para todos los usos industriales. Los suministros trifásicos tienen muchas ventajas eléctricas sobre la energía monofásica y al considerar a los transformadores trifásicos, tenemos que lidiar con tres tensiones y corrientes alternas que difieren en tiempo de fase en 120 grados, como se en la siguiente imagen.

Dónde:

V_L es el voltaje de línea a línea

V_P es el voltaje de fase a neutro.

Un transformador no puede actuar como un dispositivo de cambio de fase y cambiar de monofásico a trifásico o trifásico a monofásico. Para que las conexiones de los transformadores sean compatibles con suministros trifásicos, debemos conectarlos de una manera particular para formar una configuración de transformador trifásico.

Se puede construir un transformador trifásico o un transformador 3φ conectando tres transformadores monofásicos, formando así el llamado banco de transformadores trifásicos, o utilizando un transformador trifásico pre ensamblado y equilibrado que consta de tres pares de un solo bobinado de fase montados en un solo núcleo laminado.

Las ventajas de construir un solo transformador trifásico es que para el mismo rango de kVA será más pequeño, más barato y más liviano que tres transformadores monofásicos individuales conectados entre sí porque los núcleos de cobre y hierro se usan de manera más efectiva. Los métodos de conexión de los devanados primario y secundario son los mismos, ya sea que se use un solo transformador trifásico o tres transformadores monofásicos separados.

Los devanados primarios y secundarios de un transformador se pueden conectar en una configuración diferente, como se muestra en la imagen, esto es para cumplir prácticamente cualquier requisito. En el caso de los devanados de transformadores trifásicos , son posibles tres formas de conexión: "estrella" ,"delta" y estrella interconectada" (tipo zig-zag).

Las combinaciones de los tres devanados pueden ser con el delta primario conectado y el estrella en estrella, o estrella-delta, estrella-estrella o delta-delta, dependiendo del uso de los transformadores. Cuando los transformadores se utilizan para proporcionar tres o más fases, generalmente se les conoce como un transformador polifásico.

Configuraciones Trifásicas del Transformador en Estrella - Delta

Lo primero que nos podemos preguntar, es ¿qué entendemos por una configuración estrella? o ¿una configuración delta?, hacernos estas preguntas para un transformador trifásico nos lleva a un gran campo de estudio, sin embargo sabemos que un transformador trifásico posee tres conjuntos de devanados primarios y secundarios. Dependiendo de cómo estos conjuntos de devanados están interconectados, determina si la conexión es una configuración en estrella o delta

Los tres voltajes disponibles en este tipo de transformador se desplazan entre sí por 120 grados eléctricos, no solo se deciden por el tipo de conexiones eléctricas utilizadas en los lados primario y secundario, sino que también determinan el flujo de las corrientes de los transformadores.

Con tres transformadores monofásicos conectados entre sí, el flujo magnético en los tres transformadores difiere en fase en 120 grados de tiempo. Con un solo transformador trifásico, hay tres flujos magnéticos en el núcleo que difieren en la fase de tiempo en 120 grados. ¿se entiende?

El método estándar para marcar los devanados de transformadores trifásicos es etiquetar los tres devanados primarios con letras mayúsculas (mayúsculas) A , B y C , que se utilizan para representar las tres fases individuales de ROJO ,  AMARILLO  y AZUL . Los bobinados secundarios están etiquetados con letras minúsculas (minúsculas) a , b y c . Cada devanado tiene dos extremos normalmente etiquetados 1 y 2, de modo que, por ejemplo, el segundo devanado del primario tiene extremos que se etiquetarán B1 y B2, mientras que el tercer devanado del secundario se etiquetará c1 y c2 tal como se muestra en la siguiente imagen:

Los símbolos se usan generalmente en un transformador trifásico para indicar el tipo o tipos de conexiones usadas con mayúscula Y para estrella, D para delta,y Z para bobinas primarias interconectadas de estrella, con minúscula y , d y z para sus respectivas secundarias .

Identificando los devanados del transformador

Ahora sabemos que hay cuatro formas diferentes en las que tres transformadores monofásicos pueden conectarse entre sus circuitos primarios y secundarios trifásicos. Estas cuatro configuraciones estándar se dan como: Delta-Delta (Dd), Estrella-Estrella (Yy), Estrella-Delta (Yd) y Delta-Estrella (Dy).

Los transformadores para operación de alto voltaje con las conexiones en estrella tienen la ventaja de reducir el voltaje en un transformador individual, reducir el número de vueltas requeridas y un aumento en el tamaño de los conductores, haciendo que los bobinados de bobina sean más fáciles y más baratos de aislar que los transformadores delta.

Sin embargo, la conexión delta-delta tiene una gran ventaja sobre la configuración estrella-delta, ya que si un transformador de un grupo de tres se vuelve defectuoso o inhabilitado, los dos restantes continuarán entregando alimentación trifásica con una capacidad igual a aproximadamente dos tercios de la salida original de la unidad del transformador.

Transformador trifásico Delta - Delta

En una conexión delta - delta, la tensión de línea, VL es igual a la tensión de alimentación (VL = VS) . Pero la corriente en cada bobinado de fase se da como: 1 / √ 3 × IL, donde IL es la corriente de línea.

Una desventaja de los transformadores trifásicos conectados en triángulo es que cada transformador debe enrollarse para el voltaje de línea completa (en nuestro ejemplo, por encima de 100 V) y para el 57,7% de la corriente de línea. El mayor número de giros en el devanado, junto con el aislamiento entre giros, requieren una bobina más grande y más costosa que la conexión en estrella.

Otra desventaja de los transformadores trifásicos delta conectados es que no existe una conexión "neutral" o común.

En la disposición de conexión de estrella-estrella cada transformador tiene un terminal conectado a una unión común, o punto neutro con los tres extremos restantes de los devanados primarios conectados a la fuente de alimentación trifásica. El número de giros en un devanado de transformador para conexión en estrella es del 57,7%, del requerido para la conexión delta.

La conexión en estrella requiere el uso de tres transformadores, y si cualquiera de ellos se descompone o falla, todo el grupo podría deshabilitarse. No obstante, el transformador trifásico conectado en estrella es especialmente conveniente y económico en los sistemas de distribución de energía eléctrica, ya que un cuarto cable puede conectarse como un punto neutro, ( n ) de los tres secundarios conectados en estrella.

El voltaje entre cualquier línea del transformador trifásico se llama la “tensión de línea”, VL mientras que el voltaje entre cualquier línea y el punto de un transformador conectado en estrella neutral se conoce como la “tensión de fase”  (VP) . Esta tensión de fase entre el punto neutro y cualquiera de las conexiones de línea es 1 / √ 3 × VL de la tensión de línea.

De la imagen de arriba, podemos relacionar lo siguiente:

La corriente secundaria en cada fase de un grupo conectado en estrella de transformadores es el mismo que el de la corriente de línea de la oferta, a continuación IL = IS.

Construcción de Transformador Trifásico

Anteriormente hemos dicho  que el transformador trifásico es efectivamente tres transformadores monofásicos interconectados en un solo núcleo laminado y se pueden lograr ahorrar considerablemente en costo, tamaño y peso combinando los tres devanados en un solo circuito magnético.

El transformador trifásico tipo núcleo de tres extremidades es el método más común de construcción de transformadores trifásicos que permite que las fases se unan magnéticamente. El flujo de cada miembro utiliza los otros dos miembros para su ruta de retorno con los tres flujos magnéticos en el núcleo generados por los voltajes de línea que difieren en la fase de tiempo en 120 grados. Así, el flujo en el núcleo permanece casi sinusoidal, produciendo una tensión de alimentación secundaria sinusoidal.

La construcción del transformador trifásico de tipo concha o carcasa de cinco ramas es más pesada y más costosa de construir que el tipo de núcleo. Los núcleos de cinco extremidades se utilizan generalmente para transformadores de potencia muy grandes, ya que pueden fabricarse con altura reducida.