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LABORATORIO N°03: TRANSFORMADOR TRIFASICO

I. OBJETIVO

-Analizar las conexiones de un transformador trifásico

-Determinar el circuito equivalente y el rendimiento de un transformador trifásico

-Identificar bobinados y analizar el comportamiento de un transformador trifásico.

II.-FUNDAMENTO TEORICO

EL TRANSFORMADOR TRIFASICO

Actualmente casi todos los sistemas principales de generación y distribución de potencia

en el mundo son trifásicos de CA. Para transformar la corriente alterna trifásica se puede

hacer uso de tres transformadores monofásicos. En el sistema trifásico estos tres

transformadores deben trabajar como una sola unidad. Es lógico preguntarse si no sería

posible unir los tres transformadores monofásicos en un solo artefacto trifásico y con ello

conseguir economía de material.

Imaginémonos tres transformadores independientes. Uniéndolos en un solo

transformador trifásico, dejamos sin modificación aquella parte de los núcleos que llevan

los arrollamientos y unimos los demás lados de los tres núcleos en un camino magnético

común. Tal sistema magnético puede ser comparado con la conexión en estrella de tres

circuitos eléctricos.

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Pero en el sistema trifásico con carga uniforme el conductor neutro resulta superfluo;

prescindiendo de él, habremos conseguido economía de cobre. En el sistema magnético al

conductor neutro corresponde el tronco central común. El flujo en el hierro del

transformador puede ser considerado como directamente proporcional a la tensión y

atrasado en fase con respecto a la misma en un ángulo casi igual a 90°. En consecuencia,

las tres tensiones primarias deben dar lugar a tres flujos de igual amplitud desfasados

entre sí 120°. La suma de estos tres flujos en el tronco común es igual a cero, lo que

permite suprimirlo. El núcleo simétrico indicado en la figura no se presta a la fabricación y

actualmente se lo reemplaza por el indicado en la siguiente figura:

Tanto los tres bobinados primarios como los tres secundarios se pueden conectar de

cualquiera de las dos formas trifásicas conocidas: estrella o triángulo. Estas formas de

conexión si bien en teoría se las conoce de la siguiente forma:

ESTRELLA TRIÁNGULO

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En la práctica para transformadores trifásicos las conexiones anteriores se hacen de la

siguiente forma:

R S T R S T

A 1

A 2 B2

B1 C1

C2

A 1

A 2 B2

B1 C1

C2

estrella triángulo

El aspecto de un transformador trifásico en aire sería el siguiente:

bobinado

núcleo perfil para sujetar elnúcleo

La mayor parte de los transformadores trifásicos son de media y de alta tensión por lo

tanto los bobinados no se pueden ejecutar en aire porque no tienen suficiente aislación,

por esa razón se los construye inmersos en aceite aislante. El aceite aislante es un aceite

mineral que posee una rigidez dieléctrica muy superior a la del aire.

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radiadores

aisladores

tanque deexpansión

relébuchholz

nivel deaceite

canillaparadrenaje

vaso desilicagel

Tº

Constitución

Al tratar del transformador trifásico suponemos que sus devanados, tanto de alta como de

baja tensión, se hallan conectados en estrella. Según la aplicación a que se destine un

transformador, deben considerarse las posibilidades de establecer otras conexiones

distintas, las cuales ofrecen sobre todo especial interés desde el punto de vista del

acoplamiento en paralelo con otros transformadores.

Grupos de conexión

Las combinaciones básicas que han de ser tenidas en cuenta por lo que se refiere a sus

particularidades para los acoplamientos en paralelo, forman esencialmente cuatro grupos.

Cada grupo se caracteriza en particular por el desfase que el método de conexión

introduce entre las f.e.m. primarias y las homólogas secundarias.

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Nº Grupo

Símbolo Conexionado

Primario Secundario Primario Secundario

0

Dd0

Yy0

Dz0

5

Dy5

Yd5

Yz5

6

Dd6

Yy6

Dz6

11 Dy11

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En la tabla se detallan los grupos de conexiones normalizados para transformadores de

potencia trifásicos. Debe tenerse en cuenta que el esquema de conexionado es válido

solamente en el caso que los devanados tengan el mismo sentido de arrollamiento.

Ensayos de transformadores trifásicos

Hay pocas diferencias entre los transformadores trifásicos y monofásicos, en lo que

respecta a los ensayos a realizar. Por lo pronto, las especificaciones sobre temperatura,

aislación, etc., no pueden ser diferentes, pues las normas no hacen distingos sobre el

número de fases.

Para las caídas de tensión y regulación, también pueden estudiarse como si se tratara de

uno monofásico, con solo considerar separadamente cada fase. Ya sabemos cómo se

combinan los resultados para hacer un diagrama unico, trifásico. De modo que la

característica de carga o externa, que da la tensión en los bornes secundarios al variar la

carga, se tomara para una fase, pues es igual prácticamente, para las otras.

