Laboratorio N 7 135w12

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Laboratorio N ° 7 Ensayo De Conexiones Trifásicas De Transformadores De Potencia 1.- Objetivos a) Realizar conexiones trifásicas desde un banco de tres transformadores monofásico o desde una unidad trifásica. b) Determinar las relaciones de valores máximo, eficaz, periodo, desfase de tensiones entre fase a fase y fase a neutro y las relaciones de valores máximo, eficaz, periodo, desfase de corrientes de línea y de fase en las conexiones trifásicas. c) Verificar experimentalmente el desfase entre las tensiones primaria y secundaria y los grupos de conexión más utilizados en sistemas eléctricos de potencia. d) Desarrollar habilidades para elaborar diagramas fasoriales a partir de datos de placa.

2.- Introducción 2.1.- Transformadores Trifásicos Los transformadores trifásicos son muy importantes ya que están presentes en muchas partes del sistema eléctrico. Este tipo de transformadores se ocupa de la elevación y reducción de la tensión en diversas partes del sistema eléctrico: En generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en las líneas de transmisión y, por último, en distribución en donde se distribuye la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercios e industrias. Todos los transformadores desde el generador hasta la entrada a nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos. Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados eléctricos, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna. Las diferentes formas de conexión de los bobinados trifásicos de un transformador, recibe el nombre de grupo de conexionado. Además de identificar las conexiones de los bobinados primario y secundario (estrella, triángulo o zig-zag), el grupo de conexionado indica el desfasaje entre las tensiones de línea primaria y secundaria, de los sistemas trifásicos vinculados por el transformador. Las diferentes conexiones se designan con letras, de acuerdo a la siguiente nomenclatura: Estrella: Y (en el lado de AT), y (en el lado de BT). Triángulo: D (en el lado de AT), d (en el lado de BT). Zig-Zag: Z(en el lado de AT), z (en el lado de BT).

2.2.- Grupos de Conexión A fin de satisfacer las necesidades de cada caso, en cada lado de los transformadores trifásicos se puede emplear la conexión más conveniente. Las conexiones de los

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transformadores deben estar indicadas en las chapas de características, como se verá a continuación al cambiar las conexiones lo que cambia es el desfase entre las tensiones de salida respecto de las de entrada. Para el caso de las conexiones trifásicas vistas ese desfase es múltiplo de 30° lo que da 12 ángulo distintos. El ángulo de desfase se mide en el sentido de las agujas del reloj y entre dos tensiones de línea o de fase homónimas (con los mismos nombres) y desde la de mayor tensión hacia la de menor tensión.

Figura 1. Ángulo de desfase.

Por la semejanza del diagrama anterior con las agujas de un reloj, se acostumbra a expresar el ángulo de desfase por medio de un número denominado “cifra de hora”, que resulta de dividir el desfase por 30. Los grupos de conexionado más comúnmente utilizados en la distribución de energía eléctrica son Dy5 (primario en triángulo, secundario en estrella, desfasaje 150 grados) y Dy11 (triángulo, estrella, 330 grados), Yy0 (estrella, estrella, 0 grados), Yd11 (estrella, triángulo, 330 grados), entre otros.

2.3.- Determinación de las Conexiones Para determinar las conexiones correspondientes a una dada cifra de hora hay dos caminos: el fácil es fijarse en una tabla y el otro, más largo, pero mucho más genérico y que sirve para cualquier caso, es hacerlo razonadamente y paso a paso. El problema se puede encarar de distintas formas, aunque en todos los casos se parte de los mismos principios; como son muchas las posibilidades convienen acotarlas y proceder en forma más bien automática. A continuación, se da un procedimiento que seguramente podrán seguir sin dificultades. 1) Se dibujan los arrollamientos de cada fase del primario y del secundario Se colocan alineados los arrollamientos que están en la misma columna del transformador, por lo tanto, al estar atravesador por el mismo flujo, las tensiones inducidas en los mismos, estarán en fase o a 180°, dependiendo de cómo se los considere. Para uniformizar los dibujos se coloca arriba el lado de mayor tensión y se supone que los bornes homólogos están todos en los extremos superiores de los arrollamientos.

