UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Laboratorio de Máquinas Eléctricas I

Informe Previo N°5

Transformadores Monofásicos en Conexión Trifásica

ESTUDIANTE:

Torres Oblitas Kevin 20122569B

CÓDIGO DEL CURSO:

EE241 M

ESPECIALIDAD:

Ingeniería Eléctrica

LIMA – PERÚ

2015

OBJETIVOS:

Familiarizarse con bancos trifásicos de transformadores alimentando una carga trifásica resistiva. Determinación del circuito equivalente y verificación del reparto de carga trifásica entre ellos.

EQUIPOS A UTILIZAR:

6 transformadores monofásicos 222/110V - 1KVA 1 carga trifásica resistiva 220V, 0 – 20A 1 vatímetro trifásico (WATAVI) 1 amperímetro de pinza (AMPERPROBER) 1 multímetro 1 autotransformador trifásico 1 Elavi 5

FUNDAMENTO TEÓRICO

De acuerdo a la estructura del núcleo del transformador trifásico, las mas empleadas son las siguientes:

Transformador con sistemas magnéticos acoplados, que es denominado como transformador de tres columnas o núcleo trifásico, que tiene una asimetría en los circuitos magnéticos el que origina que las tres corrientes de excitación no sea iguales y tampoco las terceras armónicas correspondientes(esta asimetría es poco perceptible en la operación en carga).

Transformador con sistemas magnéticos independientes, denominado también banco de transformación trifásica a base de transformadores monofásicos ó grupo transformador trifásico. En este caso se tiene tres circuitos magnéticos independientes, por lo que las corrientes de excitación serán iguales.

Los devanados, tanto primario como secundario, pueden estar acoplados en: estrella (Y,y), triángulo(D,d) o zeta(Z,z). Por convención se adopta la letra mayúscula para indicar la forma de conexión del devanado primario y con letra minúscula, la del devanado secundario. Por lo tanto las combinaciones de conexiones que se obtienen son los siguientes: Dd, Dy, Dz, Yy, Yz, Zd, Zy, Zz, siendo las más empleadas las 6 primeras combinaciones.

1) POLARIDAD E IDENTIFICACIÓN DE TERMINALES

Según las normas VDE, los terminales de los devanados, denominados origen y fin del devanado, se simbolizan mediante las letras: 1 fase 2 fase 3 fase Primario U-X V-Y W-Z

Secundario u-x v-y w-z

Siendo la elección del origen y el fin del devanado de fase en forma arbitraria. Para un sistema de transformación trifásico, lo que se elija para una fase, debe ser la base para las otras fases del sistema cumpliéndose además que se designa por las mismas letras (mayúscula y minúscula) a los terminales primarios y secundarios de los devanados de la misma fase, y que tengan la misma polaridad(diferencia de potencial magnético).

Lo mencionado anteriormente se ha adoptado en la representación de los trafos de la figura 1. Para este informe designaremos a los devanados de fase por sus letras iniciales o la indicación de polaridad (punto),

2) CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Consideraciones Previas

Para un sistema de potencia de transformación y con iguales tensiones, se puede establecer el siguiente cuadro de comparaciones:

ESTRELLA TRIANGULO ZIG-ZAGTensión Compuesta V V VIntensidad de Línea I I ICorriente por devanado I I/3 ISección de arrollamiento S S/3 S Número de espiras N 3N (2/3)NPaso de conductor 100% 100% 115%

Conexión Estrella.- Esta forma de conexión se prefiere para operación con

tensiones elevadas, por resultar más económica, con conexiones en delta corresponderían secciones muy débiles, poco resistentes a eventuales solicitaciones electrodinámicas (c.c), como por ejemplo para ondas de choque procedentes del exterior (descargas atmosféricas) se requiere de espiras de entrada con aislamiento reforzado y en los arrollamientos en delta hay entrada por ambos extremos de fase, lo que significaría más cantidad de aislamiento, mayor espacio requerido, o sea devanados más caros de construcción.

Conexión Triángulo.- Empleado para transformadores de potencia elevada y tensiones moderadas ó corrientes elevadas, ya que con ello evitamos el empleo de grandes secciones de conductor.

a) Conexión Estrella Triángulo.- Adecuado como transformador reductor (final de línea), cuando no se requiera puesta a tierra en el secundario. No genera armónicas de tensión. Se recomienda mayormente para tensiones secundarias relativamente bajas que motivan corrientes elevadas.

