Lab. 3 - El transformador trifásico (1)

MÁQUINAS ELÉCTRICAS Laboratorio N° 3 “El Transformador Trifásico” Apellidos y nombres: - Elme Huayllas, Renzo. - Tapia Santos, Arturo.

Profesor: Cuba Anicama, Carlos H.

Sección: C15 - 4 - C Fecha de realización: 19 de setiembre Fecha de entrega: 3 de octubre 2013 - II

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INTRODUCCION Los transformadores son máquinas estáticas que se utilizan para variar los valores de tensión (V) e intensidad (I) en C.A. Son utilizados en las líneas de transporte y distribución para elevar o reducir los valores de tensión eléctrica. Si estamos describiendo al transformador, este se encarga de trasformar niveles de energía a una en otro nivel de tensión utilizando la interacción electromagnética. La función de un transformador se constituye de fuerza electromotriz que sobreponer se vale y transita por ese una fuerza exterior y se produce un campo magnético, el mecanismo del sitio originará una robustez magnética de la cual producirá la fuerza electromotriz que alimentará y dará la funcionalidad de nuestros equipos. En el presente informe se mostrarán las conexiones del bobinado y las relaciones de corriente y voltaje en un transformador trifásico con ayuda del módulo de Lab-Volt y las observaciones respecto a lo experimentado.

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OBJETIVOS Conectar transformadores en delta o estrella. Estudiar las relaciones de corriente y voltaje.

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FUNDAMENTO TEORICO Un transformador trifásico está constituido por tres transformadores, que se encuentran separados o combinados sobre un solo núcleo. Los primarios y secundarios de cualquiera de ellos pueden conectarse en estrella o en delta, dando lugar a un total de cuatro posibilidades de conexión en el transformador trifásico: Conexión Delta - Delta Se suele usar en baja tensión (buen comportamiento frente a desequilibrios) allí donde no se necesita neutro. Si se trata de un banco trifásico con tres transformadores monofásicos, esta conexión permite el funcionamiento del sistema, sólo al 58% de la potencia, pero con sólo dos transformadores monofásicos.

Figura 1. Conexión Delta-Delta

Conexión Delta - Estrella Se suele utilizar como transformador elevador a la salida de las centrales, pues al disponer de un neutro en alta tensión que se pone a tierra, se logra que la tensión de cualquier fase quede limitada a la tensión simple del sistema. También se suele usar como transformador de distribución allí donde se precise alimentar cargas monofásicas y trifásicas. Los desequilibrios de las cargas monofásicas tienden a ser compensados por el primario conectado en triángulo.

Figura 2. Conexión Delta - Estrella

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Conexión Estrella - Delta Se usa como transformador reductor al final de una línea de alta tensión.

Figura 3. Conexión Estrella - Delta

Conexión Estrella-Estrella Un transformador diseñado para trabajar con esta conexión es, en general, más fácil de construir y de menor coste que cualquier otro. Pero no suele utilizarse en la práctica, dado que tiene un comportamiento muy malo cuando se presentan desequilibrios en las cargas. La única aplicación práctica se da cuando se conectan líneas de alta tensión.

Figura 3. Conexión Estrella - Estrella

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Sistema trifásico. Para transformar un sistema trifásico de energía eléctrica, se puede recurrir a la utilización de tres transformadores monofásicos (uno para cada una de las fases). Cabe no obstante, otra posibilidad, la de utilizar un solo transformador trifásico compuesto de un único núcleo magnético en el que se han dispuesto tres columnas sobre las que sitúan los arrollamientos primario y secundario de cada una de las fases.

