Principales tipos de conexiones de los transformadores trifásicos (ventajas y desventajas)

Un transformador trifásico consta de tres transformadores monofásicos, bien separados o combinados sobre un núcleo. Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico pueden conectarse independientemente en estrella( Y ) o en delta( D ). Esto da lugar a cuatro conexiones posibles para un transformador trifásico.

1.1.- Conexión estrella( Y )- estrella( Y )

1.2.- Conexión estrella( Y )- delta( D )

1.3.- Conexión delta( D )- estrella( Y )  

1.4.- Conexión delta( D )- delta( D )

Estrella-Estrella

En una conexión U -U, el voltaje primario de cada fase se expresa por V_FP=V_LP /Ö3. El voltaje de la primera fase se enlaza con el voltaje de la segunda fase por la relación de espiras del transformador. El voltaje de fase secundario se relaciona, entonces, con el voltaje de la línea en el secundario por V_LS =Ö3 * V_FS. Por tanto, la relación de voltaje en el transformador es

V_LP / V_LS = (Ö3 * V_FP) / (Ö3 * V_FS) = a

Ventajas 

■ Es posible sacar un neutro del lado de baja tensión en el de alta tensión, permitiendo obtener dos tensiones (230/400 V) o bien conectarlo con tierra como medida de seguridad en cierto tipo de instalaciones. 

■ Su buen funcionamiento para pequeñas potencias, ya que además de poder disponer de dos tensione, es más económico que aplicar una tensión a cada fase VL/ √3 y por consiguiente, disminuir el número de espiras, aunque ha de aumentar la sección de los conductores, por circular la corriente iL por cada fase. 

■ El aumento de sección de conductores favorece la resistencia mecánica a los esfuerzos de cortocircuito. 

■ Si una fase en cualquier bobinado funciona defectuosa, las dos fases restantes pueden funcionar resultando una transformación monofásica. La carga que podría suministrar sería del 58% de la potencia normal trifásica. 

Desventajas 

■ Si las cargas en el circuito del transformador no están desequilibradas (es lo que comúnmente ocurre), entonces los voltajes de las fases en el transformador pueden llegar a desequilibrarse severamente.

■ Los voltajes de terceros armónicos son grandes, debido a la no linealidad del circuito magnético del hierro.

■ Los neutros negativos son muy inestables, a menos que sean sólidamente conectados a una toma a tierra. 

■ Las unidades trifásicas de polaridad opuesta no pueden funcionar en paralelo, a no ser que la conexión de las fases del primario o del secundario de un transformador se invierta.

Delta-Delta

La relación entre los voltajes de línea primario y secundario es

V_LP / V_LS = V_FP / V_FS = a

Esta conexión se utiliza frecuentemente para alimentar sistemas de alumbrado monofásicos y carga de potencia trifásica simultáneamente, presenta la ventaja de poder conectar los devanados primario y secundario sin desfasamiento, y no tiene problemas de cargas desbalanceadas o armónicas. Sin embargo, circulan altas corrientes a menos que todos los transformadores sean conectados con el mismo tap de regulación y tengan la misma razón de tensión.

Ventajas

■ No tiene desplazamiento de fase.

■ No tiene problemas con cargas desequilibradas o armónicas.

■ Se puede quitar un transformador para mantenimiento o reparación y queda funcionando con dos transformadores pero como banco trifásico.

■ Los desequilibrios motivados por las cargas en el segundo se reparten igualmente entre las fases del primario, evitando los desequilibrios de flujos magnéticos.

Desventajas

■ Cuando las cargas están desequilibradas, los voltajes en las fases del transformador pueden desequilibrarse bastante.

■ No dispone de salida de neutro, tanto en el primario como en el secundario, con la consiguiente limitación en su utilización.

■ Cada bobinado debe soportar la tensión de red, con el consiguiente aumento del número de espiras.

■ No se puede suministrar energía con 4 conductores.

■ Cuando opera con altas tensiones de línea, los costos de diseño de las bobinas son mayores.

Estrella-delta

En esta conexión el voltaje primario de línea se relaciona con el voltaje primario de fase mediante V_LP =Ö3 * V_FP, y el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario V_LS = V_FS. La relación de voltaje de cada fase es

V_FP / V_FS = a

De tal manera que la relación total entre el voltaje de línea en el lado primario del grupo y el voltaje de línea en el lado secundario del grupo es

V_LP / V_LS = (Ö3 * V_FP) / V_FS

V_LP / V_LS = (Ö3 * a)

Ventajas 

■ Esta conexión no presenta problemas con los componentes en sus voltajes de terceros armónicos, puesto que se consume una corriente circulante en el lado de la delta. 

■ Es conveneitne para los transformadores reductores de tensión, debido a las características inherentes de los enrollamientos en estrella para altas tensiones y de los enrollamientos en triángulo para las bajas tesniones. 

■ No presentan problemas con los componentes en sus voltajes de terceros armónicos, puesto que se consume una corriente circulante en el lado del delta 

■ El neutro del primario se mantiene estable por el secundario en triángulo 

■ Es estable con respecto a cargas desequilibradas, debido a que la delta redistribuye cualquier desequilibrio que se presente. 

Desventajas 

■ Esta conexión tiene como desventaja que el voltaje secundario se desplaza en retraso de 30° con respecto al voltaje primario del transformador, lo cual ocasiona problemas en los secundarios si se desea conectar en paralelo otro transformador, siendo uno de los requisitos para conectar en paralelo, que los ángulos de fase de los secundarios del transformador deben ser iguales. 

■ No se puede disponer de un neutro en el secundario para conectar con la tierra o para una distribución de 4 cables, a menos que se disponga de un aparato auxiliar. 

■ Un defecto en una fase hace que no pueda funcionar la unidad trifásica hasta que se le repare.

■ El enrollamiento en el delta puede resultar débil mecánicamente en el caso de un transformador elevador con una tensión en el secundario muy alta, o con una tensión secundaria medianamente alta y potencia pequeña.

Delta-Estrella

En una conexión D -U, el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario, V_LP=V_FP, en tanto que los voltajes secundarios se relacionan por V_LS =Ö3 *V_FS, por tanto la relación de voltaje línea a línea de esta conexión es

V_LP / V_LS = V_FP / (Ö3 * V_FS)

V_LP / V_LS = a /Ö3

Esta conexión tiene las mismas ventajas y el mismo desplazamiento de fase que el transformador U -D. 

Ventajas 

■ No presenta problemas en sus voltajes de terceros armónicos. 

■ Es muy útil para elevar el voltaje a un valor muy alto.

■ Utilizando esta conexión en el lado de alta, se puede poner a tierra el neutro permitiendo que quede limitado el potencial sobre cualquier carga. 

■ Al producirse un desequilibrio en la carga, no motiva asimetría del flujo, por producirse un reparto entre las tres columnas del primario. 

Desventajas 

■ La falla de una fase deja fuera de operación al transformador.

■ El devanado en delta puede ser mecánicamente débil.

■ Debido al desplazamiento que existe en las fases entre las mitades de los enrollamientos, que están conectados en serie para formar cada fase, los enrollamientos que están en estrella interconectadas, requieren de un 15.5% más en el cobre, con el consiguiente aumento de aislamiento total. 

■ El tamaño del armazón, debido a las razones expuestas anteriormente, es mayor con el aumento consiguiente del coste del transformador.