Una guía para los circuitos de transformadores trifásicos

Los transformadores trifásicos son herramientas básicas en ingeniería eléctrica que ayudan a generar, distribuir y enviar potencia.En este artículo, exploraremos cómo funcionan los transformadores trifásicos, lo que hacen y por qué son tan importantes para los sistemas de electricidad modernos.Comenzaremos con los conceptos básicos de cómo manejan las corrientes cambiantes y avanzaremos para ver cómo administran el voltaje y la corriente.Vamos a sumergirnos en las partes importantes que hacen que estos transformadores sean útiles para mantener la potencia estable y eficiente en grandes industrias y redes de energía.

Catalogar

Descripción general del transformador trifásico

Los transformadores trifásicos son básicos para la ingeniería eléctrica, desempeñando un papel clave en la generación de energía, la distribución y la transmisión.A diferencia de los transformadores monofásicos, que manejan solo una fase de corriente alterna (AC), los transformadores trifásicos manejan tres fases de CA separadas simultáneamente.Este diseño permite una transferencia de energía más eficiente y una mayor estabilidad en grandes redes eléctricas.

En el núcleo de un transformador trifásico hay tres conjuntos de devanados primarios y secundarios, cada uno dedicado a una fase diferente de potencia de CA.Estos devanados están envueltos alrededor de un núcleo de hierro compartido, una configuración que fortalece el acoplamiento magnético al tiempo que reduce las pérdidas de energía.Esta estructura asegura que la energía eléctrica se transmitiera con residuos mínimos, lo que hace que los transformadores trifásicos se necesiten para sistemas de alta demanda, como plantas industriales y redes de servicios públicos.

Una ventaja clave de este diseño es su capacidad para mantener un flujo de potencia continuo y equilibrado.Dado que las tres corrientes alternativas se cambian de fase en 120 grados, el sistema experimenta menos fluctuaciones y opera con una mejor eficiencia.Esta distribución constante de la potencia se utiliza para mantener la estabilidad en las operaciones eléctricas a gran escala, donde los aumento o desequilibrios repentinos podrían conducir a fallas del equipo o interrupciones del servicio.

Optimización de conexiones en devanados de transformadores trifásicos

La configuración de los devanados de un transformador trifásico afecta directamente su rendimiento, eficiencia y adaptabilidad a diferentes aplicaciones.Las dos disposiciones de cableado principales, Star (Y) y Delta (δ) determinan cómo se transforma el voltaje y cómo el sistema maneja el flujo de corriente.Se requiere elegir la configuración correcta para optimizar la transmisión de energía y garantizar la estabilidad en varios sistemas eléctricos.

Conexión de estrella de estrella (y-y)

Figura 2. Conexión de estrellas de estrellas (Y-Y)

En una configuración Y-Y, los devanados primarios y secundarios están conectados en una formación de estrellas.Esta configuración proporciona un punto neutral, que sirve como una ruta de retorno para la corriente y mejora la estabilidad del sistema.Es principalmente útil en las redes que requieren conexión a tierra y la capacidad de manejar cargas desequilibradas.Al mantener un voltaje estable a través de las fases, las conexiones Y-Y mejoran la seguridad del sistema y se usan comúnmente en la transmisión de alto voltaje.

Conexión de estrella-delta (Y-Δ)

Figura 3. Conexión Star-Delta (Y-δ)

Con los devanados primarios en Star y los devanados secundarios en Delta, esta configuración está diseñada para reducir el voltaje de manera eficiente.Convierte un alto voltaje primario en un voltaje secundario inferior, lo que lo hace bien adecuado para aplicaciones donde la energía debe distribuirse a un nivel más bajo y más seguro.Las conexiones Y-δ se usan con frecuencia en sistemas de energía industrial y rejillas eléctricas para transiciones del voltaje de nivel de transmisión al voltaje del usuario final.

Conexión delta-estrella (Δ-y)

Figura 4. Conexión delta-estrella (Δ-Y)

En una configuración de δ-Y, los devanados primarios están en delta, mientras que los devanados secundarios están en STAR.Esta configuración es ideal para aumentar el voltaje, lo que permite que un sistema tome un voltaje de entrada más bajo y lo aumente para la transmisión de larga distancia.Las redes de distribución de energía a menudo usan transformadores δ-Y para aumentar de manera eficiente los niveles de voltaje, reduciendo las pérdidas de energía en las líneas de transmisión extendidas.

Conexión delta-delta (δ-Δ)

Figura 5. Conexión delta-delta (δ-δ)

La configuración δ-δ conecta los devanados primarios y secundarios en una disposición delta, creando un sistema altamente confiable y duradero.Esta configuración es conocida por su capacidad para continuar operando incluso si una fase falla, por lo que es una opción preferida para aplicaciones que exigen una fuente de alimentación continua.Las industrias que dependen de la maquinaria pesada y la infraestructura peligrosa a menudo usan transformadores δ-δ para garantizar un rendimiento ininterrumpido y la resiliencia del sistema.