La conexión en triángulo de uno de los devanados, influye favorablemente en las condiciones de funcionamiento del transformador (ya sea Yd ó Dy), ya que protege al transformador contra toda clase de efectos perjudiciales producido por los terceros armónicos de flujo y de fuerza electromotriz. En el caso de conexiones estrella, la corriente armónica de tercer orden (corriente de excitación no senoidal) de cada fase están en fase (son homopolares) por lo que se anularían, lo que trae como consecuencia que la onda de flujo se deforme y se incremente la FEM.

b) Conexión Estrella Estrella.- Empleado cuando se desea disponer de neutro en baja y cuando no se prevén grandes corrientes de desequilibrio (fase neutro) en las

cargas (como límite 10%In). Útil para transformadores con potencias pequeñas o moderadas a tensiones elevadas.

c) Conexión estrella Zeta.- Solo se emplea en transformadores de distribución de reducida potencia. Puede operar con neutro secundario, admitiendo toda clase de desequilibrio y las tensiones secundarias no presentan terceras armónicas. Es más caro que el estrella estrella, por mayor empleo de material en su construcción.

d) Conexión Triángulo Estrella.- Se estudiara la conexión mixta triángulo - estrella.Existen dos formas de cerrar el triángulo: según (a) y según (b). También caben

dos formas de crear los neutros: (a) y (c). Esto da cuatro posibilidades. Existen, en definitivamente, cuatro desfases posibles:

30 ( /6 ) y 150 ( 5/6 ).

Es de interés observar que, si en lugar de aplicar al transformador un sistema directo de tensiones ABC, se alimenta con un sistema inverso ACB, el desfase cambia de signo ( 30 pasa a + 30, horariamente 11 pasa a 1, y viceversa).

Por lo anterior, y a fin de que los índices horarios queden unívocamente determinados, hay que añadir que se determinarán a base de aplicar un sistema directo de tensiones, es decir, cuyo orden de sucesión de máximos, en los bornes, sea ABC. En estas condiciones, se contarán como ángulos positivos los de atraso de la menor tensión respecto a la más elevada. Los índices horarios son tales ángulos de atraso, en grados sexagesimales divididos por 30.

Nótese que, en los acoplamientos triángulo - estrella, si los números de espiras son N1

para el primario y N2 para el secundario

r ºN1

√3 N2

3) INFLUENCIA DE LA FORMA DE CONEXIÓN ENTRE LOS DEVANADOS

En el caso de conexión triángulo existen dos formas posibles de cerrar el triángulo, tal como se muestra en la figura 3 en la que se indica la conexión triángulo derecha (fig. 3a) y la conexión triángulo izquierdo (fig. 3b).Asimismo para la conexión estrella existen dos formas posibles de cerrar el neutro, tal como se muestra en la figura 4, en la que se indica la conexión estrella directa (fig. 4a) y la conexión estrella inversa (fig. 4b)

Osea que es posible obtener determinados tipos de conexiones de varias maneras distintas.

En vez de expresar el ángulo de decalaje de las tensiones en grados, es más cómodo utilizar el Método Del Reloj para designar este ángulo, ya que sabemos que el ángulo que forma las manecillas cuando estas indican los índices horarios es siempre 30. Asimismo tenemos que el ángulo de desfasaje es siempre múltiplo de 30, por lo que el método del reloj indica el desfasaje expresado en el Indice Horario.Angulo de Desfasaje = Indice Horario * 30 = (n) 30

4) OBTENCIÓN DE OTROS INDICES

Es posible variar el desfasaje (índice horario) mediante métodos externos (sin tocar la estructura interna del transformador trifásico ó grupo) y/o mediante métodos internos (que implica variar internamente su estructura).

