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Transformadores TrifásicosMarcelo Merchan

mmerchans@est.ups.edu.ecDiego Samaniego

dsamaniegoi@est.ups.edu.ecJose Siguencia

jsiguencia@est.ups.edu.ec

Resumen—En el siguiente ensayo se dará a conocer algunosde los muchos tipos de conexiones de transformadores trifásicosque existen en el medio clasificándolos por su aplicación, suconstrucción y el tipo de núcleo. De los transformadores tri-fásicos que se trataran a continuación se detallara potencias quemanejan aplicabilidad , y algunos datos técnicos propios de cadatransformador que hemos considerado importante mencionar.Por otra parte se dará a conocer los tipos de conexión común-mente usados para este tipo de transformadores por ejemplotenemos el delta-delta, delta-estrella, estrella-estrella, y estrella-delta por mencionar algunos, también se da a conocer los tiposde refrigeración de los transformadores además de la relaciónde transformación de los transformadores.

Index Terms—Monofisismo, Polifásico, Flujo, Magnético, Fe-rromagnético, Devanados, Concéntricos, Dieléctrico,

I. INTRODUCCIÓN

Los sistemas eléctricos de corriente alterna, casi siempreson sistemas trifásicos, tanto para la producción como para eltransporte y la distribución de la energía eléctrica. Es por locual, el estudio de los transformadores trifásicos es de muchaimportancia, en el mundo de las maquinas eléctricas.

Los conceptos sobre transformadores monofásicos, son apli-cables para transformadores polifásicos. Se debe considerar lasfases una a una, y los resultados obtenidos serán los mismosen cada fase. Los transformadores trifásicos se utilizan para elsuministro o el transporte de energía a grandes distancias desistemas de potencias eléctricas. Lo que se conoce como la dis-tribución eléctrica, a grandes distancias. Un sistema trifásicopuede estar conformando por 3 transformadores monofásicos.Estos circuitos magnéticos son independientes, es decir no seproducirá reacción o interferencia entre los respectivos flujosmagnéticos.

II. TRANSFORMADORES TRIFASICOS

El transformador trifásico de igual manera que el trans-formador monofásico es una máquina eléctrica estática quefunciona en base al fenómeno de inducción electromagnética.

Están constituidos por dos bobinados por fase, un primariodonde ingresa la tensión a transformar y un secundario dondese obtiene la tensión transformada. En total se tendrían en eltransformador trifásico seis bobinas, cada par de bobinas vacolocado en una columna del núcleo ferromagnético.

Figura 1. Transformador Trifasico

Se puede considerar al transformador trifásico como launión de tres transformadores monofásicos unidos por el nú-cleo magnético, debido a que se tiene en tres bobinas primariasy tres secundarias se pueden obtener varias combinaciones delos mismos para diferentes efectos

III. BANCO DE TRANSFORMADORES

Los bancos de transformadores monofásicos son utiliza-dos en sistemas eléctricos trifásicos como sustitución de untransformador trifásico. Por ejemplo, en el transporte a largasdistancias de la energía eléctrica. Asimismo, el banco de trans-formadores monofásicos también sirve para poder cambiar elnúmero de fases del sistema, es decir, un sistema trifásico lopodemos convertir en un sistema bifásico, de 6 fases, de docefases, etc.

Los bancos de transformadores consisten en tres transfor-madores monofásicos conectados entre ellos para simular untransformador trifásico.

Esto estaría muy bien para el caso de que se desee tenerun transformador monofásico de repuesto para los casos deaverías, pero la realidad es que los transformadores trifásicosresultan más económicos, es decir, un transformador trifásicoes más barato que tres transformadores monofásicos.

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Figura 2. Conexión Trifasica

Además, esta la relación de tamaño, un único transformadortrifásico siempre será más pequeño que un banco de trans-formadores monofásicos. Tanto los bancos de transformado-res monofásicos como el transformador trifásico se puedenconectar de diferentes formas En el caso del transformadortrifásico, solo hay que decir que los devanados de las bobinasestán conectadas internamente y, estas conexiones pueden seren estrella o en triángulo.

Como se aprecia en la figura 3 en un sistema se puederealizar la transformación de tensiones mediante un bancode tres transformadores monofásicos idénticos. O como en lafigura 4 mediante un transformador trifasico.

Figura 3. Banco de tres Transformadores Monafasicos

Figura 4. Transformador Polifásico de tres columnas

Cada columna de un transformador trifásico se la puedeconsiderar como un transformador monofasico.

Así cuando un banco o un transformador trifásico funcionacon cargas equilibradas todos los transformadores monofasicosdel banco o todas las columnas del trasformador están igual-mente cargados y bastará estudiar uno solo de ellos mediantesu circuito equivalente. Hay que tener en cuenta que lastensiones y corrientes a utilizar en dicho circuito equivalentedeberán ser las de fases del primario y el secundario y que lapotencia de una fase es la tercera parte de la total.

