Un transformador cambia la tensión alterna mediante inducción electromagnética. Si un transformador eleva el voltaje, reducirá la corriente para aproximadamente la misma potencia aparente transferida, excluyendo las pérdidas. Las conexiones de los devanados trifásicos y los grupos de conexión también determinan la disponibilidad del neutro, el comportamiento de secuencia cero y el desfasaje. Esta guía explica el funcionamiento como elevador/reductor, corriente alterna versus corriente continua, conexiones en estrella y triángulo, notación vectorial, operación en paralelo y regulación de tensión.
Tensión, corriente y relación de espiras
Para un transformador ideal:
V₂ ÷ V₁ = N₂ ÷ N₁
La relación de voltaje sigue a las espiras del devanado. La corriente cambia inversamente:
I₂ ÷ I₁ = N₁ ÷ N₂
Un transformador que eleva 400 V a 10 kV aumenta el voltaje 25 veces y, en teoría, reduce la corriente a una veinticiava parte. La potencia real de salida es ligeramente menor porque las pérdidas en los devanados, en el núcleo y parásitas producen calor.
Transformadores elevadores vs. reductores
Un transformador elevador tiene una tensión de salida mayor que la tensión de entrada en la dirección establecida del flujo de potencia. Se utiliza en generadores y plantas de energía renovable para reducir la corriente de transmisión. Un transformador reductor suministra cargas de distribución y utilización de menor tensión.
Muchos transformadores pueden transferir potencia en cualquier dirección si la construcción, las derivaciones, la protección y la puesta a tierra del sistema lo permiten. “Primario” y “secundario” a menudo describen los lados previstos de fuente y carga, mientras que AT/BT (o alta/baja tensión) identifica los devanados de voltaje con mayor claridad.
Tabla de comparación rápida y selección
Utilice esta tabla como un repaso rápido de las principales decisiones de ingeniería y adquisiciones explicadas en el artículo.
| Área de decisión | Significado práctico | Qué verificar |
|---|---|---|
| Tensión, corriente y relación de espiras | Para un transformador ideal: V₂ ÷ V₁ = N₂ ÷ N₁ La relación de voltaje sigue a las espiras del devanado. | La corriente cambia inversamente: I₂ ÷ I₁ = N₁ ÷ N₂. Un transformador que eleva 400 V a 10 kV aumenta el voltaje 25 veces e idealmente reduce la corriente a la veinticincoava parte. |
| Transformadores elevadores vs. reductores | Un transformador elevador tiene mayor voltaje de salida que de entrada en la dirección establecida del flujo de potencia. | Se utiliza en generadores y plantas renovables para reducir la corriente de transmisión. |
| ¿Funcionará un transformador con voltaje de CC? | Un transformador convencional requiere un flujo magnético variable. | La corriente continua constante no induce tensión secundaria de forma continua. |
| Devanados monofásicos y trifásicos | Un transformador trifásico puede utilizar un núcleo de tres columnas o un banco de unidades monofásicas. | Cada devanado de fase tiene dos extremos que se pueden interconectar en estrella, triángulo o, en diseños especializados, en zigzag. |
| Conexión en estrella | En estrella, un extremo de cada bobina de fase se une en un punto neutro. | El voltaje de línea es igual a √3 veces el voltaje de fase, mientras que la corriente de línea es igual a la corriente de fase. |
¿Funcionará un transformador con voltaje de CC?
Un transformador convencional requiere un flujo magnético cambiante. La corriente continua constante no induce continuamente un voltaje secundario. Aplicar corriente continua a un transformador normal puede producir una corriente muy alta limitada principalmente por la resistencia del devanado, causando un rápido sobrecalentamiento y daños. Los sistemas de conversión de corriente continua utilizan conmutación electrónica para crear formas de onda alternas o pulsadas antes de la transformación magnética.
Devanados monofásicos y trifásicos
Un transformador trifásico puede utilizar un núcleo de tres columnas o un banco de unidades monofásicas. Cada devanado de fase tiene dos extremos que pueden interconectarse en estrella (wye), delta o, en diseños especializados, en zigzag. La conexión cambia las relaciones de línea/fase y el comportamiento del sistema.
Conexión en estrella
En estrella, un extremo de cada bobina de fase se une en un punto neutro. La tensión de línea es igual a √3 veces la tensión de fase, mientras que la corriente de línea es igual a la corriente de fase. El neutro puede conectarse a tierra y ponerse a disposición para cargas monofásicas. El aislamiento por fase puede ser inferior a la tensión de línea, lo cual es ventajoso en devanados de alta tensión.
Delta Connection
En conexión delta, los devanados de fase forman un circuito cerrado. La tensión de línea es igual a la tensión de fase, mientras que la corriente de línea es √3 veces la corriente de fase. La conexión delta proporciona una trayectoria para las corrientes circulantes de armónicos triples y de secuencia cero, y evita que la corriente de secuencia cero pase directamente a los terminales de línea.
Conexiones trifásicas comunes
- Yy: estrella-estrella; es posible que se disponga de neutros, pero la secuencia cero y los armónicos requieren un tratamiento cuidadoso.
- Dyn: Delta en el lado de alta tensión (HV), estrella en el lado de baja tensión (LV) con neutro; ampliamente utilizado para distribución.
- Yd estrella en alta tensión (AT) y triángulo en baja tensión (BT); utilizado donde un secundario en triángulo se adapta al sistema.
- Dd: delta-delta; sin neutro y sin desplazamiento de fase inherente de 30 grados.