Para determinar el rendimiento aparece la primera diferencia de consideración. En efecto,

las perdidas en el hierro son distintas para las tres fases, cuando el núcleo es asimétrico, lo

que es común. Y como para calcular el rendimiento había que medir las perdidas en el

hierro y en el cobre, ya vemos que habrá alguna diferencia con respecto a los

monofásicos. Por lo cual se realizaran los ensayos en vacío y cortocircuito.

Yd11

Yz11

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Ensayo de vacío

Se utiliza para encontrar las perdidas en el hierro en un transformador, pero en la forma

indicada en la siguiente figura.

Se conectan 2 vatimetros monofásicos o uno trifásico, según el conocido método de

medición de potencia total trifásica, un voltímetro para verificar la tensión normal, y,

opcionalmente, amperímetros para poder determinar la corriente de vacío, y con ella, el

ángulo de fase en vacío. Si el vatimetro es trifásico dará directamente en su escala la

potencia total absorbida por el transformador, pero si se trata de dos monofásicos, hay

que tener cuidado con un detalle que recordaremos.

En el método de medida de los dos vatimetros, según se estudio en electricidad, se

sumaban las indicaciones cuando el desfasaje entre la corriente y la tensión era menor de

60º, pues si ese ángulo era superado, había que retar ambas lectura. En un transformador

en vacío, es seguro que el angula de desfasaje supera los 60º, por lo cual hay que tener

presente esta circunstancia, restando las lecturas de ambos instrumentos.

Finalmente, la potencia total de vacío representa las perdidas en el hierro de todo el

transformador, y el ángulo de desfasaje de la corriente de vacío será:

√

Debiendo tenerse presente que el ángulo cuyo coseno da la ultima formula, no es el que

corresponde a una fase particular, sino que a un intermedio entre las tres fases, ya

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sabemos que son distintos. Para tener el valor exacto de cada uno, habría que conectar

tres juegos de instrumentos, uno en cada fase, y calcular el angulo por el método de

medida que se conoce y que se vio en la sección correspondiente a los monofásicos.

Ensayo de corto circuito

Se utiliza para determinar las perdidas en el cobre, pero en este caso no es menester

medir las pérdidas en las tres fases, pues como son iguales en todas, basta medir en una

fase y multiplicar por tres. Se emplea el esquema que se muestra en la siguiente figura.

Tal como se vio en ensayo para transformadores monofásicos, hay que aplicar al primario

una tensión reducida, que se gradúa de manera de tener en el secundario la carga normal,

acusada por el amperímetro. El vatimetro indica la potencia que absorbe una fase del

transformador con secundario en cortocircuito. Las pérdidas totales en el cobre se

calculan multiplicando esa lectura por tres.

Y una vez que conocemos las pérdidas totales en el hierro y en el cobre de nuestro

transformador trifásico, para determinar el rendimiento no hay más que conocer la

potencia normal secundaria y aplicar la siguiente formula

n = W2 / (W2 + Pf + Pc)

Donde W2 es la potencia total trifásica para el secundario, en watt.

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III.-EQUIPOS Y/O INSTRUMENTOS A UTILIZAR

IV.-PROCEDIMIENTO

Pf son las pérdidas totales en el hierro

Pc pérdidas totales en el cobre

Para tener el rendimiento en porcentaje, vasta multiplicar el resultado por 100.

1.- Un transformador trifásico

2. Un amperímetro de pinza AC

3. Un amperímetro analógico AC

4. Un voltímetro analógico AC

5. Tres resistencias de 11 ohmios,8ª

6. Dos vatímetros monofásicos

7. Un osciloscopio

1. Realizar las conexiones de la figura 3,alimentando al primario del transformador trifásico con una tensión de 3x24 V obtenida de una fuente alterna y verificar en el osciloscopio del desfasaje de 150°

2. Hacer las conexiones de la figura 4 para determinar los bornes homólogos

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3. Conectar el secundario a una carga trifásica equilibrada en Y .Con una alimentación de 3x 24 V al primario, verificar midiendo con un voltímetro tensiones del primario y secundario y con una pinza amperimétrica las corrientes del primario y secundario

4. Realizar los ensayos de vacío y cortocircuito según la figura 6 y alimentando en el ensayo de vacío con tensión nominal 220V y el cortocircuito con 12 Vac y multiplicar por 2=100%Icc

5. Encontrar con los datos de vacío y cortocircuito, el circuito equivalente para una fase y el rendimiento del transformador

Paso 1

Observaremos en el osciloscopio el desfasaje de las líneas de tensión .