De esta manera todas las expresiones obtenidas anterior-mente para el estudio del transformador monofásico se puedenadaptar para el estudio de las transformaciones trifásicas concargas equilibradas.

IV. GRUPOS DE CONEXIÓN

Un transformador trifásico consta de tres transformadoresmonofásicos, bien separados o combinados sobre un núcleo.

Los primarios y secundarios de cualquier transformadortrifásico pueden conectarse independientemente en estrella (Y )o en triángulo (delta) (4), Esto da lugar a cuatro conexionesbásicas para un transformador trifásico.

Figura 5. Tipo de Conexiones

IV-A. Conexión estrella (Y ) - estrella (Y )

En una conexión Y - Y como en la figura 8, el voltajeprimario de cada fase se expresa por VFP = VLP

3 . El voltajede la primera fase se enlaza con el voltaje de la segunda fasepor la relación de espiras del transformador.

El voltaje de fase secundario se relaciona, entonces, con elvoltaje de la línea en el secundario por VLS =

√3∗VFS . Por

tanto, la relación de voltaje en el transformador es:

VLP

VLS=

√3 ∗ VFP√3 ∗ VFS

= a (1)

3

Figura 6. Conexión Estrella - Estrella

En esta clase de transformadores, las tres fases de ambosbobinados están conectadas en estrella, siendo la tensión delínea

√3 veces mayor que la tensión de fase.

Figura 7. Esquema de la conexión Estrella - Estrella

Se emplea en sistemas con tensiones muy elevadas, ya quedisminuye la capacidad de aislamiento. Esta conexión tienedos serias desventajas:

Si las cargas en el circuito del transformador estándescompensadas, entonces los voltajes en las fases deltransformador se descompensarán seriamente.No presenta oposición a los armónicos impares (es-pecialmente el tercero). Debido a esto la tensión deltercer armónico puede ser mayor que el mismo voltajefundamental.

IV-B. Conexión estrella(Y ) - triángulo(4)

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

Figura 8. Conexión Estrella - Triangulo

En esta conexión el voltaje primario de línea se relacionacon el voltaje primario de fase mediante VLP =

√3 ∗ VFP

, y el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fasesecundario VLS = VFS La relación de voltaje de cada fase es:

VLP

VLS= a (2)

De tal manera que la relación total entre el voltaje de líneaen el lado primario del grupo y el voltaje de línea en el ladosecundario del grupo es:

VLP

VLS=

√3 ∗ VFP

VFS= a (3)

En esta clase de transformadores las tres fases del bobinadoprimario están conectadas en estrella y las del secundario entriángulo.

Figura 9. Esquema de la conexión Estrella - Estrella

Esta conexión no presenta problemas con los componentesde tercer armónica puesto que se consumen en una corrientecirculante en el lado conectado en delta o triángulo. Estaconexión también es más estable con respecto a las cargasdesequilibradas. Sin embargo presenta como problema quedebido a la conexión el voltaje secundario se desplaza 30grados con respecto al voltaje del primario del transformador.

IV-C. Conexión triángulo(4) - estrella(Y )

En una conexión 4 - Y como en la figura 10, el voltajede línea primario es igual al voltaje de fase primario VLP =VFP en tanto que los voltajes secundarios se relacionan porVLS =

√3 ∗ VFS la relación de voltaje línea a línea de esta

conexión es:

4

VLP

VLS=

VFP√3 ∗ VFS

= a (4)

Figura 10. Conexión Triangulo - Estrella

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

Figura 11. Esquema conexión Triangulo - Estrella

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

IV-D. Conexión triángulo(4) - triángulo(4)

La conexión triángulo - triángulo se presenta en la figura12.

Figura 12. Conexión Triangulo -Triangulo

En este tipo de conexión VLP = VFP y VLS = VFS

Así que la relación entre los voltajes de línea primario ysecundario es:

VLP

VLS=

VFP

VFS= a (5)

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

Figura 13. Esquema conexión Triangulo - Triangulo

Se utiliza esta conexión cuando se desean mínimas inter-ferencias en el sistema. Además, si se tiene cargas desequili-bradas, se compensa dicho desequilibrio, ya que las corrientesde la carga se distribuyen uniformemente en cada uno de losdevanados

Esta conexión se utiliza frecuentemente para alimentar sis-temas de alumbrado monofásicos y carga de potencia trifásicasimultáneamente, presenta la ventaja de poder conectar losdevanados primario y secundario sin desfase, y no tieneproblemas de cargas descompensadas o armónicas.

