Conexiones estrella-triangulo.

 Un transformador trifásico es una máquina estática que se usa para transformar grandes niveles de tensión y corriente en las instalaciones eléctricas. En un solo núcleo se devanan 6 arrollamientos, tres de baja tensión y tres de alta tensión. Se suele usar transformadores trifásicos porque estos solo manejan el 57.8% de la corriente total del sistema por cada fase y se ahorra un cierto porcentaje en el hierro que se usa para su construcción.

También existen las llamadas bancadas trifásicas que están construida a partir de tres transformadores monofásicos que manejan 1/3 de la potencia aparente total de la instalación industrial o domiciliaria.

En industrias pequeñas y de mediano consumo de energía eléctrica se aconseja mejor tener un transformador trifásico que maneje la totalidad en la carga del sistema, ya que este ocupa un espacio relativamente pequeño y como las potencia no son tan elevadas es fácil conseguir un transformador de este tipo en el mercado. Por otro lado, en subestaciones de transmisión y distribución de gran potencia es mejor tener tres transformadores monofásicos para formar una bancada trifásica y un cuarto de respaldo, para que, en caso de daño no sea difícil cambiarlo y se pueda tener en los patios de la subestación.

Para poder entender la conexión trifásica de transformadores hay que definir que son los principios de bobina y los finales de bobina. Un principio de bobina es por donde se empieza a devanar la bobina y está en la parte más profunda de los devanados. El final de bobina es donde se termina de devanar una bobina, es el terminal más superficial de los terminales.

Para saber cuál es el principio o final de la bobina hay necesidad de dibujar el devanado o verlo físicamente. Sin estas especificaciones se puede caer en errores para determinar la polaridad de los transformadores. Para esta sección del capítulo se supone que el principio de bobina está en la parte superior del devanado y el final está en la parte inferior como se muestra enseguida:

Figura 1 Principios y finales de las bobinas.

Desde el punto de vista de polaridad, la corriente puede entrar por el principio o final de la bobina y la diferencia es que el flujo sube o baja y la polaridad de la tensión inducida en la segunda bobina va a ser diferente. Como se muestra en la figura 2.

La polaridad de los transformadores trifásicos es más fácil explicarla desde el punto de visa de las corrientes y no de las tensiones como se está acostumbrado. La ley de Faraday implica que la polaridad de la tensión generada depende del flujo magnético y el flujo depende de la corriente del devanado primario o del devanado que la produce. La polaridad en el secundario es tal que la corriente en el secundario tiene a oponerse a aquella que la produce es decir a la corriente del primario.

La relación entre la corriente del primario y el flujo obedece la ley de la mano derecha “el pulgar indica el sentido de la corriente y los otros cuatro dedos indican el flujo producido”. La relación que hay entre el flujo magnético y la corriente del secundario obedece la ley de la mano izquierda “los cuatro dedos indican el sentido del flujo y el pulgar indica la dirección de la corriente indicada”

Conexiones en estrella.

Una conexión en estrella se forma cuando todos los principios de las bobinas se unen y forman un neutro o cuando todos los finales se unen para formar el terminal de retorno de la corriente. La diferencia entre las dos conexiones es que la corriente en el primario tiene un desfase de 0° o de 180°. En la figura 2 se puede observar cómo se puede hacer la conexión en estrella de tres devanados trifásicos.

Figura 2 Conexión en estrella de transformadores.

En lo único que cambia la conexión de los transformadores es en el sentido del flujo magnético. Si se analiza la bobina de la izquierda se puede observar que el flujo va hacia arriba,  mientras que en la conexión de las bobinas de la derecha el flujo va hacia abajo. Hay que recordar que la relación entre la corriente y el flujo magnético obedece la ley de la mano derecha.

Algunas de las ventajas de usar conexiones en Y son:

Tiene la posibilidad de tener un neutro o retorno de corriente.

Se pueden obtener dos niveles de tensión uno correspondiente a la tensión de línea y otro al de fase y la relación entre ambos es de 1.732.

Se usan menos espiras para construir un devanado de cierta tensión de línea.

Se deben construir  devanados que tengan un conductor con sección un poco más elevada, ya que deben soportar la corriente de línea.

El aumento en la sección de los conductores hace que la resistencia de estos devanado sea un poco menor y las corrientes de cortocircuito pueden ser más altas.

Si un devanado trifásico se daña o está defectuoso, la transformación trifásica se convierte en monofásica y las cargas conectadas al transformador puede que no funciones correctamente.

En el caso de que el secundario tenga cargas desequilibradas los voltajes de fase pueden desequilibrarse severamente.

Los voltajes de los terceros armónicos son grandes, debido a la no linealidad de los circuitos magnéticos.

 

Conexión en delta.

Una conexión en delta se puede realizar cuando se tiene un devanado trifásico, ya sea en un motor o un transformador y se conecte un principio de una bobina y un final de otra bobina y se pueden dar dos casos como se muestra e la figura 3.

Figura 3 Posibles formas de conectar un devanado trifásico en delta.

Si se analizan el funcionamiento del transformador de la izquierda desde el punto de vista de las corrientes se ve que por el terminal A entra la corriente de línea I_AC y la corriente de fase I_A es la que genera el flujo magnético dentro del núcleo del transformador. Si se analiza el devanado trifásico de la derecha se observa que la corriente que entra por el terminal A es I_AB y la componente de fase I_A es quien genera el flujo magnético. Cabe notar que hay un desfase de 30° entre las corrientes de fase I_AB, I_AC y de línea I_A como se muestra en la figura 4.

Figura 4 Diagrama fasorial de las tensiones para la conexión en delta.

Otra posible forma de conectar las bobinas en delta es que se alimente los devanados por los finales y no por los principios como se muestra en la figura 5. En esta se puede observar que el flujo magnético en las dos conexiones es hacia abajo, mientras que en la figura 3 los flujos van hacia arriba. Pero las corrientes y tensiones cambian de forma abrupta. Por ejemplo, el devanado de la primera columna izquierda de la figura 5 está expuesto a la tensión V_AC mientras que en el correspondiente de la derecha está expuesto la tensión V_AB, la corriente que entra por el terminal A en la columna de la izquierda es I_AB, sin embargo, la corriente que circula el devanado en I_A. Si se analiza la figura de la derecha, la bobina de la columna de la izquierda está expuesta a la tensión V_AB y la corriente que entra por el terminal A es I_AC y la corriente que produce el flujo magnético  en la columna de la izquierda es la corriente I_A.

Figura 5 Conexión en delta alimentada por los finales.

Las ventajas de usar transformadores conectados en delta son:

No tiene desplazamiento de fases.

No tiene problemas con cargas desequilibradas o con alto contenido de armónicos.

Los desequilibrios de potencia en los secundarios se distribuyen de igual manera en las fases del primario.

Las corrientes que deben soportar los devanados solo es del 57.7%.

Aunque las cargas de los circuitos secundarios estén desequilibradas, los voltajes de fases en la carga pueden estar equilibrados.

Solo se puede tener un nivel de tensión que corresponde al nivel de la tensión de línea.

Los devanados deben tener mayor cantidad de vueltas y su resistencia resulta ser mayor.

No se pueden conectar cargas que necesiten de 4 conductores para su funcionamiento.

Debido a que las bobinas conectadas en delta necesitan mayor tensión de funcionamiento, el aislamiento en este tipo de conexiones es más alto.

Cuando un devanado del transformado se daña, el sistema puede trabajar en delta abierta o conexión en V.