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Figura 2. Ubicación de los arrollamientos

2) Se hacen las conexiones en el lado de mayor tensión A continuación, se toma como ejemplo un transformador triangulo estrella con cifra de hora 11 es decir Dy11, entonces:

Figura 3. Conexión del lado de AT de un transformador Dy11

3) Se dibujan los triángulos de tensiones de línea. El triángulo de AT se toma como referencia y el de BT se gira, en sentido horario, el ángulo que corresponda de acuerdo a la cifra de hora, en este caso 330°.

Figura 4. Triángulo de tensiones de línea para cifra de hora 11.

Para uniformizar los dibujos al triángulo de alta tensión se lo tomará siempre en esa posición.

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Para ubicar el triángulo de BT conviene girarlo sobre uno de sus vértices. Por ejemplo, en este caso hay que hacer un giro de 330° positivos, es decir en sentido horario; o lo que es lo mismo un giro de 30° negativos es decir en sentido antihorario. Si al triángulo de alta tensión se lo supone girado alrededor del vértice U, 30° en sentido antihorario, el lado UV quedará vertical, lo que permite dibujar fácilmente el triángulo de baja tensión. Es muy útil observar que por más que se gire un triángulo, y sin sacarlo del plano del dibujo, los vértices del mismo no cambiarán la secuencia: U – V – W (o: u – v – w) en sentido horario. 4) Se trazan las tensiones de fase Cuando la conexión es en triángulo, los lados del mismo ya son las tensiones de fase, pero en los otros casos habrá que indicarlas, en este caso resulta.

Figura 5. Trazado de las tensiones de fase

Si las cosas están bien hechas, las tensiones de fase de alta y baja habrán quedado paralelas, lo que significa que son producidas por el mismo flujo o sea que corresponden a arrollamientos sobre la misma columna del núcleo del transformador. En el caso contrario habrá algún error de dibujo o las conexiones elegidas no pueden dar esa cifra de hora. Por ejemplo, si se quisieran hacer las conexiones correspondientes a un transformador Dy0, las tensiones de fase no quedarían paralelas. A la conexión Dy le corresponde una cifra de hora impar. 5) Se establecen las correspondencias entre las tensiones de fase Para establecer esta correspondencia hay que tener en cuenta que las tensiones de fase sean paralelas y tengan el mismo sentido, por ejemplo, la tensión entre UV se corresponde con la tensión entre uo y no al revés (ou).

6) Se hacen las conexiones en el lado de baja tensión Teniendo en cuenta la correspondencia de tensiones de fase, se ubica cada una de las tensiones de fase en el lado de AT y en la misma columna y con el mismo sentido se encuentra la correspondiente tensión de fase en el lado de BT. Por ejemplo, la tensión UV está en la primera fase del lado de alta tensión y de arriba hacia abajo, entonces la correspondiente uo estará en la primera fase del lado de baja tensión y de arriba hacia abajo.

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Figura 6. Ubicación de las tensiones para Dy11

7) Se hacen las conexiones en el lado de BT Uniendo los extremos que poseen la misma denominación, quedan definidas las conexiones del lado de baja tensión. Resumiendo todo queda así:

Figura 7. Conexiones de un transformador Dy11

Cuando las conexiones están bien hechas, los bornes con la misma letra del lado de alta y de baja tensión, quedan alineados; por lo menos así ocurre en los casos normalizados (y en algunos otros también), pero esta es solamente una condición necesaria, no suficiente.

2.4.- La Conexión Zig-Zag Quedaban pendientes algunas aclaraciones con respecto a la conexión zig-zag, que se explicarán por medio de un ejemplo. Sea un transformador Yz5. Luego de hacer los pasos 1,2 y 3 se tiene:

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Figura 8. Pasos 1,2 y 3 para un transformador Yz5

4) Se trazan las tensiones de fase El paso siguiente es trazar las tensiones de fase, en la estrella no hay problemas, pero en el zig-zag hay dos posibilidades.

