Informe Final 5 Maquinas

TRANSFORMADORES MONOFASICOS EN CONEXION TRIFASICA

I. OBJETIVO

Familiarizarse con bancos trifásicos de transformadores. Determinar el circuito equivalente y verificación del reparto de carga trifásica entre ellos.

II. FUNDAMENTO TEORICO

De acuerdo a la estructura del núcleo del transformador trifásico, las más 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 mas 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 mas cantidad de aislamiento, mayor espacio requerido, o sea devanados mas 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.

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.

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). Util para transformadores con potencias pequeñas o moderadas a tensiones elevadas.

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

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 ).

En términos horarios: 1, 5, 7, 11.

A

n

C B B b

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 indices horarios queden univocamente determinados, hay que añadir que se determinarán a base de aplicar un sistema directo de tensiones, es decior, 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 numeros 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)

O sea que es posible obtener determinados tipos de conexiones de varias maneras distintas.En vez de expresar el ángulo de desfasaje 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 esta 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.

Sinó 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 VACIO

La 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 CORTOCIRCUITO

Aplicando 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 perdidas 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.

III. EQUIPO A UTILIZAR

6 Transformadores monofásicos 220/110V - 1 KVA

1 Carga trifásica resistiva 220V, 0-20A

1 Vatímetro trifásico (WATAVI)

1 Amperímetro de pinza (AMPERPROBER)

1 Multímetro

1 Autotransformador trifásico

1 Elavi 5

IV. PROCEDIMIENTO Con los transformadores monofásicos armar dos bancos trifásicos de

acuerdo a la siguiente tabla:

GRUPO FORMADO BANCO A ARMAR

No 1 Dy1 - Dy7

2 Dy1 - Dy11

3 Dy5 - Dy7

4 Dy5 - Dy11

5 Dy1 - Dy5

6 Dy7 - Dy11

Hacer las pruebas de cortocircuito y de vacío en cada banco trifásico :

PRUEBA DE VACIO

Armar el circuito que se muestra en la Fig. 1.

Variar la tensión de 0 a V del banco trifásico, tomar diferentes medidas simultáneas de corrientes; tensión y potencia respectivamente.

Autotrans- A Vatim. u

formador V

3 v

D y

w

PRUEBA DE CORTOCIRCUITO.

Conectar el circuito de la Fig. 2. Mantener con tensión reducida para hacer circular la In del banco; luego disminuir la tensión hasta cero voltios, tomando diferentes medidas simultaneas de tensión, corriente y potencia.

u U

v V

Y d

Puesta en paralelo de los bancos trifásicos. Conectar el circuito de la Fig. 3

Dy

Carga

Trifásica

110V Dy 220V

La alimentación se hace a través del autotransformador hasta lograr una tensión de 220 V entre fases en la carga. Seguidamente tomar valores de corriente y potencia para diferentes cargas.

CUESTIONARIO

Autotrans-

Formador 3

1. Hallar el circuito equivalente de cada banco para las condiciones Nominales.

En el laboratorio se conectaron los transformadores según DY7 en paralelo con un banco de transformadores con conexión DY1, siendo el lado de alta Y y el lado de baja D

A los transformadores se les hicieron las pruebas:

De Vacío:

Vprimario I(mA) W 120 783 75 110 536 50 100 390 36 90.6 294 25 80.5 241 19 70.5 201 14 60.9 172 11 50.2 146 7 40.1 123 5 30.6 104 3.5 20.8 82 1.5

De Cortocircuito:

Vcc I(A) W26.8 5.87 15821.9 4.7 10016.1 3.44 5610.7 2.28 256.7 1.425 71.6 0.329 0.1

De la prueba de vacío, para condiciones nominales obtenemos:

Interpolando datos para 110 V obtenemos 0.536 A de corriente y w=50, de estos datos nominales obtenemos:

Para hallar los parámetros los cálculos se hacen por fase :

Vfase = 110 V (Delta ) , Ifase = IO / 3 = 0.309 y 

las pérdidas en vacío para una fase P =50 / 3 = 16.67 watts

ZO = Ufase / IO fase = 110 / 0.309 = 355.987

RO = Pofase / I 2O fase =16.67 / 0.3092 = 174.59

Xo = 310.234ohm

Para la prueba de cortocircuito obtenemos :

De los datos del transformador In alta = 5,87 A.DE los datos obtenidos para 5,87 A obtenemos 26,8V y 273.66 watts

VccF = 26,8 / 3 =15.473

IccF = IN = 5,87 A

Potencia consumida por fase: 273.66 / 3 =91.22

Entonces tenemos:

ZCC = VCC / IN = 15.473 / 5,87 = 2.636

RCC = PCC / IN2 = 91.22 / 5.87 2 = 2.6

XCC = 0.43416 ohm

2. Enumere las ventajas y desventajas que tienen los bancos de transformadores monofásicos, con respecto a los transformadores trifásicos de núcleo.

