Tipos de transformadores

Los transformadores se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de núcleo empleado, lo cual define los esfuerzos de corto circuito que soportan, e influye en la facilidad o dificultad para efectuar una inspección visual en sitio, en caso de alguna anomalía. También se pueden clasificar de acuerdo con el tipo de enfriamiento que utilizan.

Generalmente, los transformadores se suministran con radiadores que disipan el calor por convección natural o forzada, usando ventiladores adicionales. En cuanto al número de fases, se pueden fabricar unidades monofásicas para formar un banco trifásico o pueden ser trifásicos en una sola unidad. También se pueden clasificar de acuerdo con el medio ambiente en el que operan, con su capacidad, con el tipo de aplicación y la conexión de sus devanados.

En esta sección se presenta una clasificación de acuerdo con la siguiente lista:

•        Tipo de núcleo
•        Tipo de enfriamiento
•        El número de fases
•        Ambiente de operación
•           Su capacidad 
•        Su aplicación
•        La preservación del aceite
•        Su conexión

 

Por el tipo de núcleo

  1.1.1 Acorazado

Al transformador tipo acorazado también se le conoce como tipo shell. Su característica principal lo define el hecho de que el núcleo magnético envuelve a las bobinas, como se muestra esquemáticamente en la figura 1.1. Las ventajas de este diseño son su alta resistencia mecánica, que permite transportarlos en unidades de gran capacidad sin sufrir daños y la posibilidad de construirlos con baja impedancia de dispersión, cuando la regulación de voltaje del sistema es crítica.

 

Figura 1.1. Transformador tipo acorazado o Shell.

 

 

1.1.2        Columna

El transformador tipo columna tiene como característica principal que las bobinas envuelven al núcleo magnético, como se muestra en la figura 1.2. El diseño tiene como ventajas un bajo costo inicial, una alta impedancia y menores costos de reparación; y como desventajas tiene una baja resistencia mecánica y menor regulación.

Figura 1.2. Transformador tipo columna

1.2.  Por el tipo de enfriamiento

En la tabla 1.1 se indica la clasificación de transformadores de acuerdo con el tipo de enfriamiento, según las Normas IEC-60076-2-1993 Power Transformers-Part 2: Temperatura Rise e IEC-60076-11-2004 Power Transformers-Part 11 Dry-Type Transformers.

1.3.  Por el número de fases

Se pueden clasificar en monofásicos y trifásicos. Existe la tendencia a utilizar transformadores monofásicos, debido a que permiten una mayor flexibilidad de operación. En caso de una falla sólo se ve afectada una unidad, la cual puede reemplazarse con la unidad de reserva. En el caso de un transformador trifásico, la unidad completa se ve afectada, debido a que la falla contamina el aceite, y las bobinas de las fases inicialmente no involucradas también se ven afectadas, por lo que es necesario sustituir la unidad completa. El costo de un banco de transformadores monofásico es significativamente más alto, comparado con el de un trifásico.

1.4.  Por su ambiente de operación

En esta clasificación se consideran los transformadores del tipo interior o intemperie. El diseño de la subestación determina el tipo de equipos que deben utilizarse. Para transformadores de gran capacidad, prácticamente todos son del tipo intemperie, de otra forma, se requiere un edificio de mayor área y con distancias dieléctricas seguras. Los transformadores tipo caverna utilizados en instalaciones subterráneas son de gran capacidad y son prácticamente iguales a los instalados a la intemperie, excepto que las terminales de salida son a través de cables de energía.

 

Tabla 1.1 Clasificación de transformadores por tipo de enfriamiento.

1.5.  Por su capacidad

Por su capacidad, los transformadores se clasifican en tres grupos:

•       De pequeña potencia, con capacidades de 500 a 7500 kVA

•       De mediana potencia, con capacidades de 7.5 a 10 MVA

•       De gran potencia, con capacidades de 10 MVA y superiores

1.6.  Por su aplicación

De acuerdo con su aplicación en los sistemas eléctricos, se clasifican en los siguientes tipos:

•       Elevadores

•       Reductores

•       Para instrumentos

•       Reguladores

•       Para aterrizamiento

•       De arranque

 

1.7.  Por la preservación del aceite

De acuerdo con el sistema utilizado para la preservación del aceite, se tienen los siguientes tipos: Con tanque conservador Los transformadores con tanque conservador, utilizan diferentes métodos para preservar las propiedades del aceite, aislándolo del medio ambiente y regulando la presión de salida de los gases.