De las distintas formas que pueden conectarse los transfor-madores las seis formas principales se denominan según seespecifica en la tabla siguiente:

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Figura 14. Grupo de conexiones para transformadores

V. CONEXIÓN ZIG - ZAG

Se consigue la conexión zig - zag descomponiendo cada fasedel bobinado secundario en dos mitades, las cuales se colocanen columnas sucesivas del núcleo magnético y arrolladas ensentido inverso, conectando los finales en estrella.

Esta conexión se emplea únicamente en el lado de bajatensión. Tiene un buen comportamiento frente a desequilibriosde carga.

Para evitar el inconveniente de cargas desequilibradas seconecta el arrollamiento secundario en zigzag. Esta conexiónconsiste en hacer que la corriente circula por cada conductoractivo del secundario, afecte siempre igual a dos fases prima-rias, estas corrientes se compensan mutuamente con las delsecundario.

Figura 15. Conexión Zig - Zag

Designando arbitrariamente los terminales del primario ycon respecto a estas designaciones el secundario ofrece cuatroposibilidades distintas de conexión, dos de ellas que procedendel neutro. Estos grupos de conexión son:

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

De estos grupos de conexión los más utilizados son el Yz5 y elYz11. Este tipo de conexión se emplea para transformadoresreductores de distribución, de potencia hasta 400KVA; paramayores potencias resulta más favorable el transformadorconectado en triángulo estrella.

Figura 16. Representación esquemática Zig - Zag

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

Figura 17. Conexión estrella - Zig - Zag

VI. GRUPOS DE CONEXIÓN PARA TRANSFORMADORESTRIFÁSICOS

Además de la conexiones trifásicas conocidas existen la po-sibilidad de llevar a cabo utilizando solo dos transformadoresla transformación trifásica.

En este tema veremos las cuatro conexiones más importanteo utilizadas para con dos transformadores:

VI-A. Conexión M Abierta o V - V

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

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Figura 18. Conexión Delta Abierta

Si los dos voltajes secundarios que permanecen son VA =V ∠ 0° Y VB = V ∠ -120° V, entonces el voltaje que pasaa través de la abertura que dejó el tercer transformador estádado por:

VC= VA ∠ VB

VC= V ∠ 120°

Éste es el mismo voltaje que estaría presente si el tercertransformador siguiera ahí.

A menudo, a la fase C se le llama fase fantasma.

Entonces, la conexión delta abierta posibilita que un bancode transformadores siga funcionando con sólo dos de sustransformadores. Permitiendo que fluya cierta potencia auncuando se haya removido una fase dañada.

Figura 19. Conexión De Transformador DeltaAbierta

VI-B. Conexión Y abierta - M abierta

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

Figura 20. Diagrama cableado Y abierta Delta abierta

Una gran desventaja es que debe fluir una corriente deretorno muy grande por el neutro.

VI-C. Conexión Scott- T

La conexión Sott-T es la manera de obtener dos fases,separadas 90° de una fuente de alimentación trifásica. En loscomienzos de la transmisión de corriente alterna, los sistemasde potencia bifásicos y trifásicos eran bastantes comunes.

Por aquellos días, era una necesidad rutinaria la intercone-xión de sistemas de dos y tres fases, y la conexión Scott-T detransformadores se desarrollo para lograr dicho propósito.

Hoy en día la potencia bifásica esta limitada a ciertasaplicaciones de control y esta conexión se sigue utilizandopara producir la potencia necesaria para su funcionamiento.

Figura 21. Conexión del transformador Scott-T

Esta conexión consiste en dos transformadores monofásicoscon idéntica potencia nominal. Uno tiene derivación en subobinado primario al 86.6 % de voltaje a plena carga.

Están conectados tal como se observa en la figura 21

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La derivación del transformador T2 al 86.6 %, está conec-tada a la derivación central del transformador T1.

Los voltajes aplicados al bobinado primario aparecen en lafigura 22.

Figura 22. voltajes de alimentación trifásica

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

Figura 23. voltajes en los devanados primarios del transformador

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

v

Figura 24. voltajes secundarios bifásicos

También es posible convertir potencia bifásica en potenciatrifásica por medio de está conexión, pero, puesto que existenmuy poco generadores bifásicos en uso, esto casi nunca sehace.

VI-D. Conexión trifásica en T

La conexión Scott T usa dos transformadores para convertirpotencia trifásica en potencia bifásica a diferente nivel devoltaje.

Por medio de una sencilla modificación en tal conexión,los mismos dos transformadores pueden también convertirpotencia trifásica en potencia trifásica a diferente nivel devoltaje.