4.1.- Métodos Externos.- Se refiere a variar el orden en que se conectan los bornes del transformador a las líneas, obteniéndose otros índices horarios. Se aplican dos métodos:

a) Corrimiento Cíclico (cc).- Por cc de las conexiones externas de un transformador (solamente lado del primario o secundario), el desfasaje varía en 120, lográndose un nuevo índice horario. El nuevo ángulo de desfasaje dependerá si hacemos el cc hacia la derecha o izuierda, y si la efectuamos en el lado de primario o secundario.

b) Permutación.- Por permutación se entiende el sustituir la alimentación eléctrica de un sistema directo (RST) por otro sistema inverso (RTS), lográndose de esta manera el cambio de signo del desfasaje. Se podrá comprobar que la permutación sólo afecta para los índices impares, mas no a los pares. La permutación se puede combinar con el método del cc y obtener distintos índices.

4.2.- Método Interno.- Se refiere a modificaciones de conexiones internas, como la formación del neutro de estrella, alteración de la manera como se cierra el triángulo. A este procedimiento también se le puede denominar inversión de polaridad (por fase), que también puede implicar: inversión del sentido en que este arrollado el devanado o intercambio de denominación de los terminales.

Este método interno implica necesariamente intervenir internamente el transformador, para obtener el cambio de índice de horario.

5) INFLUENCIA DEL INDICE HORARIO EN LA CONEXIÓN EN PARALELO DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS.

Los transformadores que presentan el mismo índice horario pueden funcionar en paralelo conectando conjuntamente en los lados primarios y secundarios los bornes con el mismo símbolo (siempre que se cumplan las demás condiciones de puesta en paralelo);

En lo que se refiere a las posibilidades de marcha en paralelo cuando los índices horarios son diferentes, se puede clasificar 4 grupos de acoplamiento:

Grupo I : Indices horarios 0, 4, 8

Grupo II : Indices horarios 2, 6, 10

Grupo III : Indices horarios 1, 5, 9

Grupo IV : Indices horarios 3, 7, 11

La marcha en paralelo de dos transformadores del mismo grupo de acoplamiento es siempre posible, ya que se observa que la diferencia entre los índices horarios en un mismo grupo es siempre igual a 4 ú 8, o sea 120 0 240, que es el que corresponde al desfasaje entre dos fase entre una red trifásica. Para la marcha en paralelo de transformadores del mismo grupo se aplicará el método de corrimiento cíclico.

Un transformador del grupo III puede funcionar en paralelo con otro del grupo IV si el origen de sucesión de fases de uno de los transformadores se invierte en relación con el otro (Que anteriormente se definió como permutación).

A excepción de la combinación de los grupos III y IV que acaba de ser descrita, es imposible hacer funcionar en paralelo los transformadores pertenecientes a grupos diferentes, entendiéndose por imposibilidad la obtención de otros índices por métodos externos. Por lo tanto las siguientes combinaciones no son posibles, por no poderse efectuar cambios de índice por métodos externos:

Grupo I : con II ó III ó IV

Grupo II : con I ó III ó IV

Grupo III : con I ó II

Grupo IV : con I ó II

6) COMPARACIÓN ENTRE LOS BANCOS TRIFASICOS Y LOS TRAFOS TRIFASICOS.

Pudiera parecer que la ventaja de los transformadores trifásicos son decisivas, ahorro de peso que significa ahorro de pérdidas. No obstante, no está excluido el uso de bancos a

base de transformadores monofásicos, si bien se limita al caso de transformaciones de elevadas potencias.

La comparación económica es decisiva (coste inicial y perdidas) en favor de los transformadores trifásicos, si solo se considera la transformación.

Si por motivos de seguridad se desea disponer de elementos de reserva, la conclusión puede ser otra. Se puede disponer de otro transformador trifásico de reserva (100%). Tratándose de un banco con transformadores monofásicos (reserva 33%). En tal caso la segunda es la más económica.

7) LOS DESFASAJES Y LA PUESTA EN PARALEO DE TRANSFORMADORES.

Es sabido que los transformadores monofásicos poseen una determinada polaridad, por ello, la forma en que se conecten para concebir los bancos trifásicos originara que sí el sistema trifásico del primario posee una determinada secuencia, el sistema trifásico del secundario, posea la misma secuencia, pero no necesariamente la misma fase.

Estos desfases producidos por determinadas conexiones se les ha estudiado y clasificado en grupos e índices. Estos son:

Grupo I : índices horarios 0, 4 y 8.Grupo II : índices horarios 6, 10 y 2.Grupo III : índices horarios 1, 5 y 7.Grupo IV : índices horarios 3, 7 y 11.