Variantes de construcción de transformadores trifásicos

El método de construcción de un transformador trifásico juega un papel importante en su eficiencia, durabilidad y facilidad de mantenimiento.Los dos diseños principales, tipo núcleo y tipo shell, difieren en cómo organizan los devanados alrededor del núcleo magnético, afectando directamente el rendimiento y la idoneidad para aplicaciones específicas.

Transformadores de tipo núcleo

Figura 6. Transformadores de tipo núcleo

En un transformador de tipo núcleo, los devanados se distribuyen a través de múltiples extremidades del núcleo magnético.Esta disposición mejora el acoplamiento magnético, la reducción de las pérdidas de energía y la mejora de la eficiencia.Debido a su capacidad para manejar cargas de alto voltaje y de corriente sustanciales, los transformadores de tipo núcleo se usan comúnmente en las redes de generación y distribución de energía.Su diseño abierto también facilita una mejor disipación de calor, lo cual es arriesgado en aplicaciones de alta potencia donde la gestión térmica es una preocupación.

Transformadores de tipo Shell

Figura 7. Transformadores de tipo Shell

Un transformador de tipo concha encierra sus devanados alrededor de un núcleo magnético central, creando una ruta magnética más compacta y controlada.Este diseño minimiza el flujo de fugas, mejorando la eficiencia general y haciendo que el transformador sea más confiable en entornos exigentes.Los transformadores de tipo shell son adecuados para aplicaciones de precisión, como sistemas de instrumentación y alimentos serios, donde el rendimiento estable y la pérdida de energía mínima son imprescindibles.Además, su estructura proporciona un mejor soporte mecánico, reduciendo la vibración y el ruido, lo cual es beneficioso en instalaciones sensibles.

Componentes clave en un transformador trifásico

La fiabilidad y la eficiencia de un transformador trifásico dependen del diseño y la función de sus componentes clave.Cada elemento juega un papel en el mantenimiento de operaciones seguras, optimizando el rendimiento y la prevención de fallas.

Aislamiento

El aislamiento previene los cortos eléctricos y protege los componentes internos del transformador del estrés de alto voltaje.Los materiales de aislamiento comunes incluyen aceite, papel y placa de prensa, seleccionados por su resistencia dieléctrica y resistencia al calor.En los transformadores llenos de aceite, el aceite aislante tiene un doble propósito, que proporciona el aislamiento eléctrico y la disipación del calor.Sin un aislamiento efectivo, las fallas eléctricas podrían dañar el núcleo y los devanados, lo que lleva a la falla del sistema.

Tanque

El tanque sirve como el recinto protector primario, protegiendo el núcleo y los devanados del daño físico y la exposición ambiental.En los transformadores llenos de aceite, también actúa como un depósito para el aceite aislante, lo que mejora el enfriamiento y el aislamiento.La integridad estructural del tanque se utiliza para garantizar la longevidad del transformador, especialmente en entornos al aire libre o de alto riesgo.

Sistema de enfriamiento

Los transformadores generan calor durante la operación, y se necesita enfriamiento efectivo para evitar el sobrecalentamiento, lo que puede degradar el aislamiento y reducir la eficiencia.Los métodos de enfriamiento varían según el tamaño del transformador, la ubicación y la carga térmica.Los sistemas comunes incluyen diseños refrigerados por aire, que dependen del flujo de aire natural o forzado, y los sistemas refrigerados por aceite o agua, que utilizan la circulación de fluidos para disipar el calor.Elegir el método de enfriamiento correcto garantiza un funcionamiento estable y prolonga la vida útil del transformador.

Cambiadores de tap

Los cambiadores de grifos regulan el voltaje de salida, permitiendo ajustes para acomodar fluctuaciones en la demanda de energía.Hay dos tipos principales:

• Cambiadores de tap (OLTC) en carga (OLTC) Ajuste el voltaje mientras el transformador está energizado, asegurando la entrega de energía continua.

• Cambiadores de tapas de carga requiere que el transformador se desenergizara antes de que se puedan hacer los ajustes.

Analizar el comportamiento de voltaje y corriente en transformadores trifásicos

La forma en que el voltaje y la corriente se comportan en un transformador trifásico dependen de su configuración de devolución.Los dos tipos de conexión primarios, Star (Y) y Delta (δ) determinan cómo se distribuye la potencia y cómo el transformador maneja la carga.Comprender estas relaciones se utiliza para seleccionar el transformador correcto para una aplicación determinada.

Conexión de estrella (y)

En una conexión Y, el voltaje de fase (V_PAG) es más bajo que el voltaje de línea (V_L) por un factor de √3.Esta característica lo hace bien adecuado para la transmisión de potencia de larga distancia, donde la reducción de la caída de voltaje es importante para mantener la estabilidad.La corriente de fase (IP) es igual a la corriente de línea (i_L), simplificar el diseño del sistema y facilitar la gestión de componentes eléctricos.Debido a su capacidad para operar eficientemente a niveles de voltaje más bajos, la conexión Y se usa ampliamente en las redes de distribución de energía.