Esta conexión se ilustra en la figura 25. Aquí, tanto elbobinado primario como el secundario del transformador T2se han derivado al 86.6 % y las derivaciones están conectadas

a las derivaciones centrales de los correspondientes bobinadosdel transformador T1.

Figura 25. Conexión transformador trifásico T

Como en la conexión Scott T, las tensiones de alimentacióntrifásicas producen dos voltajes desfasados 90° en los devana-dos primarios de los dos transformadores.

Estos voltajes primarios producen tensiones secundarias,desfasadas también 90°. Sin embargo, a diferencia de laconexión Scott T, las tensiones secundarias se combinan paraproducir salida trifásica.

Una ventaja principal de la conexión T trifásica sobre lasotras conexiones trifásicas con dos transformadores es quese puede conectar un neutro, tanto al lado primario como allado secundario del grupo de transformadores. Esta conexiónse usa algunas veces en transformadores independientes dedistribución trifásica, puesto que sus costos de fabricación sonmás bajos que los de un grupo completo de transformadorestrifásicos.

Puesto que la parte inferior de los embobinados secundariosde transformador independiente no se usa, ni en el ladoprimario ni en el secundario, pueden dejarse de lado sin que semodifique su comportamiento. De hecho esto es lo que ocurreen los transformadores de distribución.

VII. FUNCIONAMIENTO EN PARALELO

Dos transformadores trifásicos funcionaran en paralelo sitienen la misma disposición de devanados (por ejemplo,estrella-triangulo), están conectados con la misma polaridady tienen la misma secuencia de rotación de fases. Si dostransformadores (o dos bancos de transformadores) tienen lamisma tensión nominal, las mismas relación de espiras, lasmismas impedancias (en porcentaje) y las mismas relacionesentre reactancia y resistencia, se repartirán la corriente de cargaproporcionalmente a sus potencias nominales, sin diferenciade fase entre las corrientes de los dos transformadores. Sicualquiera de las condiciones anteriores no se cumple, lacorriente de carga puede no repartirse entre los dos transfor-madores en proporción a sus potencias nominales y puedehaber una diferencia de fase entre las corrientes en los dostransformadores.

VIII. NÚCLEOS TRIFÁSICOS

El núcleo del transformador es donde van bobinados losalambres. Es en el núcleo donde se produce la conduccióneléctrica por medio del acoplamiento magnético.

Existen 2 tipos de núcleos fundamentales de estructura deltransformador ellos son el tipo núcleo y el tipo acorazado, loscuales se detallan a continuación.

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VIII-A. Núcleos a Columnas

Al igual que en el transformador monofásico los bobinadosvan en las columnas laterales del núcleo.

En su construcción se ha considerado la disminución depérdidas de potencia por lo que usualmente están formadasde chapas apiladas. Pueden ser de más de tres columnas. Elaislamiento entre chapas se consigue con barnices especiales,con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con unchorro de vapor.

Figura 26. Núcleo de tres columnas

Figura 27. Núcleo de Cuatro Columnas

VIII-B. Núcleos tipo acorazado

Es el tipo más eficiente de núcleo, pues se reduce ladispersión de flujo magnético.

Las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cualse colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2costados, circulan de manera que todo el contorno exterior delnúcleo puede tener la mitad de la parte central.

Esto vale para las 2 ramas laterales como también paralas 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se loconstruye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I,y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan.El hecho que los núcleos sean hechos en dos partes, haceque aparezcan juntas donde los filos del hierro no coincidenperfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremosentre hierro.

Este tipo de núcleo, a comparación con el núcleo tipocolumna tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna,de reducir la dispersión magnética, su uso es más común enlos transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, losdevanados se localizan sobre la columna central. Dado que lastensiones en el transformador tipo acorazado presentan menosdistorsiones en las salidas de las fases este trasformador esmejor que el trasformador tipo núcleo.

Figura 28. Acorazado Con tres transformadores monofásicos

Figura 29. Acorazado Polifásico con un solo núcleo

IX. FORMAS DE DEVANADOS

Los devanados estarán formados por bobinas con céntricasde cobre electrolítico diseñados en tal forma que el trans-formador pueda suministrar la potencia nominal en cualquierposición del conmutador de derivaciones.

Las bobinas serán compactas, ensambladas y aseguradas,teniendo en cuenta las expansiones y contracciones debidasa los cambios de temperatura, con el fin de suministrarrigidez para resistir el movimiento y distorsión producidos porcondiciones de operación normal o transitoria.

La forma de los devanados en los transformadores dependenen parte del nivel de voltaje que manejan consiguiéndolosclasificar en devanados de baja y alta tensión.

La razón principal por la que los hemos clasificado losdevanados de esta manera es porque los razones que setoman en cálculo al momento del diseño de los devanadosen baja tensión son diferentes a los usados en el diseño de losdevanados de alta tensión.

