Condiciones para el acoplamiento en paralelo de Transformadores

Según sea la naturaleza, condiciones de explotación y/o exigencias de continuidad de servicio de la instalación a alimentar, puede ser conveniente repartir la carga total entre dos o más transformadores que no trabajen acoplados en paralelo, sino que cada uno alimenten independientemente una parte de la instalación.

 Ventajas:

Corriente de cortocircuito en las salidas en BT, más reducidas y por tanto, menores efectos térmicos y dinámicos del cortocircuito, pues disminuyen cuadráticamente con la corriente.

A partir de cierta potencia este aspecto puede ser por sí mismo, determinante para repartir la potencia entre dos o más transformadores.

Mayor seguridad de servicio. En efecto, si hay un solo transformador, en caso de indisponibilidad (por ejemplo avería) el Centro de Transformación (CT) queda totalmente fuera de servicio.

Si por ejemplo la carga está repartida entre dos o tres transformadores, en caso de indisponibilidad de uno de ellos, el CT, aunque en régimen reducido, mantiene el servicio con el otro o los otros dos transformadores.

Si además se ha previsto que los transformadores trabajen normalmente con carga inferior a su potencia nominal, según lo recomendado anteriormente, este margen de potencia disponible puede aprovecharse para alimentar una parte de la carga correspondiente al transformador fuera de servicio, por ejemplo los receptores más prioritarios. 

Desde luego, el cuadro general de BT debe estar diseñado para permitir esta transferencia de cargas (adecuado poder de corte en interruptores, dimensionado de barras y circuitos).

En régimen normal los interruptores «A» de la figura, están abiertos. En caso de indisponibilidad por ejemplo del transformador TR-3, se abre su interruptor de BT (D3) y se cierran los dos interruptores A, con lo cual toda o parte de la carga del TR-3 pasa a ser alimentada por los transformadores TR-1 y TR-2 aprovechando el margen de potencia disponible entre su carga y su potencia nominal. Las barras generales del cuadro deben estar adecuadamente dimensionadas para las corrientes en la transferencia de cargas.

Véase que en esta circunstancia, los transformadores TR-1 y TR-2 quedan acoplados en paralelo.

Si bien no conviene que los transformadores del CT funcionen acoplados en paralelo por el incremento de la corriente de cortocircuito que esto representa, son inevitables situaciones que requieren la marcha momentánea en paralelo, por ejemplo para el arranque directo de un motor de potencia elevada. En este caso, una vez realizado el arranque, se abren los interruptores de acoplamiento y se retorna al régimen normal de transformadores separados.

En muchos casos, la potencia necesaria varía de forma considerable según las franjas horarias. La cuestión que se nos plantea es si es más rentable poner en servicio un único aparato, o prever varios de igual potencia, instalados en paralelo, o de potencia distinta y que funcionen en modo alterno para:

- Reducir las pérdidas en vacío en las horas de menor consumo, 

- Reducir las pérdidas en carga manteniendo un único aparato en servicio que pudiera asegurar sin más ayuda el suministro de energía suficiente para mantener talleres y oficinas y asegurar el funcionamiento de los sistemas de alarma y de seguridad.

Debido a la exigencia de continuidad de servicio (hospitales, aeropuertos, fábricas de proceso continuo…), casi siempre queda justificada una inversión suplementaria que, por otro lado, es relativamente modesta.

En consecuencia los transformadores de un CT deben poder acoplase en paralelo, recordemos, sin embargo, que si se utilizan varios transformadores montados en paralelo, la potencia total disponible es igual a la suma de las potencias de los aparatos de igual potencia. 

Si las potencias son distintas, la potencia total disponible es ligeramente inferior a la suma de las potencias de los aparatos acoplados. Sin embargo, la potencia del transformador más grande no debe superar tres veces la del más pequeño (la impedancia relativa habitual de los diseños óptimos varían con el tamaño del transformador).

En efecto, la corriente que se establece entre ellos no deberá perturbar anormalmente la repartición de cargas, para ello deberá cumplirse además las siguientes condiciones:

1. Igual frecuencia en las redes a acoplar.

2. Los acoplamientos (entre bobinados primarios y secundarios) deben ser idénticos o compatibles (el mismo índice horario o índice compatible). Ver conexiones de transformadores trifásicos en Anexo.