Conexión delta (δ)

En una conexión δ, el voltaje de fase (V_PAG) y voltaje de línea (V_L) son iguales.Sin embargo, la línea de línea (yo_L) es √3 veces la corriente de fase (i_PAG), que permite que el sistema maneje cargas de corriente más altas sin aumentar el voltaje.Esto hace que la configuración delta sea ideal para entornos industriales, donde los motores grandes y la maquinaria pesada requieren un flujo de corriente sustancial.Como no se necesita una conexión neutral, los transformadores delta a menudo se usan en aplicaciones donde el balance de voltaje es grave.

Relaciones de voltaje y corriente

Tipo de conexión	Voltaje de fase (VPAG)	Voltaje de línea (VL)	Corriente de fase (yoPAG)	Corriente de línea (yoL)
Estrella (y)	VPAG = VL/√3	VL= √3 × VPAG​	IPAG = IL	IL = IPAG
Delta (δ)	VPAG = VL	VL= VPAG	IPAG= IL/√3	IL= √3 x iPAG

Impacto en el tamaño y la eficiencia del transformador

Más allá de las características de voltaje y corriente, la relación de giros (TR) determina cómo el voltaje primario se convierte en el voltaje secundario, lo que afecta la capacidad del transformador para administrar la potencia requerida de manera eficiente.Seleccionar la relación de giros correctos garantiza una regulación de voltaje adecuada, reduce las pérdidas de energía y optimiza la operación del transformador para una carga dada.Al comprender estas dinámicas de voltaje y corriente, puede tomar decisiones informadas sobre la selección e integración del transformador, asegurando el rendimiento estable, la eficiencia energética y la confiabilidad del sistema en diferentes aplicaciones.

Conclusión

Los transformadores trifásicos son piezas en ingeniería eléctrica porque son buenos en lo que hacen, son más pequeños y mantienen la potencia estable.Como hemos visto, vienen en muchos estilos y diseños que se adaptan a diferentes necesidades, asegurándose de que la potencia se mueva suavemente en varios sistemas.Sin embargo, estos transformadores pueden ser complejos y, a veces, difíciles de mantener y mantenerse confiables.Al conocer los puntos buenos y las partes difíciles de estos sistemas, puede usar transformadores trifásicos mejor para cumplir con los requisitos de potencia cambiantes de hoy.Esta mezcla de conocimiento profundo y conocimientos prácticos muestra cuán importante es comprender bien los transformadores trifásicos.

Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]

1. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un transformador?

Un transformador opera en el principio de inducción electromagnética para convertir el voltaje de corriente alterna (CA) de un nivel a otro sin alterar la frecuencia.Consiste en dos bobinas, las primarias y secundarias, envueltas alrededor de un núcleo magnético.Cuando se aplica el voltaje de CA a la bobina primaria, crea un flujo magnético variable en el núcleo, lo que induce un voltaje en la bobina secundaria.La relación de transformación de voltaje entre el primario y el secundario depende del número de giros en cada bobina: un mayor número de giros en la bobina secundaria en comparación con la primaria aumentará el voltaje, y menos giros lo disminuirán.

2. ¿Cuáles son los tamaños estándar para transformadores 3 fases?

El tamaño de un transformador trifásico generalmente está definido por su capacidad de potencia, que puede variar ampliamente dependiendo de su aplicación.Los tamaños estándar comunes para uso industrial y comercial incluyen 15 kVA, 30 kVA, 45 kVA, 75 kVA, 150 kVA, 300 kVA, 500 kVA, 750 kVA y 1000 kVA.Cada tamaño está diseñado para manejar los requisitos de carga específicos y se selecciona en función del consumo eléctrico total esperado del sistema al que le dará servicio.

3. ¿Qué son NP y NS en Transformers?

En el contexto de los transformadores, NP y NS representan el número de giros en las bobinas primarias y secundarias, respectivamente.La relación de NP a NS determina la relación de transformación de voltaje.Por ejemplo, si NP (giros primarios) es 100 y NS (giros secundarios) es 50, el transformador reduce el voltaje a la mitad.Esta relación afecta directamente cómo el voltaje se intensifica o disminuye entre los lados primarios y secundarios del transformador.

4. ¿Cuánta carga puede manejar un transformador de 500 kVA?

Un transformador de 500 kVA puede manejar una carga de hasta 500 kilovoltios.En términos prácticos, suponiendo un factor de potencia (que es una medida de cuán efectivamente se está utilizando la potencia) de alrededor de 0.8, este transformador generalmente puede manejar hasta 400 kilovatios (kW) de potencia.La capacidad de potencia real puede variar ligeramente en función del factor de potencia del equipo que se utiliza, lo que afecta la cantidad de energía eléctrica se convierte en un trabajo útil.

5. ¿Cuántos voltios son la fase 3?

El voltaje para un sistema trifásico puede variar significativamente según el país y la aplicación específica (comercial, industrial o residencial).Los voltajes comunes para sistemas 3 fases incluyen 120/208 voltios, 277/480 voltios y 400/690 voltios.Estos sistemas son más eficientes para distribuir cargas grandes en comparación con los sistemas monofásicos y se utilizan principalmente en entornos industriales donde se requiere alta potencia.