IX-A. Devanados de Baja Tensión

Están constituidos por lo general, de una sola espiral (al-gunas veces en dos o tres capas sobrepuestas), con alambresrectangular aislado. El conductor se usa generalmente parapotencia pequeñas tiene diámetros no superiores a 3 o 3.5mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilíndricos,puede ser de algodón o de papel,más raramente conductoresmaltado en el caso que los transformadores que no seanenfriados por aceite.

Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurreal uso de placa o solera de cobre aislada, el aislamiento espor lo general de papel. En el caso de que las corrientesque transporte el devanado sean elevadas ya sea por vacilidadde manipulación en la construccióno bien para reducir lascorrientes parásitas, se puede construir el devanado don másde una solera o placa en paralelo.

Son aquellos que trabajan en baja tensión están constituidosde dos o tres capas sobrepuestas de espiras, estas espiras estánencerradas entre sí por papel o más habitualmente se usancables esmaltados.

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Figura 30. Transformador De Baja Tensión

IX-B. Devanados de Alta Tensión

Los devanados de alta tensión, tiene en comparación conlos de baja tensión, muchos espiras, y la corriente que circulapor ellos, es relativamente baja, por lo que son de conductorde cobre de sección circular con diámetro de 2.5 a 3.0 mm.

Los transformadores de alta tensión son usados especial-mente en líneas de distribución en el cual ingresa 22000Val primario y se obtiene 220V al secundario, donde se puedeprestar atención una gran contradicción de tensiones razón porla cual los criterios de diseño son diferentes a los usados enlos transformadores de baja tensión.

Estos tienen muchas más espiras que los devanados debaja tensión. Son compuesto de dos maneras: la primera seconoce como tipo bobina y está formado de varias capas decable, estas bobinas tienen forma discoidal y se conectan enserie para obtener el total de espiras de una fase; la segundaforma de construcción es la de capas, que es una sola bobinacon varias capas, la longitud de esta bobina es similar a lasvarias bobinas discoidales precisas para transigir el devanadoequivalente, por lo normal, el número de espiras por capa eneste tipo de devanado; es principal al constituido de variasbobinas discoidales.

Figura 31. Transformador De Alta Tensión

Figura 32. Devanado De Alta Tensión

IX-C. Disposición de los Devanados

En el transformador los devanados deben estar colocadosde manera que se encuentren bien aislados y que eviten entodo lo posible la difusión del flujo. Esto se logra de mejormanera cuando existe un buen alejamiento entre las espirasde la bobina y ubicando al primario lo más cerca posible delsecundario.

Para alcanzar estos requerimientos tenemos estos tres tiposde disposición de devanados:

IX-C1. El devanado con céntrico simple: En el cual cadauno de los devanados está distribuido a lo largo de todala columna del núcleo, el devanado de tensión más baja seencuentra en la parte interna, más cerca del núcleo y aisladode este, mientras que el de tensión más elevada, sobrepuestoa este pero debidamente aislados.

IX-C2. En el devanado tipo alternado: Cada uno de losdos devanados está subdividido en cierto número de bobinasque están dispuestas en las columnas en forma alternada.

IX-C3. El devanado con céntrico doble: Es aquel que seconsigue cuando el devanado de menor tensión se divide endos mitades dispuestas correspondientemente al interior y alexterior uno de otro. Esta configuración de devanado tiene laventaja de que el valor de la reactancia de dispersión es lamitad del valor de la reactancia de dispersión que produce elcon céntrico simple, mientras que el tipo alternado, en cambio,permite variar tales reactancias, repartiendo en forma distintalas posiciones de las bobinas de los dos devanados.

IX-D. Construcción de los devanados

Como se indicó anteriormente, los conductores usados parala construcción de los devanados, pueden ser de alambrecircular (como un diámetro comprendida entre 0.2 y 0.4 mm)o bien solera de distintas medidas.

Según sea el tipo de las espiras de las bobinas, se puedenconstruir en dos formas.

IX-D1. Helicoidal continua: Las bobinas helicoidales sehacen, por lo general, cuando el conductor empleado es desolera, lo único que se debe tener cuidado es en la formadel aislamiento con respecto al núcleo y eventualmente suconstitución mecánica.

Este tipo de construcción tiene cierto tipo de limitaciones,en cuanto al aislamiento se refiere, aún cuando se puede

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

Figura 33. Bobina Helicoidal

IX-D2. Con bobinas separadas (discoidales): La cons-trucción de bobinas discoidales (para devanados con bobinasseparadas), generalmente se hace con el mismo número deespiras por bobinas y de capas se hace de manera que selimite la tensión máxima entre espiras de capas adyacentes auna valor entre 200 y 300 volts, con esto se espera que engeneral, y sólo en casos excepcionales, el voltaje por bobinasea cuando mucho 1000 volts entre capas separadas por papelaislante.

