Optimización de Sistemas Eléctricos: Operación en Paralelo de Transformadores Monofásicos y Trifásicos

Necesidades y Condiciones para la Conexión en Paralelo de Transformadores

En una red de sistema eléctrico, los transformadores se utilizan para elevar y reducir los niveles de tensión. La potencia nominal de un transformador se selecciona según la demanda de carga. Pero la demanda de carga aumenta día a día. Por tanto, para satisfacer la demanda adicional, necesitamos cambiar el transformador existente por uno de mayor capacidad o podemos añadir un transformador extra conectado en paralelo con el existente.

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Optimización de Sistemas Eléctricos: Operación en Paralelo de Transformadores Monofásicos y Trifásicos

La forma más económica de satisfacer la demanda de carga es conectar un segundo transformador en paralelo con el existente.

Necesidad de la Operación en Paralelo de Transformadores

La operación en paralelo de transformadores es necesaria por las siguientes razones:

Para suministrar una carga de mayor potencia que la del transformador existente, necesitamos conectar un segundo transformador en paralelo.
Durante el mantenimiento, se utiliza un segundo transformador para mantener la continuidad del suministro al consumidor. Esto aumenta la fiabilidad del sistema.
Cuando un transformador falla o deja de funcionar por cualquier motivo, el segundo transformador se utiliza para suministrar energía y evitar la interrupción del suministro.

Condiciones para la Operación en Paralelo de Transformadores

Para garantizar una operación en paralelo exitosa, se deben cumplir las siguientes condiciones:

El devanado primario de ambos transformadores debe estar diseñado adecuadamente para la tensión y frecuencia del sistema de suministro.
Ambos transformadores deben conectarse con la misma polaridad. Si las polaridades no coinciden, existe riesgo de cortocircuito. Por tanto, al conectar ambos transformadores en paralelo, la polaridad debe coincidir.
La relación de transformación (relación de vueltas) de ambos transformadores debe ser idéntica. Esto significa que la tensión nominal de los devanados primario y secundario debe ser la misma. Si la relación de vueltas no es la misma, la operación en paralelo es posible, pero circulará cierta corriente en condiciones de vacío, creando condiciones de carga desiguales.
Para evitar la corriente circulante, la relación X/R debe ser la misma. Esto significa que el triángulo de impedancia debe ser idéntico para ambos transformadores. Si la relación X/R no es la misma, ambos transformadores operarán con diferentes factores de potencia.
Cuando ambos transformadores tienen diferentes potencias nominales en kVA, la impedancia equivalente es inversamente proporcional a la potencia kVA individual (ignorando la corriente circulante).

Operación en Paralelo de Transformador Monofásico

Dos transformadores monofásicos pueden conectarse en paralelo como se muestra en la figura siguiente.

Como se muestra, el devanado primario de ambos transformadores se conecta a la barra de suministro y el devanado secundario a la barra de carga. De esta forma, podemos conectar dos o más transformadores en paralelo y superar la potencia nominal del transformador.

Al conectar transformadores en paralelo, las polaridades deben coincidir. De lo contrario, provocará un cortocircuito y puede dañar el transformador.

Condición Ideal

En condiciones ideales, consideramos que ambos transformadores tienen la misma relación de tensión y de vueltas. Por tanto, el triángulo de impedancia de ambos es idéntico en forma y tamaño. El diagrama fasorial de esta condición se muestra a continuación.

Donde:

E = Tensión secundaria en vacío de cada transformador
V₂ = Tensión de terminales secundaria (carga)
V₁ = Tensión de terminales primaria (suministro)
I_A = Corriente suministrada por transformador-1
I_B = Corriente suministrada por transformador-2
I = Corriente total

Como se muestra en el diagrama fasorial, la corriente total de carga (I) va por detrás de V₂ en un ángulo φ. Las corrientes I_A e I_B de cada transformador están en fase con la corriente total (I).

