Transformadores trifásicos: Construcción y configuraciones
Además del agua, las alcantarillas y otros servicios, la electricidad es una de las utilidades más importantes en el mundo desarrollado. Dependiendo de dónde se utilice, la electricidad puede estar disponible en diferentes voltajes. ¿La clave para aumentar (o reducir) la potencia entre dos sistemas? Los transformadores. Este artículo de Bel explora los pros y contras de las cuatro configuraciones principales de los devanados de transformadores trifásicos.
Un transformador es un dispositivo eléctrico que, mediante inducción electromagnética, transforma la energía entre circuitos manteniendo 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 desempeñan un papel fundamental en la distribución de energía a larga distancia, las redes regionales, las redes locales, las instalaciones industriales y comerciales.
Configuraciones de devanado de transformadores trifásicos
Los transformadores de potencia trifásicos se construyen enrollando tres transformadores monofásicos en un único núcleo. Dado que el cobre y el núcleo de hierro se utilizan de manera más eficiente, los transformadores trifásicos para una clasificación específica de voltio-amperio (VA) serán más pequeños, más rentables y más ligeros que tres transformadores monofásicos individuales.
Figura 1: Conectores típicos de enchufe y receptáculo de contacto físico.
Los transformadores trifásicos generalmente tienen al menos 6 bobinados: 3 primarios y 3 secundarios. Los bobinados primarios y secundarios pueden conectarse en diferentes configuraciones para cumplir con distintos requisitos. En aplicaciones comunes, los bobinados suelen conectarse en una de dos configuraciones populares: Delta o Estrella.
Conexión Delta
En una conexión delta, hay tres fases y no hay neutro. Una conexión de salida en delta solo puede alimentar una carga trifásica. El voltaje de línea (VL) es igual al voltaje 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 en delta proporciona un mejor equilibrio de corriente para la fuente de alimentación de entrada.
Figura 2: Esquema de conexión en “Delta”.
Conexión en estrella
En una conexión en estrella (wye), hay 3 fases y un neutro (N), lo que suma un total de cuatro cables. Una salida de conexión en estrella permite al transformador suministrar un voltaje trifásico (fase a fase), así como un voltaje para cargas monofásicas, es decir, el voltaje entre cualquier fase y el neutro. El punto neutro también puede estar conectado a tierra para proporcionar seguridad adicional cuando sea necesario: VL-L = √3 x VL-N.
Figura 3: Esquema de conexión en "Y".
Las cuatro configuraciones principales de enrollamiento
Un transformador trifásico puede conectarse en cuatro configuraciones comunes: Delta-Delta, Estrella-Estrella, Delta-Estrella y Estrella-Delta. Cada configuración, que se distingue por las conexiones de sus devanados primario y secundario, conlleva ventajas y desventajas específicas que influyen en el rendimiento y en la adecuación para determinadas aplicaciones de estos transformadores.
1. Delta / Delta (D/D)
Ventajas de D/d
En un transformador delta-delta (identificado como D/d), tanto los devanados primarios como secundarios están conectados en la configuración delta. Esta configuración ofrece varias ventajas. Si una de las tres bobinas presenta una falla o queda inhabilitada, las dos bobinas restantes pueden seguir suministrando energía trifásica con una capacidad equivalente a aproximadamente dos tercios de la potencia original del transformador. En casos donde el secundario del transformador está conectado a una carga grande y desequilibrada, el primario en configuración delta destaca al ofrecer un mejor equilibrio de corriente para la fuente de alimentación. Un beneficio clave es la ausencia de desplazamiento de fase entre los devanados primario y secundario, lo que asegura una transferencia de energía armoniosa. Esta configuración suele ser preferida en aplicaciones que implican transmisión de energía a baja tensión y alta corriente o cuando es imprescindible mantener la continuidad del servicio, especialmente en caso de una falla de fase.
Desventajas D/d
En esta configuración, ciertas características afectan el diseño y la funcionalidad de los transformadores trifásicos. El elevado número de vueltas en los devanados primario y secundario conduce a bobinas más grandes y costosas. Este diseño requiere aislamiento adicional entre devanados y entre capas. El uso de hilo magneto de calibre más delgado incrementa el costo por libra, y, notablemente, esta configuración carece de una conexión neutra.