IX-E. Aislamiento externo de los devanados

Los devanados primario y secundario, deben estar aisladosentere sí, generalmente este aislamientos de por medio de se-paradores de madera, baquelita o materiales aislantes similaresque además cumplan con funciones refrigerantes.

Figura 34. Aislamiento

Tanto los devanados de baja tensión como los de alta, estánprovistos de canales de refrigeración para la circulación libredel aceite y están aislados con papel del tipo prestan, revestidocon resina epóxica, estable ante las altas temperaturas, quepega íntegramente el papel al cobre del devanado formandoun conjunto muy resistente a desplazamientos, lo cual per-mite después del secado obtener una adecuada resistencia alcortocircuito.

X. ACEITES DIELÉCTRICOS

Los aceites dieléctricos de origen mineral se obtienen deun derivado secundario del petróleo en cuya composiciónpredominan los hidrocarburos nafténicos.

Las propiedades de un buen aceite de transformador noson propias o no están presentes, en forma exclusiva, en undeterminado tipo de hidrocarburo, sino que por el contrariose encuentran repartidas entre varios ( Naftéticos, parafínicosy aromáticos). Una composición típica de un buen aceitedieléctrico responde a las siguientes proporciones:

Hidrocarburos Aromáticos: 4 a 7 %Hidrocarburos Isoparafínicos: 45 a 55 %Hidrocarburos Nafténicos: 50 a 60

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

X-A. Aceites Sintéticos

La aplicación de aceites sintéticos como aislantes eléctricosha sido muy limitada.

Recientemente se han empleado fluidos sintéticos a base desilicona y ésteres de ftalato en aplicaciones especiales dondeun alto grado de seguridad y muy amplio tiempo de servicioes requerido. También, últimamente, se están ensayando acitesdieléctricos de naturaleza predominantemente parafínica.

Las pruebas y su interpretación son prácticamente las mis-mas para un aceite sintético a base de silicona que para unaceite mineral. El test de oxidación no se requiere para lassiliconas debido a que este material no se oxida (no formalodos).

X-B. Propiedades de los Aceites Dieléctricos

Para que un aceite dieléctrico cumpla adecuadamente consu trabajo debe tener ciertas características físicas, químicas yeléctricas. Las principales son:

X-C. Propiedades Físicas

X-C1. Viscosidad: Por definición, la viscosidad de unfluido es la resistencia que dicho fluido presenta al moverseo deslizarse sobre una superficie sólida. Mientras más viscosoes el aceite, mayor será la resistencia que ofrecerá a moversedentro del transformador y será menos efectiva su funciónde refrigeración. Por esta razón, los aceites dieléctricos debentener una baja viscosidad para facilitar la disipación del calorgenerado en la operación del transformador.

Las viscosidades máximas establecidas para aceites dieléc-tricos, a las diferentes temperaturas de evaluación, medianteel método ASTM D- 445 o D-88, son:

100 oC . . . . . . . . . . . . .3 cSt40 oC... . . . . . . . . . . . ..12 cSt0 oC . . . . . . . . . . . . . 76 cSt

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X-C2. Punto de Inflamación: Se define como la mínimatemperatura a la cual el aceite emite una cantidad de vaporesque es suficiente para formar una mezcla explosiva con eloxígeno del aire en presencia de una llama. El punto deinflamación de los aceites dieléctricos se ha fijado con un valormínimo de 145 oC y mientras más alto, será más segura suutilización en transformadores e interruptores de potencia.

X-C3. Punto de Fluidez: Se define como la temperatura ala cual el aceite deja de fluir, mientras se somete a un procesode enfriamiento progresivo. Este dato sirve para identificardiferentes tipos de aceites aislantes. Un punto de fluidezigual o mayor que 0 oC C indica la presencia dominante dehidrocarburos parafínicos, en tanto que puntos de fluidez delorden de -10 oC son propios de las fracciones de petróleo enlas cuales predominan los hidrocarburos isoparafínicos. Lasfracciones de hidrocarburos nafténicos tienen puntos de fluidezentre -20 a -35 oC y las fracciones de hidrocarburos aromáticosllegan a tener puntos de fluidez del orden de los -40 a -60 oC.

X-C4. Color: La intensidad de color del aceite dieléctricodepende de los tipos de hidrocarburos que predominen endicho aceite. Así por ejemplo, las fracciones parafínicas eisoparafínicas son blancas y transparentes, color agua.

Las nafténicas varían de amarillo claro a amarillo verdoso.Las aromáticas poseen coloraciones que van desde el amarillorojizo (naranja) al marrón oscuro.