Los métodos comúnmente utilizados son:

•       Respiración a través de sílica gel

•       Sellados con: ¾ bolsa elástica ¾ diafragma ¾ nitrógeno

Sin tanque conservador Estos equipos no cuentan con tanque conservador, pero tienen uno de los siguientes métodos de preservación del aceite:

•       Sellado con aire o nitrógeno

•       Respiración a través de sílica gel

 

1.8.  Por su conexión

De acuerdo con la conexión de sus devanados, los transformadores se clasifican de la siguiente manera:

Conexión Delta / Estrella (∆ -Υ)

En esta clase de transformadores, las tres fases del devanado primario están conectadas en delta, mientras que las del devanado secundario están en estrella. Se utilizan como transformadores elevadores en las centrales generadoras, ya que, al disponer de un neutro en el secundario, que se puede conectar a tierra, se logra que la tensión de las fases se limite a la tensión nominal del sistema. Otra ventaja importante de esta conexión, es que aísla la corriente de falla a tierra entre los dos circuitos del primario y secundario. Cuando se presenta una falla monofásica, la corriente que se genera circula únicamente en el circuito donde ocurre la falla, por lo que el otro circuito no se ve afectado. También se utilizan como transformadores de distribución, cuando se requiere alimentar cargas monofásicas y trifásicas. Los desequilibrios de las cargas monofásicas tienden a ser compensados por el primario conectado en delta.

 

Conexión Estrella/Delta (Υ-∆)

En estos transformadores, las tres fases del devanado primario están conectadas en estrella y las del secundario en delta. Se utilizan como transformadores reductores y se conectan al final de una línea de transmisión. Son utilizados con menor frecuencia en sistemas de distribución, debido a que el secundario no tiene neutro. En algunas ocasiones, se utiliza para distribución de energía hasta 20 kV. La conexión estrella-delta, ayuda a disminuir los efectos de la componente del tercer armónico de la señal de voltaje, en virtud de que éstos se anulan con la corriente que circula en el lado de la delta. Esta conexión es estable con relación a las cargas desbalanceadas, ya que la delta redistribuye parcialmente cualquier desbalance que se presente. En esta conexión, el voltaje secundario se desplaza 30º con relación al voltaje primario del transformador.

Conexión Estrella / Estrella (Υ-Υ)

Los devanados del primario y secundario están conectados en estrella. Una de sus características es que la tensión de línea es 1.73 veces mayor que la tensión de fase. Generalmente, un transformador con esta conexión es de fácil construcción y tiene un menor costo que cualquier otro, pero en la práctica no suele utilizarse, debido a que tiene un mal comportamiento cuando se presentan desequilibrios en las cargas. La única aplicación práctica es cuando se conecta a líneas de alta tensión. Esta conexión tiene dos desventajas importantes:

·        Si las cargas conectadas al transformador están desbalanceadas, los voltajes de las fases sufren desbalance.

·        No presenta resistencia a los armónicos impares, especialmente el tercero, por lo que la tensión del tercer armónico puede ser mayor que el voltaje fundamental.

Los problemas de desbalance y de contenido armónico en la señal de voltaje, se pueden resolver utilizando alguna de las dos técnicas siguientes:

·        Conectar sólidamente a tierra el neutro del primario del transformador. Esta conexión evita que se genere un incremento en el voltaje, al circular una corriente en el neutro debida a la componente del tercer armónico. Esta conexión del neutro a tierra también proporciona una trayectoria de retorno para corrientes de desbalance en la carga.

·        Adicionar al transformador un devanado terciario conectado en delta. Esto origina un flujo de corriente circulante en el devanado, lo que ayuda a eliminar los componentes de tercer armónico del voltaje. Por otro lado, permite tener una corriente de sensibilidad para los sistemas de protección.

Conexión Delta / Delta (∆ - ∆)

En estos transformadores, los devanados primario y secundario están conectados en delta, y las tensiones de línea y de fase son iguales. Estos equipos se utilizan en baja tensión y presentan un buen comportamiento frente a desequilibrios en la carga.

Esta conexión se utiliza con frecuencia para alimentar sistemas de alumbrado monofásicos y simultáneamente cargas trifásicas. Tienen la ventaja de poder conectar los devanados primario y secundario sin desfasamiento, y no presenta problemas de cargas desbalanceadas o armónicas. Sin embargo, cuando no están conectados al mismo tap de regulación y tienen la misma relación de tensión, se genera circulación de altas corrientes. Cuando se presenta una falla en un banco de transformadores monofásicos, esta conexión permite el funcionamiento del sistema al 58% de la potencia, con dos transformadores.

 

Transformadores desfasadores (Zig-Zag)

La conexión zig-zag se construye dividiendo cada fase del devanado secundario en dos secciones y colocándolas en las columnas del núcleo magnético. Las bobinas se devanan en sentido inverso y los finales del devanado se conectan en estrella. Se utilizan como transformadores de conexión a tierra, en bancos de transformadores en conexión delta. De este modo, se logra obtener una corriente de sensibilidad para operar las protecciones.