Transformadores monofásicos frente a trifásicos: alimentación, conexiones y aplicaciones

Resumen rápido

• Adapta el transformador al número de fases y a la tensión tanto en su alimentación como en la carga prevista. Una derivación tomada de un par de tensiones sigue siendo monofásica.
• En una conexión nominal de 230/400 V en estrella de cuatro hilos, 230 V es la tensión entre fase y neutro y 400 V es la tensión entre fases. Comprueba qué valor requiere el equipo.
• Un banco de tres unidades utiliza unidades monofásicas compatibles dispuestas para una fuente trifásica. Un transformador trifásico integrado constituye un único conjunto físico.

Un transformador convencional debe adaptarse a la configuración de fases disponible en su fuente de alimentación y a la salida requerida por su carga. Esa fuente puede ser el servicio de la compañía eléctrica u otra parte del sistema eléctrico de la instalación. Tener clara esta distinción antes de especificar o encargar un transformador evita tener que volver a trabajar en él, ya que una unidad dimensionada y bobinada para una configuración de fases determinada no funcionará correctamente si se conecta a otra. Este artículo explica qué significan realmente los servicios monofásicos y trifásicos, cómo leer las tensiones entre fases y entre fase y neutro utilizando un ejemplo de distribución trifásica, y en qué se diferencia un conjunto integrado de transformador trifásico de un banco de tres unidades monofásicas independientes. El artículo concluye con los datos prácticos que debe recabar antes de solicitar un presupuesto.

Empieza por la fuente de alimentación y la carga

El número de fases es una propiedad de la fuente de tensión alterna, no del transformador por sí solo. Una alimentación monofásica presenta una tensión alterna entre un par de conductores, que puede ser de fase a neutro o de fase a fase. La tensión sube y baja en un único ciclo periódico, y toda la energía de ese circuito circula a través de ese único par de conductores.

Una alimentación trifásica equilibrada se distingue de otras de una forma específica y cuantificable. Proporciona tres tensiones alternas de igual amplitud y frecuencia, pero separadas en el tiempo por un tercio de un ciclo completo; es decir, 120 grados eléctricos entre cada par. En cualquier instante, cuando una tensión alcanza su valor máximo, otra está en fase descendente y la tercera, en fase ascendente. En el caso sinusoidal equilibrado, las tres fases pueden suministrar una potencia instantánea total constante a una carga equilibrada. En los devanados de motores trifásicos adecuadamente dispuestos, las corrientes desfasadas también producen un campo magnético giratorio. Se trata de diferencias útiles en las aplicaciones, no de una garantía de que todos los dispositivos trifásicos sean más eficientes que todos los dispositivos monofásicos.

El servicio de suministro y la derivación de carga individual no son lo mismo. Un sistema trifásico de cuatro hilos puede alimentar simultáneamente tanto cargas trifásicas como monofásicas a partir de la misma infraestructura. Una derivación monofásica en ese sistema utiliza un conductor de fase y el neutro, o dos conductores de fase, y sigue siendo una derivación monofásica cuando alimenta a un transformador monofásico adecuado. Dos conductores de línea que alimentan un primario monofásico con la potencia nominal correcta siguen proporcionando exactamente una tensión en ese devanado. El transformador eleva o reduce esa tensión; no crea un suministro trifásico convencional. Esa derivación sigue cargando los conductores que utiliza, por lo que deben tenerse en cuenta múltiples derivaciones en el plan de carga de fase aguas arriba.

Nota de aplicación de Schneider Electric distingue los posibles pares de tensión de entrada.

Esta limitación es relevante en un sentido concreto: un transformador convencional por sí solo no puede convertir una fuente monofásica en un servicio trifásico normal. Para generar una salida trifásica a partir de una entrada monofásica sería necesario generar de forma controlada dos tensiones adicionales desfasadas 120 grados entre sí. Los transformadores de distribución estándar no están diseñados para ello, y conectar una unidad trifásica convencional a una fuente monofásica no proporciona la excitación prevista ni la salida trifásica normal.

Guía de aplicaciones de transformadores de Eaton aborda la distinción entre transformación y conversión de fase.

Leer la tensión entre fases y entre fase y neutro

En el ejemplo siguiente de servicio en estrella de 230/400 V, ambas cifras se refieren al mismo lado del sistema. Otros pares que figuren en la placa de características pueden indicar, en cambio, valores nominales primarios/secundarios u opciones de bobinado. Lee las etiquetas y el esquema de conexiones antes de decidir qué significado se aplica.