3. El sentido de rotación de fases secundarias ha de ser el mismo en todos ellos.

4. Las tensiones de cortocircuito deben ser idénticas (o con diferencias máximas del 10%).

5. La diferencia entre las tensiones obtenidas en el secundario de los distintos aparatos, entre las fases correspondientes, o entres dichas fases y el neutro, no serán superiores al 0.4%.

6. Los conmutadores deberán tener las mismas posiciones de tomas e iguales porcentajes de regulación de tensiones y funcionarán en la misma posición de toma.

7. Se intentará conseguir, entre los bornes de BT de los distintos aparatos y el disyuntor de acoplamiento, conexiones de igual longitud y de iguales características con objeto de que no varíe la impedancia de los circuitos (cable-transformador) conectados en paralelo y consiguientemente el buen equilibrio de fases.

8. La relación de potencias nominales no deben ser mayores de 3:1.

NOTA:

La 1ª condición es una característica de las redes a acoplar, las condiciones 2 y 3 son eliminatorias: de no cumplirse el acoplamiento es imposible; el resto son necesarias para la buena marcha de la instalación.

Análisis de las diferentes condiciones

Igual frecuencia de las redes a acoplar (Condición 1)

No es posible conectar circuitos senoidales con diferentes frecuencias, las tensiones y corrientes resultantes serian la suma de componentes senoidales de distinta frecuencia, con lo cual  dichas resultantes no serían senoidales, las deformaciones de las ondas de tensión y corriente serían inadmisibles.

Posibilidad de adaptación de los modos de conexión y los desfases (Condiciones 2 y 3)

Como se ha indicado anteriormente en la condición 2, los acoplamientos deben ser idénticos o compatibles (el mismo índice horario o índice compatible), efectivamente, existe la posibilidad de acoplamiento entre las conexiones de los transformadores trifásicos indicados en la siguiente tabla.

En cada uno de los bloques, uno o dos índices horarios están indicados por permutación. Esto significa por ejemplo que si el marcado de los bornes secundarios de un transformador comporta índice horario I será simplemente modificado por permutación circular (II pasará a ser I, III pasará a ser II y I pasará a ser III), el desfase será por tanto desplazado 120 grados eléctricos con índice horario 5. En consecuencia, los transformadores con desfase que tengan una diferencia de 4 ó 8 pueden ser conectados en paralelo después de una permutación circular de las conexiones a la línea en uno u otro lado del transformador.

Es también posible combinar transformadores que tengan índices horarios 1 ó 5 con transformadores que tengan índices horarios 11 ó 7 invirtiendo la secuencia de fases en los dos lados de uno u otro de los transformadores.

La puesta en paralelo de las conexiones Dyn e Yzn no es recomendable a causa de las propiedades diferentes de las impedancias homopolares.

Grupos de conexión comunes de transformadores trifásicos

y posibilidades artificiales de funcionamiento en paralelo

( transcripción de la norma IEC 60076-8)

Distribución de las cargas entre transformadores con diferentes impedancias de cortocircuito (Condiciones 4, 7 y 8)

Cuando los transformadores tienen impedancias de cortocircuito iguales, en el acoplamiento en paralelo repartirán las cargas proporcionalmente a los valores respectivos de sus potencias asignadas.

En cambio, si sus impedancias de cortocircuito son diferentes, al conectarse en paralelo, el transformador con menor impedancia utilizará un porcentaje más elevado de su potencia asignada que el transformador con impedancia más elevada, para que la caída de tensión resultante sea la misma en los dos transformadores. Esto puede provocar un ligero aumento de la pérdida combinada de la transformación pero, sobre todo, restringirá la capacidad de carga de la instalación.

El desequilibrio se estima como sigue:

Si consideramos tres transformadores con potencias asignadas S₁, S₂ y S₃, e impedancias de cortocircuito u_cc1, u_cc2 y u_cc3.

La potencia de carga Sc se repartirá según las siguientes expresiones:

Siendo el valor medio de la impedancia de cortocircuito:

Ejemplo de aplicación:

Transformador T1: S₁ = 630 kVA,

                               u_cc1 = 4%

Transformador T2: S₂ = 800 kVA,

                               u_cc2 = 5%

Transformador T3: S₃ = 1000 kVA,

                               u_cc3 = 6%

La potencia total del grupo sería S_cT = S₁ + S₂ + S₃ = 630 + 800 + 1000 = 2430 kVA

La tensión de cortocircuito resultante U_ccT será:

La potencia absorbida por cada transformador es:

La repartición porcentual de la carga en los tres transformadores sería:

Tal y como se ha indicado, el transformador con menor tensión de cortocircuito será el más sobrecargado (normalmente el de menor potencia), en el caso del ejemplo el transformador 1 trabaja con un 25% de sobrecarga lo cual no es admisible, mientras que el transformador 3 esta solamente utilizado el 83,3% de su potencia asignada, por ello, el grupo debe trabajar con una carga parcial, de modo que su tensión de cortocircuito común sea u_k = 4%, la del transformador T1. Tendremos entonces:

La capacidad de carga teórica de esta combinación quedará así reducida en aproximadamente un 25% en comparación con la que resultaría si la carga hubiera estado repartida de manera ideal.

Consecuencias de la existencia de relaciones de transformación diferentes en los transformadores conectados en paralelo (Condiciones 5 y 6)

Ejemplo de aplicación:

En el supuesto de que dos transformadores de 1000 kVA funcionarán en paralelo con diferentes tensiones secundarias de 420 V y 400 V en vacío, se producirían corrientes transitorias peligrosas. La diferencia de tensión Du, proporcional a la diferencia en la relación de transformación, hará circular una corriente “Ia” a través de los transformadores igual a: 

Con:  

u_cc1 = u_cc2 = 6%, 

Du = 5% (entre 400 y 420 V)

Está corriente transitoria se superpone a las corrientes nominales de los transformadores y se suma a la corriente del transformador de mayor tensión secundaria en vacío.

Verificaciones antes de la puesta en paralelo:

Una vez comprobado que los transformadores reúnen todas las condiciones anteriormente indicadas, con los transformadores listos para su puesta en servicio, hay que realizar las siguientes operaciones:

- Comprobar que el conmutador de tomas de ambos transformadores están en las mismas posiciones y que sus tomas corresponden a la misma tensión asignada.

- Verificar que los neutros de los transformadores acoplados en paralelo están unidos a una misma toma de tierra, o bien están unidos eléctricamente a través de un conductor, esta es una condición fundamental para el buen reparto de las cargas entre transformadores y para que las medidas de tensión entre fases homólogas se realice correctamente.

Una vez efectuadas estas comprobaciones, podemos poner en servicio los transformadores en vacío (con los interruptores de acoplamiento abiertos), y a continuación proceder a efectuar las lecturas de las tensiones en baja tensión entre fases y entre fases y neutro en cada uno de los transformadores (preferiblemente en bornas de los interruptores de acoplamiento, estas operaciones deben realizarse siguiendo procedimientos de seguridad adecuados para evitar contactos accidentales con partes en tensión), si estas lecturas son correctas (por ejemplo 420 V entre fases diferentes y 242 V entre fases y neutro), efectuamos una nueva medición, en esta ocasión entre fases homólogas de los transformadores (es decir, fase R del primero con R del segundo, fase S del primero con fase S del segundo y fase T del primero con fase T del segundo, repetir estas verificaciones entre cada uno y el resto de transformadores (en caso de acoplamiento en paralelo de más de dos transformadores), estas medidas nos han de dar cero voltios entre cada una de las fases homologas de los transformadores que se han de acoplar.

En caso que dicha medida no nos dé cero o valores máximos comprendidos entre 1 y 5 V entre fases homólogas deberemos desistir del acoplamiento en paralelo de los transformadores y verificar las causas de tal anomalía, ya que en caso contrario podríamos causar cortocircuito franco entre transformadores.

ANEXO

CONEXIONES DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

(IEC 60076-1)

Conexiones comunes:

Conexiones adicionales:

Fuentes bibliográficas:

IEC 60076-1: Transformadores de Potencia: Generalidades

IEC 6076-8: Transformadores de Potencia: Guía de aplicación

Disponible en pdf en la siguiente URL:

http://www.mediafire.com/view/y2z2712behwra1a/Condiciones_para_la_puesta_en_paralelo_de_transformadores.pdf

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