Artículos Técnicos

Transformadores de doble secundario: solución a las cargas no lineales de los grandes grupos rectificadores

Artículo escrito por el Ing. Andrés Granero Martin, para IMSE Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos.

 

El transformador con doble secundario es el procedimiento que se viene utilizando desde hace varias décadas en la industria del aluminio, electroquímica, cementeras, papeleras, etc. para anular los armónicos de rango 5 y 7.

 

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Con el uso de transformadores de doble secundario se puede realizar un decalage angular de 30º entre las tensiones de sus dos salidas, con objeto de alimentar FUERTES CARGAS no lineales producidas por los rectificadores o convertidores de gran potencia (megadrives).

 

Esta solución implica, que se deben repartir las cargas en las dos salidas separadas, conectando las distribuciones a sendos secundarios.

 

Debido al decalage entre secundarios, las corrientes armónicas de las dos distribuciones están desfasadas y aguas arriba se suman, con lo que el resultado que se obtiene, es una reducción de la tasa de distorsión de corriente y en particular de los armónicos de rango 5 y 7 (los de mayor magnitud en las industrias), ya que con este desplazamiento de fase se consigue que los armónicos 5º y 7º de uno de los secundarios este en oposición de fase respecto a los mismos armónicos del otro secundario, ocurriendo lo mismo con los armónicos de rango 17º, 19º…, por lo tanto, los primeros armónicos que aparecen son los de rango 11 y 13 (de menor magnitud).

 

El transformador más utilizado para esta aplicación, es el que tiene un devanado primario en triángulo, un devanado secundario en triángulo y el otro secundario en estrella, es decir con grupo de conexión Dd0y11, se observa que con este grupo de conexión se obtiene entre secundarios un decalage de 30º entre las tensiones de sus dos salidas.

 

El mismo efecto conseguimos, si en lugar de utilizar un transformador con doble secundario, utilizamos dos transformadores con distinto acoplamiento, uno con Dd 0 y otro con Dy 11, solo que esta solución es más cara de implementar por la redundancia de equipos en la parte de AT y la diferencia de costo de dos transformadores ante la solución de un transformador con doble secundario. El caso, es que con ambas soluciones obtendríamos el mismo resultado, que es decalar 30º las tensiones entre ambos secundarios.

 

Para que esta aplicación pueda ofrecer resultados plenamente satisfactorios, se deben conectar solamente cargas trifásicas en ambos secundarios y para que pueda ofrecer una mayor eficacia, las cargas deformantes han de tener características similares (mismo espectro armónico) en las dos distribuciones y sus niveles de carga han de ser prácticamente iguales, para que al sumarse, al tener un valor similar se anulen por su signo.

 

JUSTIFICACIÓN:

 

Los transformadores con doble secundario alimentan sendos convertidores de 6 pulsos, lográndose así una configuración de 12 pulsos, con lo cual, la corriente sólo contiene armónicos de órdenes 12n +/- 1; los de órdenes 6n +/-1 (con n = 1, 2, 3… cualquier número entero), no penetran en el sistema porque se cancelan entre sí.

 

Por lo tanto, combinaciones en paralelo, de más de dos transformadores, adecuadamente desfasados, darían lugar a configuraciones de mayor número de pulsos; cuatro transformadores, con desfases entre sí de 15º, originan la configuración de 24 pulsos. En la práctica, las imperfecciones del sistema son la causa por la cual no sean recomendables configuraciones de más de 24 pulsos.

 

Otra de las razones por las cuales para potencias mayores de 3500 kW, los fabricantes se van directamente a 12 pulsos en los inversores, es debido a la problemática de los pares pulsantes en el eje del motor. Para potencias medianas un inversor de 6 pulsos puede ser suficiente, pero para altas potencias, el problema es serio y por ello se usan equipos de 12 pulsos con mejor salida de onda.

 

¿Cómo se cancelan los armónicos 5 y 7?

 

Cada secundario del transformador alimenta un rectificador de 6 pulsos, por lo tanto tenemos dos cargas idénticas en cada secundario, es decir, tendremos en cada secundario del transformador los mismos armónicos con las mismas amplitudes, es decir el armónico de rango 5 tendrá la misma amplitud en el secundario del 1 que en el secundario del 2, el armónico 7 tendrá la misma amplitud en el secundario 1 que en el secundario 2, y así sucesivamente todos los armónicos generados por este tipo de rectificadores de 6 pulsos que corresponden a los de órdenes 6n +/-1 (con n = 1, 2, 3… cualquier número entero), tal y como se ha indicado anteriormente.

 

Eliminación de la quinta armónica

 

Debido al desfase de -30° (Dd0y11) que introduce el secundario 2, las corrientes del secundario correspondientes a la 5a armónica están desfasadas: -30° x 5 = – 150° con respecto a las del secundario 1.

 

Mientras que, debido a que las 5as armónicas se comportan como componentes de secuencia negativa, existen -30° de desfase, por tanto las corrientes en el primario del transformador están desfasadas: – 150° – 30° = -180° = 180 ° con respecto a las del secundario 1.

 

Al ser las magnitudes de las corrientes en el primario iguales, las 5as armónicas se cancelan.

 

Eliminación de la séptima armónica

 

Debido al desfase de -30° que introduce el secundario 2, las corrientes del secundario correspondientes a la 7a armónica están desfasadas: -30° x 7 = – 210° = 150° con respecto a las del secundario 1.

 

Mientras que, debido a que las 7as armónicas se comportan como componentes de secuencia positiva, existen 30° de desfase, por tanto las corrientes en el secundario 2 están desfasadas: 150° + 30° = 180 ° con respecto a las del secundario 1.

 

Al ser las magnitudes de las corrientes en el primario iguales, las 7as armónicas se cancelan.

 

Artículo del Ing. Andrés Granero Martin. Profesional independiente, experto en Transformadores de Potencia y Mantenimiento Eléctrico de Alta y Baja Tensión.

 

Fuente: imseingenieria.blogspot.pe

Un comentario

  1. Sin duda es una buena solución, pero hay que recordar que Murphy nos advierte que cada nueva solución genera nuevos problemas.
    Esta configuración elimina fuertemente la contaminación armónica de un rectificador de 6 pulsos , ya que el conjunto se comporta como un rectificador de 12 pulsos, generando contaminación en 11 y 13 ava armónica pero de bajo valor que esta dentro de la norma y te ahorras el filtro de armónicas que es caro, especialmente en MT.
    La configuración tiene las siguientes desventajas:
    1.- Se requiere de dos transformadores con distintos devanados, por lo que en caso de falla debes tener un transformador para cada rectificador, o bien un transformador multiproposito (mucho mas caro).
    2.- En caso de falla de un transformador y si no tienes repuesto, te vas a producción cero, ya que no puedes operar con un solo trafo-rectificador de 6 pulsos, ya que la contaminación armónica en quinta y séptima sube fuertemente del orden de 40 %, con lo que puedes causar daños catastróficos a otros transformadores de potencia ( ya ha pasado)
    3.- Luego para decidirse a implementar la solución planteada se debe hacer un fino análisis técnico-económico: filtros vs rectificador 12 pulsos. El riesgo es grande.

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