- Cigarante útil para la conexión a tierra, la formación neutral y el control armónico.
Cómo funciona la notación de vectores
Las letras identifican las conexiones de los devanados: D/d para delta, Y/y para estrella y Z/z para zigzag. Las mayúsculas normalmente denotan el devanado de alta tensión y las minúsculas el devanado de menor tensión. “N” o “n” indica un neutro accesible.
El número del reloj indica el desfasaje de fase de BT en relación con AT en múltiplos de 30 grados. Por lo tanto, Dyn11 describe AT en triángulo, BT en estrella con neutro y un desfasaje a las 11 en punto. La convención de referencia exacta sigue la norma aplicable.
Por qué importan los grupos de vectores
El grupo vectorial afecta al ángulo de fase del sistema, la puesta a tierra, la corriente de falla a tierra, el comportamiento armónico y la compatibilidad en paralelo. Un transformador de reemplazo incorrecto puede desfasar las tensiones secundarias, haciendo que la conexión en paralelo sea peligrosa e interrumpiendo la compensación de la protección diferencial.
Requisitos de transformadores en paralelo
Antes de poner en paralelo, verifique:
- misma relación de tensión y posición de tomas compatible;
- misma polaridad y secuencia de fases;
- mismo grupo de vectores o desplazamiento de fase idéntico;
- impedancia porcentual y relación X/R similares;
- potencias en kVA compatibles para la compartición proporcional de carga;
- capacidad nominal combinada de corriente de falla adecuada de la aparamenta y las barras omnibus.
Pequeñas diferencias en las relaciones de transformación causan corrientes de circulación incluso sin carga. Las diferencias de impedancia causan una carga porcentual desigual, por lo que una unidad puede sobrecargarse antes de alcanzar la capacidad nominal combinada.
Regulación de voltaje del transformador
La regulación de tensión describe el cambio de la tensión en el secundario entre vacío y carga a un factor de potencia determinado. La resistencia del devanado y la reactancia de dispersión provocan una caída interna. El factor de potencia de la carga afecta tanto a la magnitud como a la dirección del cambio.
Un cambiador de derivaciones sin carga ajusta la relación solo cuando está desenergizado. Un cambiador de derivaciones bajo carga (OLTC) cambia las derivaciones mientras está energizado y funciona con un regulador automático de voltaje. El controlador utiliza el voltaje medido, el punto de consigna, la banda muerta, el retardo y la compensación por caída de línea para evitar operaciones excesivas.
Efectos de Protección y Conexión
La protección diferencial debe compensar la relación de transformación y el desfase del grupo vectorial. Las conexiones de los transformadores de corriente o los ajustes del relé numérico también evitan que la corriente de secuencia cero provoque una operación en falso. La puesta a tierra del neutro y la protección contra fallas a tierra dependen de qué neutro sea accesible y de cómo esté conectado a tierra.
Especificación del producto
Para un transformador de potencia en baño de aceite de 35 kV, especificar voltaje de alta y baja tensión, grupo de conexión, impedancia, derivaciones y puesta a tierra. Los equipos empaquetados como el subestación compacta de nueva energía de 35 kV o Subestación prefabricada YBM-12 debe coordinar la conexión del transformador con la protección de la aparamenta y los requisitos del neutro de baja tensión.
Lista de verificación de verificación
- Confirme los voltajes y la frecuencia del sistema.
- Especifique los requisitos de conexión y del neutro.
- Seleccione el grupo vectorial del sistema y las necesidades de paralelo.
- Defina impedancia, tomas y regulación.
- Verificar el comportamiento de secuencia cero y de puesta a tierra.
- Coordinar la protección diferencial y contra fallas a tierra.
- Pruebe la relación de transformación, la polaridad, el desplazamiento de fase y el grupo vectorial antes de la energización.
Lectura de la notación del grupo vectorial del transformador
La primera letra mayúscula describe el devanado de alta tensión, la letra minúscula describe el devanado de baja tensión y la N o n identifica un neutro accesible. El número de reloj expresa el desfase de fase de BT en relación con AT en pasos de 30 grados. Por ejemplo, Dyn11 es delta en AT, estrella en BT con neutro, en la posición de reloj 11.
Polaridad, desplazamiento de fase y puesta en paralelo
La polaridad establece la relación instantánea de los terminales; la secuencia de fases establece el orden de las fases; el grupo vectorial establece la conexión y el desplazamiento de los devanados. Los transformadores destinados al servicio en paralelo deben proporcionar un voltaje secundario y un ángulo de fase compatibles, y deben tener una impedancia y unas posiciones de tomas adecuadamente emparejadas para evitar corrientes circulantes y una distribución desigual de la carga.
Referencias técnicas y lecturas adicionales
Las siguientes fuentes independientes respaldan las normas, la terminología, los cálculos y el contexto de seguridad analizados en esta guía:
- norma para transformadores de potencia IEC 60076-1 — Alcance, terminología, clasificaciones, símbolos de conexión, ensayos, seguridad y requisitos generales para transformadores de potencia.
- Departamento de Energía de EE. UU.: Transformadores de distribución — Definiciones oficiales, requisitos de eficiencia, procedimientos de prueba y recursos normativos para transformadores de distribución.
- Requisitos de OSHA para la transmisión y distribución de energía eléctrica — Requisitos de seguridad aplicables a la construcción y al trabajo en torno a equipos de transmisión y distribución de energía eléctrica.