La corriente individual (I_A e I_B) para cada transformador es:

De forma similar, la corriente I_B se deriva como:

Relaciones de Tensión Iguales

Supongamos que los transformadores tienen la misma relación de tensión. Por tanto, la tensión en vacío de ambos es igual (E_A = E_B = E). En esta condición, no fluirá corriente entre los dos transformadores. El circuito equivalente se muestra a continuación.

Donde:

E_A, E_B = Tensión en vacío
Z_A, Z_B = Impedancias
I_A, I_B = Corriente secundaria de cada transformador
V₂ = Tensión de terminales
I = Corriente total

Aquí, la impedancia de ambos transformadores está conectada en paralelo. Por tanto, la impedancia total Z_AB es:

El diagrama vectorial de esta condición se muestra a continuación.

Aquí, las corrientes I_A e I_B no están en fase. Por tanto, la corriente total suministrada a la carga es una suma fasorial de I_A e I_B. Hemos considerado que la tensión en vacío de cada transformador es la misma y está en fase en el diagrama vectorial.

De forma similar:

Supongamos que Q_A y Q_B son la potencia consumida por cada transformador respectivamente.

Q_A = V₂ I_A y Q_B = V₂ I_B

La potencia total consumida por ambos transformadores es Q:

Q = V₂ I

Ahora:

De forma similar:

Por tanto, Q_A y Q_B se obtienen en magnitud y fase a partir de las ecuaciones vectoriales anteriores.

Relación de Tensión Desigual

Si la relación de transformación no es la misma para ambos transformadores, la tensión secundaria en vacío no es la misma. En esta condición, fluirá cierta corriente entre transformadores en vacío. Esta corriente se conoce como corriente circulante I_C.

El diagrama vectorial de esta condición se muestra a continuación.

La FEM en vacío de ambos transformadores no es la misma. Por tanto:

E_A = I_A Z_A + I Z_L

E_B = I_B Z_B + I Z_L

Donde Z_L = impedancia de carga

I = I_A + I_B y V₂ = I Z_L

Entonces:

E_A = I_A Z_A + (I_A + I_B) Z_L

E_B = I_B Z_B + (I_A + I_B) Z_L

Restando las ecuaciones anteriores:

E_A – E_B = I_A Z_A – I_B Z_B

(E_A – E_B) + I_B Z_B = I_A Z_A

Sustituyendo el valor de I_A en la ecuación de E_B:

De forma similar:

Ahora, sustituyendo el valor de la corriente total (I) en la ecuación de la tensión de terminales V₂:

Las impedancias de los transformadores (Z_A y Z_B) son siempre menores que la impedancia de carga Z_L. Para simplificar la ecuación, despreciamos Z_AZ_B en comparación con Z_L(Z_A+Z_B).

Operación en Paralelo de Transformadores Trifásicos

En transformadores trifásicos también podemos conectar dos o más transformadores en paralelo para aumentar la capacidad de carga. Las condiciones requeridas son las mismas que para transformadores monofásicos, además de algunas condiciones adicionales:

La secuencia de fases de ambos transformadores debe ser la misma y se verifica con un indicador de secuencia de fases.
El desplazamiento de fase entre el devanado primario y secundario debe ser el mismo.
Los tres transformadores usados en el banco deben ser del mismo tipo (núcleo o carcasa).
Al calcular la relación de tensión, considerar tensiones de línea. Mantener la misma relación de tensión.

Debe existir una relación de tensión entre la tensión de terminales primaria y secundaria. Esta relación no es igual a la relación de vueltas por fase. Por ejemplo, si V₁ y V₂ son las tensiones de terminales primaria y secundaria respectivamente, la relación de transformación para conexión Estrella/Delta (Y-Δ) sería:

El diagrama de circuito de la operación en paralelo de transformadores trifásicos se muestra a continuación.

Los devanados primario y secundario de ambos transformadores (T1 y T2) se conectan como se muestra. Los terminales b y c del devanado secundario se mantienen flexibles y se conectan con un voltímetro para pruebas. Si ambos voltímetros marcan cero, las polaridades son correctas. Si marcan el doble de las tensiones de fase, las polaridades son incorrectas.