Para los aceites dieléctricos se ha fijado un color máximo de0,5 (amarillo claro), buscando que el aceite sea predominan-temente nafténico. El color se determina mediante el métodoASTM D- 1500

X-D. Propiedades Eléctricas

X-D1. Factor de Potencia: El factor de potencia midelas pérdidas de corriente que tienen lugar dentro del equipocuando se encuentra en operación. Estas pérdidas de corrienteson debidas a la existencia de compuestos polares en elaceite y a su vez son la causa de los aumentos anormalesde temperatura que se suceden en los equipos bajo carga.

El factor de potencia máximo permisible ( %), evaluadomediante el método ASTM D-924, es:

25 oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..0,05 %100 oC . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 0,3 %X-D2. Rigidez Eléctrica : La rigidez dieléctrica de un

aceite aislante es el mínimo voltaje en el que un arco eléctricoocurre entre dos electrodos metálicos. Indica la habilidad delaceite para soportar tensiones eléctricas sin falla. Una bajaresistencia dieléctrica indica contaminación con agua, carbón uotra materia extraña. Una alta resistencia dieléctrica es la mejorindicación de que el aceite no contiene contaminantes. Loscontaminantes que disminuyen la rigidez dieléctrica puedenusualmente ser removidos mediante un proceso de filtracion(filtroprensa) o de centrifugación.

X-E. Aplicaciones

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

Como medio aislante en las bobinas de arranque deautomóviles.Como aceite dieléctrico en general.

La mayor parte de los transformadores trifásicos son de mediay de alta tensión por lo tanto los bobinados no se puedenejecutar en aire porque no tienen suficiente aislación, por esarazón se los construye inmersos en aceite aislante. El aceiteaislante es un aceite mineral que posee una rigidez dieléctricamuy superior a la del aire.

Figura 35. Aceite

XI. REFRIGERACIÓN

Los transformadores están por lo general enfriados por aireo aceite capaz de mantener una temperatura de operaciónsuficiente baja y prevenir “puntos calientes” en cualquier partedel transformador.

XI-A. Refrigeración forzada y natural

La parte activa del transformador suele ir sumergida enaceite, esta parte está en el interior de un tanque o caja. Estacaja puede tener una superficie de refrigeración considerable,compuesta por tubos, o con radiadores adosados. Este sistemade refrigeración, puede efectuarse por convección natural, obien forzada (mediante ventiladores que activen la circulaciónen el caso de refrigeración por aire, y de bombas en el casodel aceite,que mediante un circuito cerrado puede a su vezenfriarse mediante la acción por ejemplo de otra circulaciónde agua.

El aceite se considera uno de los mejores medios derefrigeración que tiene además buenas propiedades dieléctricasy que cumple con las siguientes funciones:

Actúa como aislante eléctrico.Actúa como refrigerante.Protege a los aisladores sólidos contra la humedad y elaire.

El enfriamiento de los transformadores se clasifica en lossiguientes grupos:

XI-B. Tipo OA

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

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resulta el mas económico y adaptable a la generalidad delas aplicaciones. En estos transformadores, el aceite aislantecircula por convección natural dentro de un tanque con paredeslisas, corrugadas o bien previstos de enfriadores tubulares oradiadores separables.

XI-C. Tipo OA/FA

Sumergido en aceite con enfriamiento propio y con enfria-miento de aire forzado.

Este tipo de transformadores es básicamente una unidad OAa la cual se le han agregado ventiladores para aumentar ladisipación del calor en las superficies de enfriamiento y porlo tanto, aumentar los KVA de salida.

XI-D. Tipo OA/FOA/FOA

Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con enfria-miento de aceite forzado-aire forzado, con enfriamiento aceiteforzado-aire forzado.

El régimen del transformador tipo OA, sumergido en aceitepuede ser aumentado por el empleo combinado de bombas yventiladores. En la construcción se usan los radiadores des-prendibles normales con la adición de ventiladores montadossobre dichos radiadores y bombas de aceite conectados a loscabezales de los radiadores.

El aumento de capacidad se hace en dos pasos: en el primerose usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombaspara lograr un aumento de 1.333 veces sobre diseño OA; enel segundo se hace trabajar a la totalidad de los radiadores ybombas con lo que se consigue un aumento de 1.667 veces elrégimen OA.

XI-E. Tipo FOA

Sumergidos en aceite, con enfriamiento por aceite forzadocon enfriadores de aire forzado.

El aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlopasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceitecolocados fuera del tanque. Su diseño esta destinado a usarseúnicamente con los ventiladores y las bombas de aceitetrabajando continuamente.