2. Delta / Estrella (D/Y)
Ventajas de D/y
La configuración principal delta y secundaria estrella (Δ/y) destaca por su capacidad para proporcionar una carga equilibrada de tres hilos a la utilidad generadora de energía, adaptándose sin problemas a diversas aplicaciones. Esta configuración es frecuentemente elegida para suministrar energía a sectores comerciales, industriales y residenciales de alta densidad. Este diseño es capaz de suministrar cargas trifásicas y monofásicas, y puede generar un neutro común de salida cuando la fuente carece de uno. Suprime eficazmente el ruido (armónicos) de la línea hacia el lado secundario.
Desventajas de D/y
Si una de cada tres bobinas se daña o queda deshabilitada, puede comprometer la funcionalidad de todo el conjunto, y el desfase de 30 grados entre los devanados primario y secundario puede ocasionar un mayor rizado en los circuitos de corriente continua (D.C.).
3. Wye / Delta (Y/D)
Ventajas de Y/d
La configuración Y/d aprovecha la entrada de alto voltaje, reduciendo el voltaje a través de las bobinas individuales en un factor de √3, lo que resulta en menos vueltas de bobinado y un aislamiento reducido. Este diseño puede ser usado como un transformador reductor, principalmente al final de la línea de transmisión. También incluye un cable de puesta a tierra (neutro) en el lado de la fuente de energía.
Desventajas de Y/d
Y/d comparte las mismas posibles desventajas que la configuración D/y: la funcionalidad de todo el grupo puede quedar deshabilitada en caso de que falle una sola bobina y la introducción de un desplazamiento de fase de 30 grados entre los devanados primario y secundario puede resultar en un aumento de ondulación en los circuitos de corriente continua (CC).
4. Wye / Wye (Y/Y)
Ventajas de Y/y
Entre las cuatro configuraciones comunes de transformadores trifásicos, la configuración Y/y es la opción más rentable, ofreciendo una transmisión de energía sin problemas y sin desplazamiento de fase entre los devanados primario y secundario. Los cables de puesta a tierra (neutro) están disponibles tanto en el lado primario como en el secundario, proporcionando versatilidad para suministrar energía tanto a cargas trifásicas como monofásicas.
Desventajas de Y/y
Para garantizar un rendimiento óptimo, las cargas monofásicas deben estar equilibradas lo más cerca posible dentro de esta configuración. Es importante tener en cuenta que la configuración Y/y puede ser más susceptible a la transmisión de ruido entre la fuente de alimentación y la carga.
Transformadores de tipo seco y llenos de líquido
Dependiendo de los niveles de potencia y voltaje, los transformadores de tres fases se pueden dividir en dos grandes categorías: transformadores de tipo seco que utilizan aire como medio de enfriamiento, o transformadores de tipo lleno de líquido que utilizan aceite como medio de enfriamiento.
Transformadores de tipo seco: Marcos abiertos o bobinas encapsuladas en resina
De los transformadores de tipo seco, hay dos categorías principales:
- Marco Abierto, con núcleo impregnado de resina y bobinas expuestas, diseñado para instalaciones en gabinetes con clasificaciones eléctricas de Voltaje – hasta 1000V y Potencia – hasta 500 kVA.
- Bobinas de Fundición con Pasas, donde cada bobina está sólidamente fundida, a menudo en un molde de epoxi, con clasificaciones eléctricas de Voltaje – hasta 36,0 kV y Potencia – hasta 40 MVA.
Transformadores llenos de líquido
Los transformadores llenos de líquido, en contraste, están completamente inmersos en un aceite mineral especial dentro de contenedores de metal sellados al vacío, con clasificaciones eléctricas de Voltaje – 6.0 kV a 1,500 kV y Potencia – hasta más de 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 en configuración delta y la salida en configuración estrella (wye) para conectar un transformador trifásico en aplicaciones de distribución de energía. Los voltajes de entrada más comunes para configuraciones delta incluyen 600V, 480V, 415V, 400V, 230V y 208V. Mientras que los voltajes de salida más comunes para configuraciones estrella (wye) son los siguientes: En Canadá: 600V (L-L) y 347V (L-N). Para grandes cargas industriales en EE.UU., se entrega 480V (L-L) y 277V (L-N). En el caso de pequeñas cargas industriales, comerciales y residenciales en EE.UU., los voltajes de salida son 208V (L-L) y 120V (L-N). Signal Transformer Co. se destaca como un fabricante prominente en este ámbito, especializado en la producción de transformadores trifásicos de tipo seco y marco abierto. Con más de 50 años de experiencia fabricando transformadores, reactancias, inductores y productos personalizados o estándares modificados, Signal Transformer sobresale en el diseño y fabricación de plataformas especializadas y rentables.
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