Las ventajas que tiene los bancos de transformadores monofásicos:

El circuito de alta tensión se encuentra aislado magnéticamente del Lado de baja tensión.

La principal ventaja del banco de transformadores monofásicos consiste en la posibilidad de cambiar cualquiera de ellas en caso de averia o de mantenimiento.

La desventaja: 

En los transformadores trifásicos resulta más liviana, más pequeña, más barata y ligeramente más eficiente; el ahorro del hierro a comparación con el banco trae consigo menores perdidas.

La presencia de sobretensiones debido a la presencia de componentes de tercer armónico lo que puede resultar perjudicial para la vida de los aislantes y puede provocar a veces grandes tensiones resonantes entre la inductancia del transformador y la capacidad de la línea; por esta razón los transformadores monofásicos del banco trifásico se debe proyectar con inducciones bajas, lo que supone un encarecimiento de los mismos. 

3.Explique si son iguales las pérdidas en vacío por fase en un transformador trifásico tipo núcleo.

NO en un transformador tipo núcleo las perdidas en vacío no son iguales, pues las corrientes de magnetización IOA , IOB , IOC son desiguales . Esto debido a que una propiedad característica de este transformador es la asimetría de su circuito magnético.

En la figura la longitud de los circuitos magnéticos no son iguales, la longitud del circuito magnético B es menor que las otras dos.Por consiguiente I OA = IOC > IOB, donde IOK corriente de magnetización. Por lo tanto en un transformador trifásico los circuitos magnéticos de las tres

fases resultan así un tanto desequilibrados, teniendo al central menos reluctancia que los otros, es por eso que las perdidas por fase no son iguales. Pero en los transformadores trifásicos estas diferencias no son tan apreciables para el normal funcionamiento de estos, lo cual despreciamos estas diferencias.

La distribución desigual de la potencia durante la marcha en vacío, así como la geometría de las corrientes no tiene importancia puesto que la potencia generalmente constituye menos del 1% de la potencia nominal del transformador.

4. Explicar cómo es el reparto de carga en transformadores trifásicos puestos en paralelo. Verificar con los datos obtenidos en el laboratorio.

Cuando funcionan en paralelo los transformadores, las tensiones entre terminales de todos los primarios son iguales, y análogamente ocurre con las tensiones entre terminales de secundario. La corriente total de los primarios que circula por el grupo es la suma vectorial de las corrientes que circulan por cada uno de los primarios, y la corriente total que circula por la carga es la suma vectorial de las distintas corrientes que circulan por los secundarios.

Si no fueran iguales las razones de transformación de los transformadores, las tensiones inducidas en los secundarios serían diferentes cuando los primarios estuvieran alimentados por un mismo generador y por lo tanto, si se conectan en paralelo sus secundarios existirá una corriente circulante incluso a carga nula. Como esto no es conveniente, los transformadores que funcionan en paralelo deberán tener razones de transformación iguales.

El reparto de carga en transformadores trifásicos se hace igual que en transformadores monofásicos simplemente se analiza por fase, si las potencias de los transformadores son iguales y la relación de transformación lo es también, entonces la corriente de carga será la misma para las tres fases.

En caso contrario la corrientes serán proporcionales al a potencia de cada transformador. Mientras que la corriente igualadora no depende del régimen

de trabajo de los transformadores, pues las tensiones en los secundarios con carga se reducen en un mismo valor.

En el laboratorio se hallo:

V Icarga W Ientrada220 1.8 350 6.23220 2.8 560 9.4220 3.8 750 12.4

Para nuestro caso a1=a2(aprox. igual) y Zeq1=Zeq2(aprox. igual) entonces I1F= Icarga /2 .

pero como el lado de baja esta conectado en delta

I2L= 3I2F=3Icarga

Como las corrientes que toma cada transformador son iguales 

IRED = 23Icarga

Comparando con los valores hallados, se puede observar que los valores hallados son muy próximos, estos difieren pues la relación de transformación y las impedancias equivalentes no son exactamente iguales.

El reparto de carga es IGUAL para ambos.

OBSERVACIONES:

Para la medición de la polaridad además de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito que se usaron para determinar la regulación, eficiencia se acostumbra hacer la prueba de la polaridad y la de faseo.La prueba de la polaridad se lleva a cabo de tal modo que las terminales individuales de los devanados de las bobinas separadas de un transformador se pueden marcar o identificar para saber cuales son las que tienen la misma polaridad instantánea.

Para la conexión en paralelo, los transformadores se dicen que están conectados en paralelo cuando lo están sus devanados primarios por una parte y los secundarios por otra.