1- Posibilidad de obtención de otros desfases (índices horarios).

Por corrimiento cíclico de las conexiones externas de un transformador (solamente alta, o bien baja), el desfase se modifica en 120º. Así resulta.

Indice horario. Desfase normal. Corrimiento cíclico Corrimiento cíclico

0 0 120 240

5 150 270 30

6 180 300 60

11 330(-30) 90 210

Por lo tanto sin cambio interno en las conexiones, simplemente prescindiendo del marcado del transformador (según las letras en paréntesis de la figura) e imaginándolo marcado en base de corrimientos cíclicos, según se ha hecho en la figura, se logran otros desfases.

8) CONDICIONES PARA LA CONEXIÓN DE TRAFOS 1 EN CONEXIÓN TRIFASICA

Deben ser de igual potencia Deben tener igual tensión en el primario y en el secundario Deben tener igual marca de polaridad. Para la puesta en paralelo de bancos monofásicos, aparte de cumplir las

condiciones para poner en paralelo dos transformadores cualquiera debe cumplirse que los índices horarios de dichos bancos sean iguales.

Si no se cumple lo anterior debe verse la manera de llegar a dicha igualdad y esto se puede lograr utilizando los métodos de corriente cíclico y/o el de permutación según esto a excepción de los II y IV es imposible de hacer funcionar en paralelo los transformadores pertenecientes a grupos diferentes por lo tanto las siguientes combinaciones no son posibles de efectuarse:

9) ENSAYOS DE TRANSFORMADORES MONOFASICOS

Los ensayos fundamentales son los mismos que en los transformadores monofásicos. Se modifican algunas expresiones en forma que es fácil imaginar, otras subsiste. Al transformador monofásico real (banco trifásico) o ideal (núcleos trifásicos o de cuatro o cinco columnas) se le asignará 1/3 de la potencia del trifásico.

ENSAYO DE VACIOLa base de aplicar a uno de los arrollamientos del sistema trifásico de torsiones nominales, estando el secundario sin carga (en vacío). La relación de transformación N = U1/ U2, es la misma se refiere a tensiones compuestas o simples. Las pérdidas Po = Pfe. Si se dan en valores absolutas (W) las del transformador 1 son iguales a un tercio de las reales del trifásico. Con los valores de corriente voltaje y potencia obtenidos en este ensayo se logra hallar los valores equivalentes de la resistencia y reactancia del núcleo de hierro.

ENSAYO EN CORTOCIRCUITOAplicando un triángulo de tensiones equilibrado en el primario, que motive intensidades de corrientes nominales a base de que los bornes del secundario están cortocircuitados.Las pérdidas que se obtienen son debido a pérdidas en el cable Pcc = Pcu = 3 Rca IN2, con los valores de corriente, voltaje y potencia obtenidos en este ensayo se logra hallar los valores equivalentes de resistencia y reactancia del cobre.

PROCEDIMIENTO: Con los transformadores monofásicos armar dos bancos de trifásicos de acuerdo a la

siguiente tabla:

GRUPOS DE TRABAJO BANCO A CONECTAR

1 Dy1 – Dy7

2 Dy1 – Dy11

3 Dy5 – Dy7

4 Dy5 – Dy11

5 Dy1 – Dy5

6 Dy7 – Dy11

Realizar las siguientes pruebas a los bancos 3Ø

PRUEBA DE VACÍO

Conectar el circuito que se muestra en la figura, variar la tensión de 10 a 130 V y tomar datos de voltaje, corriente y potencia

PRUEBA DE CORTOCIRCUITO

Conectar el circuito de la figura, alimentar con una tensión reducida para hacer circular la IN del banco; luego disminuir la tensión hasta cero voltios, tomando diferentes medidas simultáneamente de tensión, corriente y potencia.

Puesta en paralelo de los bancos trifásicos

Conectar el circuito mostrado en la figura, regular la tensión del autotransformador 3Ø hasta lograr una tensión de 220V entre líneas en el secundario en vacío. A continuación conectar la carga 3Ø resistiva y para diferentes cargar tomar datos de:

Corriente de entrada Corriente que entrega cada banco 3Ø Corriente de carga Potencia 3Ø total

NOTA: En todo momento se debe mantener constante la tensión en la carga 220V.