Figura 4. Conexión de tres transformadores monofásicos para hacer uno trifásico

Para transformar un sistema trifásico de energía eléctrica, se puede recurrir a la utilización de tres transformadores monofásicos (uno para cada una de las fases). Cabe no obstante, otra posibilidad, la de utilizar un solo transformador trifásico compuesto de un único núcleo magnético en el que se han dispuesto tres columnas sobre las que sitúan los arrollamientos primario y secundario de cada una de las fases. Este único transformador funciona exactamente igual que lo harían tres transformadores monofásicos separados, siempre que el sistema trifásico sea equilibrado. En la figura 5 adjunta se ilustra cómo funcionarían esos tres transformadores monofásicos, y cómo, al fusionar las tres columnas en una, por ella no pasaría flujo magnético alguno, dado que al ser el sistema equilibrado, los flujos también lo serían, siendo su suma nula, por lo que podría incluso, prescindirse de la cuarta columna compuesta por la fusión de una de las columnas de cada transformador monofásico.

Figura 5. Núcleo magnético trifásico

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Los principales sistemas de generación y distribución de potencia en el mundo son sistemas trifásicos de corriente alterna (ca), debido a las grandes ventajas que presentan. Los transformadores son una parte principal en sistemas trifásicos de ca. Por lo que para su utilización en estos sistemas, se pueden considerar dos configuraciones, la primera consiste en tomar tres transformadores monofásicos y conectarlos en un banco trifásico, es decir, tres transformadores por separados, unidos mediante algún tipo de conexión, esta configuración presenta la desventaja de ser más caro que utilizar un solo transformador trifásico, y tiene como ventaja que cualquier unidad del banco puede ser reemplazada individualmente. En un sistema trifásico las tensiones están desplazadas 120 grados eléctricos, además la relación de transformación “a” de cualquier transformador viene dada por:

V1 es la tensión del primario; secundario

N1 es la relación de vueltas del

V2 es la tensión en el secundario secundario.

N2 es la relación de vueltas del

Relación de voltaje corriente y potencia aparente Conexión Delta:

Tensión: Corriente:

Iguales √

Conexión Estrella:

Tensión: Corriente:

√ Iguales

Potencia en Fase: Potencia en Línea:

√

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INSTRUMENTOS Y EQUIPOS Módulo de transformador

EMS 8341

Módulo de fuente de alimentación

EMS 8821

Módulo de medición de c-a

EMS 8246

Multímetro AMPROBE Cables de conexión

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PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS CONEXIÓN ESTRELLA - ESTRELLA

Figura 6. Conexión Estrella - Estrella

E1 E4 E7 E10

120 V 69,28 V 120 V 69,28 V

VALORES CALCULADOS E2 120 V E3 E5 69,28 V E6 E8 120 V E9 E11 69,28 V E12

120 V 69,28 V 120 V 69,28 V

Tabla 1. Valores Calculados

E1 E4 E7 E10

VALORES MEDIDOS 120,1 V E2 122,5 V 68,6 V E5 75,16 V 122,24 V E8 120,3 V 68,3 V E11 75,06 V

E3 E6 E9 E12

120 V 67,87 V 120,3 V 68,01 V

Tabla 2. Valores Medidos

Ventajas La conexión de tipo estrella-estrella es la más económica para transformadores de alta tensión que genera pequeña potencia. Se puede conectar los neutros a los dos bobinados, tanto con la tierra, como para una distribución equilibrada con cuatro cables. Una de las conexiones más sencillas para poner en fase en el funcionamiento en paralelo. 9|P ági na

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Si una fase en cualquier bobinado funciona defectuosa, las dos fases restantes pueden funcionar resultando una transformación monofásica. La carga que podría suministrar seria del aproximadamente el 58 por ciento de la potencia normal trifásica. Desventajas Los neutros negativos son muy inestables, a menos que sean sólidamente conectados a una toma de tierra. Las unidades trifásicas o baterías de polaridad opuesta no pueden funcionar en paralelo, a no ser que la conexión de las fases del primario o del secundario de un transformador o batería se invierta. Una avería en una fase hace que una unidad trifásica no pueda trabajar en una distribución de tres fases hasta que se repare. La construcción de los enrollamientos es más dificultosa y su coste, más elevado. Especialmente cuando es para corrientes altas.

CONEXIÓN DELTA - ESTRELLA

Figura 7. Conexión Delta - Estrella

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E1 E4 E7

VALORES CALCULADOS 90 V E2 90 V E3 155,88 V E5 155,88 V E6 90 V E8 90 V E9

90 V 155,88 V 90 V

Tabla 3. Valores Calculados

E1 E4 E7

90,37 V 158.9 V 89,86 V

VALORES MEDIDOS E2 90,15 V E5 156,8 V E8 89,99 V

E3 E6 E9

92,35 V 158,5 V 91,61 V

Tabla 4. Valores Medidos

Ventajas La conexión de tipo delta-estrella, eliminan las tensiones del tercer armónico al circular la corriente de este tercer armónico por el primario en el triángulo. El neutro del secundario se puede conectar con la tierra o puede ser utilizado para tener un suministro de cuatro cables. En este tipo de conexión se puede tener un suministro desequilibrado de cuatro cables, y las tensiones desequilibradas resultantes son relativamente pequeñas, siendo solamente proporcionales a las impedancias interna de los enrollamientos. Por esta razón se pueden alimentar simultáneamente cargas equilibradas y desequilibradas. Desventajas Si este tipo de conexión tiene una avería en una fase hace que una batería o unidad trifásica no pueda funcionar hasta que se la repare. El enrollamiento en triangulo puede ser débil mecánicamente en el caso de un transformador reductor de tensión con el primario a tensión muy alta o con una tensión mediana en el primario y potencia pequeña.

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CONEXIÓN ESTRELLA - DELTA

Figura 8. Conexión Estrella - Delta

E1 E4 E7

VALORES CALCULADOS 120 V E2 120 V E3 69,28 V E5 69,28 V E6 69,28 V E8 69,28 V E9

120 V 69,28 V 69,28 V

Tabla 5. Valores Calculados

E1 E4 E7

121,1 V 70,51 V 70,16 V

VALORES MEDIDOS E2 120,1 V E5 69,32 V E8 68,98 V

E3 E6 E9

121,2 V 70,21 V 70,29 V

Tabla 6. Valores Medidos

Ventajas La conexión de tipo estrella-delta, eliminan las tensiones del tercer armónico por la circulación de la corriente de este tercer armónico en el secundario en triangulo. El neutro del primario se puede conectar con la tierra.

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El neutro del primario se mantiene estable por el secundario en triangulo. Este tipo de conexión es la más conveniente para los transformadores reductores de tensión, debido a las características inherentes de los enrollamientos en estrella para altas tensiones y de los enrollamientos en triangulo para las bajas tensiones. Desventajas Con este tipo de conexión no se puede disponer de un neutro en el secundario para poder conectar con la tierra o para una distribución de cuatro cables, a menos que se disponga un aparato auxiliar. Si se tiene un defecto en una fase hace que no pueda funcionar la batería o unidad trifásica hasta que se la repare. El enrollamiento en triangulo puede resultar débil mecánicamente en el caso de un transformador elevador con una tensión en el secundario muy alta, o con una tensión secundaria medianamente alta y potencia pequeña.

CONEXIÓN DELTA - DELTA

Figura 9. Conexión Delta - Delta

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E1 E4

VALORES CALCULADOS 120 V E2 120 V E3 120 V E5 120 V E6

120 V 120 V

Tabla 7. Valores Calculados

E1 E4

121,1 V 119,9 V

VALORES MEDIDOS E2 121,9 V E5 120,5 V

E3 E6

123,2 V 122 V

Tabla 8. Valores Medidos

Ventajas Esta conexión no tiene desplazamiento de fase. No tiene problemas con cargas desequilibradas o armónicas. Se puede quedar trabajando con dos transformadores nada más en caso de reparaciones cuando hablamos de un banco de transformadores monofásicos y seria el 58% de su 100%.

Desventajas Cuando trabaja con cargas desequilibradas los voltajes en las fases del transformador pueden desequilibrarse bastante. Los voltajes de terceros armónicos son grandes.

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CONEXIÓN DELTA – DELTA (ABIERTA)

Figura 10. Conexión Estrella - Delta

E1 E4

120 V 120 V

VALORES CALCULADOS E2 120 V E3 E5 120 V E6

120 V 120 V

Tabla 9. Valores Calculados

E1 E4

221 V 123 V

VALORES MEDIDOS E2 120,5 V E3 E5 120,2 V E6

123,3 V 122,6 V

Tabla 10. Valores Medidos

Análisis de Resultados En un transformador trifásico que tiene una conexión del tipo delta abierto – delta abierto, debido a la falta de unas de las fases del transformador, la corriente de línea de transmisión es igual a la corriente de fase en cada transformador y las corrientes y voltajes en el banco del transformador tienen un ángulo que difiere por 30°.

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PRUEBA DE CONOCIMIENTOS 1.

Compare los resultados de los procedimientos 4 y 5. a) ¿Hay una diferencia de voltaje entre la configuración delta-delta y la configuración delta abierta? No, ya que el voltaje tanto en el devanado primario como en el secundario es relativamente igual (220 V). b) ¿Se tiene el mismo valor nominal de VA en la configuración deltadelta y en la configuración delta abierta? ¿Por qué? No, ya que el valor de la potencia aparente en las dos conexiones no es la misma, en consecuencia esto se debe a que el valor de la potencia aparente

en

la

configuración

delta

abierta

sola

será

de

dos

transformadores y porque además la corriente de fase que fluye por ambos será ahora la corriente de línea. La potencia nominal en una conexión delta-delta es:

La potencia aparente en conexión delta abierta es:

(

√

)

√

Finalmente se llegó a la comparación de la conexión delta abierta y conexión delta –delta.

√ √

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Además, en la configuración delta-delta las bobinas tiene una perdida por corrientes parasitas es por eso que el voltaje disminuye considerablemente mientras que en la configuración delta-abierta no varía porque hay una parte en la que el circuito se encuentra abierto por lo que las pérdidas son menos y la inducción es mucho mejor. c) Si se aumentarán los valores de corriente nominal de cada devanado, ¿podrían obtenerse tan buenos resultados con la configuración de delta abierta, como se tiene en la configuración delta-delta?, Explique por que Si, debido a que la configuración delta abierta solo obtendríamos dos transformadores monofásicos nominales de corriente lo que se conseguiría sería un aumento en la capacidad de transformación del delta abierto igualando así o aproximando los valores al delta-delta

2.

Si cada transformador tiene una capacidad de 60 kVA ¿Cuál es el total de potencia trifásica que se puede obtener en cada una de las 5 configuraciones? Estrellaestrella

Estrelladelta

Deltaestrella

Delta-delta

Deltaabierta S3ф = 0.577 x 60 KVA S3ф = 34.64 KVA

3.

Si una de las polaridades del devanado secundario se invirtiera, en el procedimiento 1:

(Conexión Y - Y) a) ¿Se tendría un cortocircuito directo? Si b) ¿Se calentaría el transformador? Si c) ¿Se desbalancearían los voltajes del primario? No

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d) ¿Se desbalancearían los voltajes del secundario? Si 4.

Si una de las polaridades del devanado secundario se invirtiera, en el procedimiento 4:

(Conexión

)

a) ¿Se tendría un cortocircuito directo? Si b) ¿Se calentaría el transformador? Si c) ¿Se desbalancearían los voltajes del primario? Si d) ¿Se desbalancearían los voltajes del secundario? Si

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APLICACIÓN Según el tipo de conexión del transformador trifásico, se puede dar las siguientes aplicaciones: Conexión estrella-estrella  Los transformadores conectados de estrella-estrella encuentran su mayor aplicación como unidades de núcleo trifásico para suministrar una potencia relativamente pequeña. En la práctica, es generalmente difícil conseguir que una carga de iluminación por distribución trifásica de cuatro hilos resulte siempre equilibrada y, por esta razón esta conexión no es apropiada para tales cargas. Para la distribución de fuerza; esta conexión es completamente apropiada desde el punto de vista de su funcionamiento, con tal que se empleen transformadores de núcleo trifásico, pues los transformadores tipo de concha y monofásicos en tándem a menudo producen perturbaciones debidas a los armónicos. Conexión delta-estrella  La aplicación principal tiene efecto como reductor de tensión para alimentar una distribución de cuatro cables, con carga equilibrada o desequilibrada. Con esta conexión se puede alimentar una carga mixta, como para motores e iluminación.  Esta conexión es igualmente aplicable para elevar la tensión con miras a alimentar una distribución de alta tensión o línea de transmisión, pues son eliminadas las tensiones del tercer armónico, puede disponerse de un neutro en la A.T. para conectar con la tierra, y los enrollamientos de A.T. poseen las características más robustas.