XI-F. Tipo OW

Sumergidos en aceite, con enfriamiento por agua. Este tipode transformador esta equipado con un cambiador de calortubular colocado fuera del tanque, el agua de enfriamientocircula en el interior de los tubos y se drena por gravedado por medio de una bomba independiente. El aceite fluye,estando en contacto con la superficie exterior de los tubos.

XI-G. Tipo FOW

Sumergido en aceite, con enfriamiento de aceite forzado conenfriadores de agua forzada.

El transformador es prácticamente igual que el FOA, ex-cepto que el cambiador de calor es del modelo agua-aceite ypor lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio deagua sin tener ventiladores.

XI-H. Tipo AA

Tipo seco, con enfriamiento propio. La característica pri-mordial es que no contienen aceite u otro liquido para efectuarlas funciones de aislamiento y enfriamiento, y es el aire elúnico medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas menosde 15KV y hasta 2 000 KVA.

XI-I. Tipo AFA

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

XI-J. Tipo AA/AFA

Tipo sedo, con enfriamiento natural con enfriamiento poraire forzado.

La denominación de estos transformadores indica que tienendos régimen, uno por enfriamiento natural y el otro contandocon la circulación forzada por medio de ventiladores, cuyocontrol es automático y opera mediante un relevador térmico.

XI-K. Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi

Su principal característica es que son refrigerados en airecon aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio deprotección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquiermantenimiento posterior a la instalación.

Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV yfrecuencias de 50 y 60 Hz.

Figura 36. Transformador Con Refigración en resina epoxi

XII. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN DE SISTEMASTRIFASICOS

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

XII-A. La relación de trasformación m

Es el cociente de las tensiones asignadas de fase delprimario y del secundario:

m =V1N

V2N=

I2NI1N

=E1

E2=

N1

N2=

V1

V2(6)

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XII-B. La relación de trasformación mT

Es la que normalmente se da como dato y es el cocienteentre las tensiones asignadas de línea del primario y delsecundario.

mT =V1NL

V2NL=

I2NL

I1NL≈

V1L

V2L(7)

La relación que existe entre m y mT depende de la forma deconexión depende de la forma de conexión del transformadoro del banco Polifásico.

Según la norma CEI 76-4, la designación de los terminalesdel primario y del secundario de un transformador trifásico ode un banco de 3 transformadores monofásicos es así:

Se denominan con las letras mayúsculas (A,B,C,A´,B´,C´) los terminales de alta tensión ycon letras minúsculas ( a,b,c,a´,b´,c´) los del lado debaja tensión.Los 2 terminales de la misma bobina están designadoscon La misma letra, aunque uno de ellos se denominacon la letra con apóstrofe (a y a´, A y A´, b y b´,. . . . . . )Dos terminales uno del primario y otro del secundario,sometidos a tensiones que están prácticamente en fase(recuérdese que en un transformador monofásico lastensiones primaria y secundaria están casi en fase) sedesignan con la misma letra, uno con mayúscula y otracon minúscula (a y A, a´ y A’, b y B, b´ y B´. . . . . . .)

XIII. CONCLUSIONES

Los principios impuestos para los sistemas monofásicos sonaplicables para los trifásicos, solo que ahora se aplicaran acada una de las fases de los mismos.

Los transformadores trifasicos se puede decir que estáconstituido por tres transformadores monofásicos montados enun núcleo magnético común.

Este tipo de transformadores se construyen para potenciasnominales también elevadas.

Los transformadores trifasicos son de más extensa aplica-ción en los sistemas de transporte y distribución de energíaeléctrica.

Debido a las necesidades que se deseen emplear los trans-formadores se procede a realizar la conexión elegida para queel funcionamiento sea mucho mas eficiente.

La conexión tipo Estrella - estrella se emplea en sistemascon tensiones muy elevadas, ya que disminuye la capacidadde aislamiento.

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

Los bancos de transformadores monofásicos son utilizadosen sistemas eléctricos trifásicos como sustitución de un trans-formador trifásico

La forma de los devanados en los transformadores dependenen parte del nivel de voltaje que manejan consiguiéndolosclasificar en devanados de baja y alta tensión.

La refrigeración en las transformadores es de gran importan-cia ya que mantienen una temperatura de operación suficiente

baja y pueden prevenir puntos calientes en cualquier parte deltransformador.

REFERENCIAS

[1] Aceite para Transformadores . Tutor de Lubricación.[2] Ensayo de Un Transformador Trifásico. page 9.[3] Esteban Arpi Coellar. Transformador Trifasico.[4] Ing. Osvaldo Luis Mosconi. Transformadores Trifasicos. Fundamentos

De Electrotecnia.[5] Miguel Angel Rodríguez Pozueta. Transformadores Trifasicos.