7.6: Circuitos Transformadores Trifásicos

Dado que la trifásica se usa con tanta frecuencia para los sistemas de distribución de energía, tiene sentido que necesitemos transformadores trifásicos para poder subir o bajar los voltajes. Esto es solo parcialmente cierto, ya que los transformadores monofásicos regulares pueden agruparse para transformar la potencia entre dos sistemas trifásicos en una variedad de configuraciones, eliminando el requisito de un transformador trifásico especial. Sin embargo, los transformadores trifásicos especiales se construyen para esas tareas y son capaces de funcionar con menos requisitos de material, menos tamaño y menos peso que sus contrapartes modulares.

Bobinados y conexiones de transformadores trifásicos

Un transformador trifásico está hecho de tres conjuntos de devanados primarios y secundarios, cada conjunto enrollado alrededor de una pata de un conjunto de núcleo de hierro. Esencialmente, parece tres transformadores monofásicos que comparten un núcleo unido como en la Figura a continuación.

El núcleo del transformador trifásico tiene tres juegos de devanados.

Esos conjuntos de devanados primarios y secundarios se conectarán en configuraciones Δ o Y para formar una unidad completa. Las diversas combinaciones de formas en las que estos devanados pueden conectarse entre sí serán el foco de esta sección.

Ya sea que los conjuntos de devanados compartan un conjunto de núcleo común o cada par de devanados sea un transformador separado, las opciones de conexión de bobinado son las mismas:

• Primaria - Secundaria
• Y - Y
• Y - Δ
• Δ - Y
• Δ - Δ

Las razones para elegir una configuración Y o Δ para las conexiones del devanado del transformador son las mismas que para cualquier otra aplicación trifásica: Las conexiones Y brindan la oportunidad de múltiples voltajes, mientras que las conexiones Δ disfrutan de un mayor nivel de confiabilidad (si un devanado falla abierto, los otros dos aún pueden mantener tensiones de línea completa a la carga).

Probablemente el aspecto más importante de conectar tres conjuntos de devanados primarios y secundarios para formar un banco de transformadores trifásicos es prestar atención a la correcta fase del devanado (los puntos utilizados para denotar “polaridad” de los devanados). Recuerde las relaciones de fase adecuadas entre los devanados de fase de Δ e Y: (Figura abajo)

(Y) El punto central de la “Y” debe atar todos los puntos de bobinado “-” o todos los “+” puntos de bobinado juntos. (Δ) Las polaridades del devanado deben apilarse juntas de manera complementaria (+ a -).

Obtener esta fase correcta cuando los devanados no se muestran en la configuración regular Y o Δ puede ser complicado. Permítanme ilustrar, comenzando por la Figura a continuación.

Las entradas _A1, _A2, _A3 pueden estar cableadas ya sea “Δ” o “Y”, al igual que las salidas _B1, _B2, B ₃.

Cableado de Fase para Transformador “Y-Y”

Tres transformadores individuales deben conectarse entre sí para transformar la energía de un sistema trifásico a otro. Primero, mostraré las conexiones de cableado para una configuración Y-Y: Figura a continuación

Cableado de fase para transformador “Y-Y”.

Observe en la Figura anterior cómo todos los extremos de bobinado marcados con puntos están conectados a sus respectivas fases A, B y C, mientras que los extremos no punteados están conectados entre sí para formar los centros de cada “Y”. Tener conjuntos de devanados primarios y secundarios conectados en formaciones “Y” permite el uso de conductores neutros (N ₁ y N ₂) en cada sistema de energía.

Cableado de Fase para Transformador “Y-Δ”

Ahora, vamos a echar un vistazo a una configuración Y-Δ: (Figura abajo)

Cableado de fase para transformador “Y-Δ”.

Observe cómo los devanados secundarios (conjunto inferior, Figura anterior) están conectados en una cadena, el lado “punto” de un devanado conectado al lado “no punto” del siguiente, formando el bucle Δ. En cada punto de conexión entre pares de devanados, se realiza una conexión a una línea del segundo sistema de alimentación (A, B y C).

Cableado de Fase para Transformador “Δ-Y”

Ahora, examinemos un sistema Δ-Y en la Figura a continuación.

Cableado de fase para transformador “Δ-Y”.

Tal configuración (Figura anterior) permitiría la provisión de múltiples voltajes (línea a línea o línea a neutro) en el segundo sistema de energía, a partir de un sistema de alimentación de fuente que no tiene neutro.

Cableado de Fase para Transformador “Δ-Δ”

Y finalmente, pasamos a la configuración Δ-Δ: (Figura a continuación)

Cableado de fase para transformador “Δ-Δ”.

Cuando no hay necesidad de un conductor neutro en el sistema de alimentación secundaria, se prefieren los esquemas de conexión Δ-Δ (Figura anterior) debido a la confiabilidad inherente de la configuración Δ.

Cableado de fase para transformador “V” o “Open-δ”

Considerando que una configuración Δ puede funcionar satisfactoriamente faltando un devanado, algunos diseñadores de sistemas de energía optan por crear un banco de transformadores trifásicos con solo dos transformadores, representando una configuración Δ-Δ con un devanado faltante tanto en el lado primario como en el secundario: (Figura abajo)

“V” o “Open-δ” proporciona una potencia de 2 φ con solo dos transformadores.

Esta configuración se llama “V” o “Open-δ”. Por supuesto, cada uno de los dos transformadores tiene que ser sobredimensionado para manejar la misma cantidad de energía que tres en una configuración δ estándar, pero las ventajas generales de tamaño, peso y costo suelen valer la pena. Tenga en cuenta, sin embargo, que con un conjunto de devanado que falta en la forma Δ, este sistema ya no proporciona la tolerancia a fallas de un sistema Δ-Δ normal. Si uno de los dos transformadores fallara, el voltaje y la corriente de carga definitivamente se verían afectados.

La siguiente fotografía (Figura abajo) muestra un banco de transformadores elevadores en la presa hidroeléctrica Grand Coulee en el estado de Washington. Varios transformadores (de color verde) pueden verse desde este punto de vista, y se han agrupado en tres: tres transformadores por generador hidroeléctrico, cableados juntos en alguna forma de configuración trifásica. La fotografía no revela las conexiones del devanado primario, pero parece que los secundarios están conectados en una configuración Y, es que solo hay un gran aislante de alto voltaje que sobresale de cada transformador. Esto sugiere que el otro lado del devanado secundario de cada transformador está en o cerca del potencial de tierra, lo que solo podría ser cierto en un sistema Y. El edificio a la izquierda es la central eléctrica, donde se alojan los generadores y turbinas. A la derecha, el muro de hormigón inclinado es la cara aguas abajo de la presa: