Junto con el agua, el alcantarillado y otros servicios, la electricidad es uno de los servicios públicos más importantes en el mundo desarrollado. Según el lugar donde se utilice, la electricidad puede estar disponible a diferentes tensiones. ¿Cuál es la clave para reducir (o incrementar) la potencia entre dos sistemas? Los transformadores. Este artículo de Bel explora los pros y los contras de las cuatro configuraciones de devanado primario de los transformadores trifásicos.
Un transformador es un dispositivo eléctrico que, por inducción electromagnética, transforma la potencia entre circuitos de la misma frecuencia, generalmente cambiando los valores de voltaje y corriente. Dado que toda la energía de la fuente se genera en formato trifásico, los transformadores trifásicos juegan un papel clave en la distribución de energía a larga distancia, redes regionales, redes locales e instalaciones industriales y comerciales.
Configuraciones de bobinados de transformadores trifásicos
Los transformadores de potencia trifásicos se construyen enrollando tres transformadores monofásicos en un solo núcleo. Dado que el cobre y el núcleo de hierro se utilizan de forma más eficaz, los transformadores trifásicos para una potencia nominal de voltios-amperios (VA) determinada serán más pequeños, más rentables y más livianos que tres transformadores monofásicos individuales.
Figura 1: Conectores de enchufe y receptáculo de contacto físico típicos.
Los transformadores trifásicos suelen tener al menos 6 devanados: 3 primarios y 3 secundarios. Los devanados primario y secundario pueden conectarse en diferentes configuraciones para cumplir con distintos requisitos. En aplicaciones comunes, los devanados suelen estar conectados en una de dos configuraciones populares: Delta o Estrella.
Conexión delta
En una conexión delta, hay tres fases y no hay neutro. Una conexión delta de salida solo puede suministrar una carga trifásica. La tensión de línea (VL) es igual a la tensión de suministro. La corriente de fase (IAB = IBC = ICA) es igual a la corriente de línea (IA = IB = IC) dividida por √3 (1,73). Cuando el secundario de un transformador está conectado a una carga grande y desequilibrada, el primario delta proporciona un mejor equilibrio de corriente para la fuente de energía de entrada.
Figura 2: Esquema de conexión "Delta".
Conexión en Y
En una conexión en Y, hay tres fases y un neutro (N): cuatro cables en total. Una salida de conexión en Y permite que el transformador suministre un voltaje trifásico (fase a fase), así como un voltaje para cargas monofásicas, es decir, el voltaje entre cualquier fase y neutro. El punto neutro también se puede conectar a tierra para brindar seguridad adicional cuando sea necesario: VL-L = √3 × VL-N.
Figura 3: Esquema de conexión "Wye".
Las cuatro configuraciones de bobinado primario
Un transformador trifásico se puede conectar en cuatro configuraciones comunes: Delta-Delta, Estrella-Estrella, Delta-Estrella y Estrella-Delta. Cada configuración, que se distingue por sus conexiones de devanados primarios y secundarios, conlleva ventajas y desventajas específicas, que influyen en el rendimiento y la idoneidad de la aplicación de estos transformadores.
1. Delta/Delta (D/D)
Ventajas de la configuración D/D
En un transformador delta-delta (identificado como D/d) los devanados primario y secundario están conectados en la configuración delta. Esta configuración ofrece varias ventajas. Si una de las tres bobinas falla o se desactiva, las dos bobinas restantes no dañadas pueden seguir suministrando corriente trifásica con una capacidad equivalente a aproximadamente dos tercios de la salida del transformador original.
En los casos en que el secundario del transformador está conectado a una carga grande y desequilibrada, el primario delta se destaca por proporcionar un mejor equilibrio de corriente para la fuente de energía de entrada.
Una ventaja clave es la ausencia de cualquier cambio de fase entre los devanados primario y secundario, lo que garantiza una transferencia de energía armoniosa. Esta configuración suele preferirse para aplicaciones que implican transmisión de energía de bajo voltaje y alta corriente o cuando se debe mantener la continuidad del servicio, especialmente en caso de una falla de fase.
Desventajas de la configuración D/D
En esta configuración, ciertas características impactan el diseño y la funcionalidad de los transformadores trifásicos. El alto número de vueltas tanto para los devanados primarios como secundarios da lugar a bobinas más grandes y más caras. Este diseño requiere un aislamiento adicional entre bobinados y capas intermedias. El uso de cable magnético de calibre más delgado aumenta el costo por libra y, notablemente, esta configuración carece de una conexión neutra.
2. Delta/Y (D/Y)
Ventajas de la configuración D/Y
La configuración primaria delta y secundaria estrella (D/y) se destaca por su capacidad de entregar una carga equilibrada de tres cables a la empresa generadora de energía, adaptándose a diversas aplicaciones sin problemas. Esta configuración se elige con frecuencia para suministrar energía a los sectores comerciales, industriales y residenciales de alta densidad.
Esta configuración es capaz de suministrar cargas tanto trifásicas como monofásicas y puede crear un neutro de salida común cuando la fuente no lo tiene. Suprime eficazmente el ruido (armónicos) de la línea al lado secundario.
Desventajas de la configuración D/Y
Si una de las tres bobinas falla o se desactiva, puede comprometer el funcionamiento de todo el conjunto. Además, el desfase de 30 grados entre los devanados primario y secundario puede generar un mayor rizado en los circuitos de CC.
3. Estrella/Delta (Y/D)
Ventajas de la configuración Y/D
La configuración Y/d aprovecha una entrada de alta tensión, al reducir el voltaje en cada bobina individual en un factor de √3. Esto permite usar menos vueltas de alambre y disminuir la necesidad de aislamiento. Este diseño se puede utilizar como transformador reductor, principalmente al final de la línea de transmisión. También incluye un cable de tierra (neutro) en el lado de la fuente de alimentación.
Desventajas de Y/d
La configuración Y/D comparte los mismos inconvenientes potenciales que la configuración D/Y: la funcionalidad de todo el grupo puede deshabilitarse en caso de que falle una sola bobina y la introducción de un cambio de fase de 30 grados entre los devanados primario y secundario puede provocar un aumento del ruido en los circuitos de CC.
4. Wye / Wye (Y/Y)
Ventajas de la configuración Y/Y
Entre las cuatro configuraciones comunes de transformadores trifásicos, la configuración Y/y es la opción más rentable, ya que ofrece una transmisión de energía perfecta sin cambios de fase entre los devanados primario y secundario. Los cables de puesta a tierra (neutros) están disponibles tanto en el lado primario como en el secundario, lo que proporciona versatilidad para suministrar energía a cargas trifásicas y monofásicas.
Desventajas de la configuración Y/Y
Para garantizar un rendimiento óptimo, las cargas monofásicas deben equilibrarse lo más posible dentro de esta configuración. Es importante tener en cuenta que la configuración Y/y puede ser más susceptible al paso de ruido entre la fuente de alimentación y la carga.
Transformadores de tipo seco y rellenos de líquido
Dependiendo de los niveles de potencia y tensión, los transformadores trifásicos se pueden clasificar en dos grandes categorías: transformadores de tipo seco, que utilizan el aire como medio de enfriamiento, o transformadores rellenos de líquido, que emplean aceite como medio de enfriamiento.
Transformadores de tipo seco: bobinas abiertas o encapsuladas en resina
Dentro de los transformadores de tipo seco existen dos categorías principales:
- Bobina abierta, con núcleo y bobinas impregnados en resina expuestos, diseñados para instalaciones en gabinetes, con una clasificación eléctrica de hasta 1000 V de tensión y hasta 500 kVA de potencia.
- Bobinas encapsuladas en resina, donde cada bobina se moldea de forma sólida, generalmente en un molde de resina epóxica, con una clasificación eléctrica de hasta 36 kV de tensión y hasta 40 MVA de potencia.
Transformadores llenos de líquido
Los transformadores llenos de líquido, por el contrario, están completamente sumergidos en aceite mineral especial dentro de contenedores metálicos sellados al vacío, con clasificaciones eléctricas de voltaje: de 6,0 kV a 1500 kV y potencia: hasta 1000+ MVA.
Imagen 1: Tipos de transformadores.
Configuración óptima del transformador de marco abierto
Para los transformadores de marco abierto, cuando las circunstancias lo permiten, la mayoría de las industrias prefieren utilizar la entrada delta y la salida estrella para conectar un transformador trifásico en aplicaciones de distribución de energía.
Los voltajes de entrada más comunes para configuraciones delta incluyen 600 V, 480 V, 415 V, 400 V, 230 V y 208 V. En cuanto a las configuraciones estrella, las tensiones de salida más comunes son las siguientes: en Canadá, 600 V (L-L) y 347 V (L-N). Para grandes cargas industriales en EE. UU., suministra 480 V (L-L) y 277 V (L-N). En el caso de pequeñas cargas industriales, comerciales y residenciales en EE. UU., los voltajes de salida son 208 V (L-L) y 120 V (L-N).
Signal Transformer Co. se destaca como un fabricante destacado en este dominio, especializado en la producción de transformadores trifásicos de marco abierto de tipo seco. Con más de 50 años de experiencia en la fabricación de transformadores, bobinas, inductores y productos estándar personalizados o modificados, Signal Transformer se destaca en el diseño y fabricación de plataformas especializadas y rentables.