Conexión estrella-delta  La aplicación principal de esta conexión tiene efecto en los transformadores reductores para alimentar una carga equilibrada trifásica. Por ejemplo: Motores.

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Propiedades de cada conexión. Conexión Y-y. Un transformador diseñado para trabajar con esta conexión es, en general, más fácil de construir y de menor coste que cualquier otro. Pero no suele utilizarse en la práctica, dado que tiene un comportamiento muy malo cuando se presentan desequilibrios en las cargas. La única aplicación práctica se da cuando se conectan líneas de alta tensión.

Conexión D-y. Se suele utilizar como transformador elevador a la salida de las centrales, pues al disponer de un neutro en alta tensión que se pone a tierra, se logra que la tensión de cualquier fase quede limitada a la tensión simple del sistema. También se suele usar como transformador de distribución allí donde se precise alimentar cargas monofásicas y trifásicas. Los desequilibrios de las cargas monofásicas tienden a ser compensados por el primario conectado en triángulo.

Conexión Y-d. Se usa como transformador reductor al final de una línea de alta tensión.

Conexión D-d. Se suele usar en baja tensión (buen comportamiento frente a desequilibrios) allí donde no se necesita neutro. Si se trata de un banco trifásico con tres transformadores monofásicos, esta conexión permite el funcionamiento del sistema, sólo al 58% de la potencia, pero con sólo dos transformadores monofásicos.

Conexión Y-z. Se usa como transformador de distribución. La conexión zigzag da al transformador un excelente comportamiento contra los desequilibrios, y se tiene neutro en alta y baja tensión.

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OBSERVACIONES En las pruebas siguientes la proporción de los valores teóricos con los prácticos oscilan en el mismo rango. Debido a que la tensión de entrada debía ser regulada mediante una perilla para un mejor resultado se verifica con el voltímetro. Se observó que la conexión de tres transformadores monofásicos, llamados también banco de transformadores monofásicos, tiene como resultado un transformador trifásico. Los transformadores monofásicos usados para el transformador trifásico, presentan una relación de transformación igual a 1.

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CONCLUSIONES Es importante saber los valores de los devanados primarios y secundarios de cada conexión ya que así es posible determinar la tensión y ver el margen de error de cada medición. Para implementar un transformador trifásico se utilizó 3 transformadores monofásicos ya que si se presentara una falla sería menor el costo de reparación. Se pudo implementar los transformadores trifásicos de diferentes tipos de conexión: estrella-estrella, estrella - delta, delta - estrella, delta - delta, delta abierto – delta abierto.

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Recomendación En el laboratorio se empleen altos voltajes, no hacer ninguna conexión cuando la fuente esté conectada. La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición. Durante la experiencia de cortocircuito del transformador se recomienda hacer las mediciones lo más rápido posible para no dañar al transformador. Se recomienda usar los implementos de seguridad dentro del laboratorio ya que se está trabajando con altos niveles de voltaje. No portar objetos metálicos en el laboratorio. Prestar mucha atención a lo que se está haciendo en el laboratorio porque e maniobran voltajes y equipos, por seguridad del operario y del equipo.

BIBLIOGRAFÍA Salvador G., M. (2001) Teoría y Problemas Máquinas Eléctricas Estáticas – Tomo II. Lima-Perú: Salvador Editores FRAILE,J.(2008). Máquinas Eléctricas (5ª Edición). Editorial: McGrawHill. Madrid - España 2008 CHAPMAN, S. Maquinas Eléctricas (3era Edición)

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