Figura 9. Tensiones de fase para Yz5

Ambas formas del zig-zag dan la misma cifra de hora, pero solamente una hará que los bornes U y u; V y v; W y w resulten alineados en el transformador. Para resolver esta indeterminación basta observar cómo se corresponden las tensiones, por ejemplo, en el caso “a” la tensión au se corresponde con la OV que está en la segunda fase del lado de alta tensión o sea que el borne “u” también quedará en la segunda fase del lado de baja tensión, lo que no es deseable. En el otro caso la tensión au se corresponde con la U0 y esta tensión si está en la primera fase. Tomando el caso “b” las tensiones de fase que se corresponden son:

Al trasladar estas correspondencias a las conexiones del lado de BT, se busca que el centro “o” del zig-zag quede “adentro” para que los bornes de conexión queden externos. Por ejemplo, en este caso las posibilidades son:

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Figura 10. Conexiones del zig-zag para Yz5

Se elige la opción “a”. Quizás todo esto parezca un tanto complicado, pero luego de haberlo practicado unas horas veces, resulta bastante sencillo y seguramente el lector encontrará algún procedimiento que le resulte más de su agrado y le simplifique el camino.

2.5.- Determinación de la Cifra de Hora a) Determinación de la Cifra de Hora a partir de las conexiones Para resolver el caso inverso, es decir dadas las conexiones hallar la cifra de hora, se hace la tabla de las tensiones de fase que se corresponden entre sí y luego los diagramas fasoriales, primero el estándar de alta tensión y luego, a partir de éste, el de baja tensión. A partir de los diagramas fasoriales, de donde obtiene y la cifra de hora. Un ejemplo bastará para aclararlo, sea el siguiente banco de tres transformadores monofásicos en conexión Yd.

Figura 11. Banco de tres transformadores monofásicos en conexión Yd.

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Primero se dibuja el circuito que muestra las conexiones indicadas en la figura 11 y a partir del mismo se establecen las tensiones correspondientes.

Figura 12. Circuito y tensiones correspondientes del banco de la figura 27. Luego se dibuja el triángulo de tensiones de línea de AT y, como está conectado en estrella se indican las tensiones de fase.

Figura 13. Diagramas fasoriales

3.- Materiales, Instrumentos de medición y equipos Ítem Cantidad Descripción 1 1 Regulador de tensión trifásica (variac) 380 V, 20 A, 10 kW 2 3 Transformador de potencia monofásico: 220 /110 V, 500 VA 3 1 Vatímetro trifásico o módulo de medición trifásica de potencia, intensidad y tensión de c.a. (0-1000) W 4 2 Amperímetro de c.a. 25 A, 1 A 5 2 Voltímetro de c.a. de 150 V, 300 V, 750 V 6 1 Microohmímemtro MPK5 (o puente Wheastone) 7 Según la Reóstato o resistencia variable de 11 Ω-8 A; 42 Ω-5 A; 110 Ω-2.5 carga A; Según cálculo de carga 8 1 Multitester para verificación de circuitos 9 3 Kit de cables flexibles blindados unipolares, tripolares y tetrapolares de 2.5 mm2 (ó 14 AWG) de 600 V 10 1 Osciloscopio digital de dos canales con su respectivo transformador de aislamiento y 2 sondas de tensión 11 1 Unidad de transformador trifásico 5100 VA, 220/68.5 V, 60 Hz 12 4 Unidad de transformador trifásico 500 VA, 220/220 V, 60 Hz

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4.- Procedimiento a) Usando el esquema de la figura 14, determinar experimentalmente y marcar la polaridad de cada uno de los devanados del transformador trifásico de potencia tipo columna con las letras A-X, B-Y, C-Z/a-x, b-y, c-z. Discutir con sus compañeros y explicar el fenómeno que se observa cuando se cierra el interruptor S.

Figura 14. Esquemas de montaje para verificar la polaridad de los devanados del transformador trifásico tipo columna Tabla 1. Datos medidos en la prueba de polaridad del transformador

Voltímetro 1 (V1) Voltímetro 2 (V2) Voltímetro 3 (V3)

220 V 210 V 435 V

Con los datos medidos en los voltímetros, concluimos que la polaridad que hemos considerado es la correcta. b) Armar el esquema eléctrico de la figura 16, y verificar el desfase entre las tensiones del primario y secundario; su relación de transformación experimentalmente con ayuda del osciloscopio.