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V.- CUESTIONARIO

Paso 4

Datos de corrientes en el transformador trifásico:

El promedio de las tres líneas en el primario es 16.53 Amperios.

El promedio de las tres líneas en el secundario es 9.58 Amperios.

Ensayo de cortocircuito

Potencia aparente es :

S= ((Esec * IL1) * 3^0.5)

E secundario (v) I L1 (A) Potencia aparente (VA )

2.86 2.2 10.9133

5.032 4 34.86

7.63 6 79.29

9.56 7.6 125.84

1. ¿Por qué a un transformador elevador se le conecta estrella/delta y a un reductor en delta /estrella?

El uso de este tipo de transformadores es "aumentar" eléctricamente la tensión desde

un generador hasta la alta tensión más conveniente para la transmisión de potencia.

Los transformadores elevadores de generación se instalan en una central eléctrica y

son construidos como unidades monofásicas o trifásicas.

2. ¿Cómo se haría una conexión a tierra, si el transformador está conectado?

No todos los transformadores tienen neutro, solo aquellos que son trifásicos y conectadas su bobinas en estrella son los que tienen neutro propio Cuando se produce un defecto a tierra en una linea trifásica o en las cargas que alimentan dicha linea se produce un nuevo circuito que se cierra por tierra. La linea o la carga que accidentalmente queda a tierra alimenta a tierra una corriente eléctrica que se desplaza por la tierra y llega al neutro del transformador donde allí se reparte entre las lineas trifásicas y queda el circuito cerrado. La alimentación al circuito la produce las espiras del transformador situadas entre la puesta a tierra del mismo y la

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linea que tiene el defecto. La corriente va por esa linea y retorna como hemos dicho por la tierra.

3.- Que implicancia tiene el desfasaje de las tensiones sobre la carga?

En una línea eléctrica la tensión en un determinado punto depende de las caídas de

tensión en la línea, y dado que el grado de carga de una línea es variable a lo largo del día,

la tensión también será variable.

Las resistencias son elementos pasivos que no generan desfase en la corriente. Sin

embargo, bobinas y condensadores son elementos reactivos que generan campos,

respectivamente, magnéticos y eléctricos. Estos campos presentan una cierta “inercia” a

ser creados o destruidos, y es esta “inercia” la que introduce desfases en la corriente.

Ambos elementos producen efectos contrarios en la corriente, las bobinas introducen

desfases positivos, y los condensadores negativos.

Sin embargo, las cargas reales nunca son “puras” si no que presentan un comportamiento

intermedio entre cargas pasivas y reactivas. Para caracterizar las cargas reales empleamos

el ángulo de desfase que introducen entre tensión y corriente. Una resistencia pura es una

carga de 0º, una bobina una resistencia de 90º, y un condensador -90º. Los

comportamientos mixtos presentan valores de desfase intermedios entre estos límites

4.- ¿Para qué le puede servir conocer los bornes homólogos d un transformador

trifásico?

La definición más empleada se vincula con las fuerzas magnetomotrices (productos NI),

que actúan en el circuito magnético, y es la siguiente: “si en los distintos arrollamientos

entra corriente por los bornes homólogos, las fuerzas magnetomotrices (fmm)

desarrolladas se suman entre sí”.

El sentido de la fmm que desarrolla una bobina depende del sentido de la corriente y de la

forma en que se ha devanado el arrollamiento y está determinada por la regla del

tirabuzón o de la mano derecha. Por ejemplo en el circuito magnético de la figura 2 se

muestra cómo al entrar corriente por los bornes homólogos las fuerzas magnetomotrices

desarrolladas se suman.

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Una vez dado el sentido de los arrollamientos, los bornes homólogos quedan

unívocamente determinados y su ubicación no puede ser arbitraria.

Otra propiedad de los bornes homólogos es que, ante un flujo variable, los bornes

homólogos tienen la misma polaridad instantánea, figura 3.

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VI.-CONCLUSIONES

VII.-OBSERVACIONES

VIII.-BIBLIOGRAFIA

-Se completó la familiarización con el transformador trifásico, relacionado a las formas de

conexión posibles y diferencias entre ellas.

-Puedo concluir diciendo que todas las conexiones que se realizan en los transformadores

son importantes, cada uno tiene distintas ventajas y desventajas, las cuales deben ser

puestas en una balanza para que al rato de elegir, optemos por la mejor opción. También

debemos tener en cuenta que muchos de los transformadores junto con sus conexiones

están construidos para aplicaciones específicas en alta y baja tensión por lo que no

tendremos que pensar mucho al momento de elegir.

Las observaciones en los devanados que se deben tomar en cuenta desde el criterio de diseño, para la facilidad de los devanados, son aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la reactancia de dispersión y a los esfuerzos mecánicos.