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Figura 16. Esquema de montaje eléctrico para la verificación experimental del grupo de conexión para transformadores trifásicos de potencia. Tabla 2. Cuadro de potencia y tensiones de línea y de fase nominales del transformador trifásico

#

Conexión

Sn [VA]

V1n [V]

V2n [V]

V1fn [V]

V2fn [V]

𝒂𝟑∅ =

1 2

𝑽𝟏𝒏 𝑽𝟐𝒏

𝒂=

𝑵𝟏 𝑵𝟐

1

c) Con ayuda del osciloscopio de 2 canales y conectado de acuerdo a la figura 16, verificar experimentalmente el ángulo de desfase entre tensiones del primario y secundario en grados eléctricos. Complete la tabla con datos experimentales obtenidos del osciloscopio. Tabla 3. Datos experimentales de tensiones de línea, frecuencia, periodo y ángulo de desfase.

#

Conexión

V1máx [V]

V1rms [V]

V2max [V]

V2rms [V]

T [ms]

f [Hz]

αv [ms]

αv [°]

1 2

5.- Cuestionario Para La Discusión De Resultados 5.1.- Dibujar y trazar los diagramas vectoriales de tensiones y corrientes para las conexiones realizadas experimentalmente indicando las configuraciones y grupo de conexión al que pertenecen de acuerdo al índice horario. Las conexiones se muestran en el anexo del pre-laboratorio de este trabajo, ahora sólo se muestran los diagramas vectoriales indicando el grupo de conexión. a) Conexión Y/yn-0

b) Conexión D/yn-5

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c) Conexión Y/d-1

d) Conexión Y/z-11

e) Conexión hexafásica

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5.2.- Determine las relaciones de transformación monofásica y trifásica de cada configuración. a) Conexión Y/yn-0 𝑎1∅ =

𝑁1 220 = = 1.73 𝑁2 127

𝑎3∅ =

𝑉1𝑛 380 = = 1.73 𝑉2𝑛 220

𝑎1∅ =

𝑁1 220 = = 1.73 𝑁2 127

b) Conexión D/yn-5

𝑎3∅ =

𝑉1𝑛 220 = =1 𝑉2𝑛 220

c) Conexión Y/d-1 𝑎1∅ =

𝑁1 220 = = 1.73 𝑁2 127

𝑎3∅ =

𝑉1𝑛 380 = = 2.99 𝑉2𝑛 127

𝑎1∅ =

𝑁1 220 = = 0.866 𝑁2 254

d) Conexión Y/z-11

𝑎3∅ =

𝑉1𝑛 380 = =1 𝑉2𝑛 380

* Se cumple con las relaciones de transformación indicadas a continuación:

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5.3.- ¿Cuáles son las configuraciones más utilizadas y por qué? Las más utilizadas son las Yy y las Dd. La conexión de estrella a estrella es utilizada ya que al tener el punto neutro accesible podemos proporcionar dos tensiones diferentes la tensión de línea y la tensión de fase.

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VAB

√3 Las tensiones de línea del primario y secundario la podemos desfasar en 180 grados, con solo invertir la polaridad de uno de los lados, obteniendo del grupo de conexión Yy-0 al Yy-6 La conexión delta a delta se utilizan para circuitos trifásicos donde las corrientes en la línea son elevadas y las corrientes en los devanados sean reducidas por raíz de tres. IA = √3 ∗ IAN Las tensiones de línea del primario y secundario la podemos desfasar en 180 grados con solo invertir la polaridad de uno de los lados, obteniendo del grupo de conexión Dd-0 al Dd-6 En el caso de banco trifásico si la carga es balanceada y los tres transformadores monofásicos son de iguales características, la potencia que entrega se reparte en la misma proporción para cada transformador, la potencia instalada será 3 veces la potencia nominal de los transformadores. También se utilizan las conexiones Delta a estrella, esta se emplea en redes de transmisión donde la conexión Y se adopta para tensiones elevadas y la conexión D para corrientes elevadas en las líneas. Tiene el inconveniente de desfasar las tensiones de líneas del primario y de secundario en 30 y 150 grados al invertir las polaridades de uno de los lados del transformador. Obteniendo se conexiones Yd-11 o Yd-5

5.4.- Haga una lista de ventajas y desventajas del banco de transformadores monofásicos en conexión trifásica. Ventajas  Fácil de transportar.  Son más livianos.  Si ocurre alguna falla no será necesario cambiar todo el banco, es más se le puede utilizar como una conexión delta abierta, pero disminuyendo su potencia. Desventajas  Ocupan mayor espacio.  Son más caros.

5.5.- Porque en el transformador trifásico tipo columna las corrientes de vacío por fase no son iguales.

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La asimetría en la corriente de vacío por fase en los transformadores trifásicos tipo columna se debe a que el recorrido de flujo es menor en la segunda columna, por ende, la corriente de vacío en esta fase es menor que en las otras 2, esto no tiene un significado relevante al poseer una carga conectada en el secundario.

Figura 18. Transformador trifásico tipo columna

5.6.- Que ocurre si una de las dos fases de conexión trifásica se intercambia al alimentar un motor trifásico. Al momento de intercambiar dos fases de un sistema trifásico, la secuencia de fases cambia, esto ocasionaría que el motor cambie su sentido de giro, hay que tener cuidado al hacer esto ya que, así como existe una corriente elevada de arranque del motor, también existe una corriente de contramarcha del motor, esta corriente aparece al invertir el giro del motor, se deben tomar las precauciones del caso, ya que esta corriente es aún mayor que la de arranque, y además se deben tener los equipos de protección necesarios.

5.7.- Enumere algunas de las aplicaciones de transformadores en conexión zigzag de sistema de potencia hexafásico.  Se aplican en distribuciones donde se producen desequilibrios, ya que esta conexión no produce desequilibrios en el primario cuando aparecen cargas desequilibradas en el secundario.  Se aplica en redes de distribución que suministren dos tensiones, ya que permite distribuir el neutro al igual que la conexión estrella.

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6.- Investigación Complementaria 6.1.- Verifique a través de un programa de simulación (MATLAB/SIMULINK, PSPICE, PSIM) las conexiones trifásicas experimentadas y determine el grupo de conexión. Se hará la comprobación solamente en dos conexiones ensayadas. Se muestran a continuación.

Figura 19. Esquema de conexiones para el grupo D/y-5

Figura 20. Desfase de tensiones obtenido en la simulación (Rojo: Lado primario, Azul: Lado secundario)

Figura 21. Esquema de conexiones para el grupo Y/z-11

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Figura 22. Desfase de tensiones obtenido en la simulación (Rojo: Lado primario, Azul: Lado secundario)

6.2.- Investigue sobre los transformadores trifásicos de aislamiento para rectificadores de CA/CC de 6 y 12 pulsos y presente los resultados de simulación de la tensión rectificada con las pulsaciones respectivas.

7.- Conclusiones y Observaciones  Aprendimos un método sencillo para realizar el índice horario de cada grupo de conexión de transformadores trifásicos.  Se determino la polaridad de cada devanado en el transformador trifásico, dicho método es el mismo que utilizamos para los transformadores monofásicos.  Es importante conocer la polaridad del transformador, debido a que nos ayudan para la conexión como autotransformador y al conectar dos transformadores en paralelo.  Así mismo, el índice horario es importante al momento de conectar transformadores en paralelo, debido a que solo pueden conectar si pertenecen al mismo grupo de conexión.  Cuando se tiene una conexión delta se elimina la corriente con armónicos que pueda fluir por el neutro al estar conectado el mismo transformador en estrella.  El osciloscopio nos sirve de ayuda para observar el desfase entre tensiones primarias y secundarias.  Obtuvimos el desfase de la conexión hexafásica del transformador, utilizando el neutro como referencia y conectando una punta del osciloscopio en la fase “a” del secundario y la otra punta en cada una de las otras fases.

8.- Bibliografía    

Bhag S. Guru (2003). Máquinas Eléctricas y Transformadores. México. Fraile Mora, J. (2003). Máquinas Eléctricas. Madrid, España: McGRAW. Fitzgerald, A.E., Charles K., Umans, S. D. Máquinas Eléctricas. Norberto A. Lemozy. Transformadores Trifásicos.

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 Schneider Electric. Detección y Filtrado de armónicos  Johann Farith Petit Suárez (2007). Control de filtros activos de potencia para la mitigación de armónicos y mejora del factor de potencia en sistemas desequilibrados (Tesis doctoral). Universidad Carlos III de Madrid, Leganés, España.

9.- Anexo Configuración de los transformadores existentes en el laboratorio

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