Tomando como ejemplo constante a lo largo de todo el texto un servicio trifásico de cuatro hilos en conexión en estrella con tensión nominal de 230/400 V: la cifra de 230 V corresponde a la tensión entre fase y neutro, medida desde cualquier conductor de fase hasta el punto neutro común. La cifra de 400 V corresponde a la tensión entre fases, medida entre dos conductores de fase cualesquiera. Un circuito monofásico alimentado por una fase y el neutro funciona a 230 V. Una carga monofásica con la potencia adecuada conectada entre dos fases utiliza 400 V. Un motor trifásico conectado a las tres fases también funciona a 400 V entre fases.

La relación entre las dos magnitudes en una configuración en estrella equilibrada se deduce de la geometría: la tensión entre fases es igual a la tensión entre fase y neutro multiplicada por la raíz cuadrada de tres, que es aproximadamente 1.732. Si dividimos 400 V entre √3, obtenemos unos 231 V. Las etiquetas de servicio habituales son 230 V y 400 V; se trata de valores nominales, no de una afirmación de que ambas tensiones medidas vayan a ser exactamente iguales a esos valores redondeados en todo momento.

Guía de tensión de Schneider Electric muestra los valores de tensión nominal utilizados en este ejemplo.

Una configuración de devanado en triángulo no funciona de la misma manera. En un triángulo simple, cada devanado está conectado directamente entre dos conductores de línea, por lo que recibe la tensión entre líneas. Un secundario configurado en triángulo no proporciona automáticamente un conductor neutro, como sí lo hace un secundario en estrella con el punto de estrella sacado al exterior. En el caso del servicio de cuatro hilos de 230/400 V que se muestra en la ilustración, el secundario en estrella especificado tiene su punto de estrella sacado a un terminal neutro. Otras disposiciones de los devanados pueden proporcionar diferentes relaciones entre el neutro y la tensión. Si la carga necesita un neutro, comprueba la fuente real y la conexión del secundario en lugar de deducirlo únicamente a partir del valor de la tensión.

La distinción también se aplica en sentido contrario. Ver únicamente un valor de tensión no basta para identificar el tipo de sistema. Un valor de 230 V podría corresponder a la tensión entre fase y neutro en un sistema trifásico en estrella de 400 V, o bien a la tensión entre fases en un circuito monofásico de dos hilos. Un servicio monofásico de tres hilos de 120/240 V tiene un neutro en el punto medio que crea dos niveles de tensión, pero sigue siendo monofásico. El número de conductores y los valores de tensión, por sí solos, no son concluyentes si no se conoce la configuración del devanado. Comprueba siempre la placa de características, el esquema unifilar y los planos de conexión.

Una unidad trifásica o un conjunto de unidades monofásicas

Cuando un proyecto requiere una transformación trifásica, existen dos configuraciones físicas distintas que permiten llevarla a cabo. Comprender la diferencia entre ambas es importante a la hora de realizar la adquisición, planificar la instalación y tomar decisiones ante imprevistos.

Un transformador trifásico integrado es un único conjunto. Muchos diseños cuentan con tres conjuntos de bobinados trifásicos que comparten un núcleo magnético. Un conjunto relleno de líquido puede utilizar un solo depósito; en el caso de los fabricados con resina moldeada, los cuerpos de los bobinados se montan sobre un bastidor común. La integración se refiere a un único conjunto de equipo, no a un requisito relativo a la construcción de un núcleo o una carcasa concretos. Se recibe, se transporta, se instala y se pone en servicio como una sola unidad. Un defecto puede obligar a retirar el conjunto del servicio mientras se evalúa la reparación o sustitución necesaria. El diseño del fabricante y la avería determinan qué componentes pueden repararse.

Un banco de transformadores para servicio trifásico es un conjunto deliberadamente adaptado de tres transformadores monofásicos independientes, cada uno de los cuales recibe el par de tensiones requerido por la conexión prevista del banco a partir de la fuente trifásica existente. Cada unidad cuenta con su propio núcleo y bobinados, su propia carcasa o envolvente y su propia placa de características. Cuando esas tres unidades se disponen y conectan para funcionar conjuntamente con la misma alimentación trifásica, el conjunto se denomina «banco». La diferencia fundamental con respecto a la unidad integrada es de carácter físico: se trata de tres conjuntos independientes en lugar de uno solo.

Esto difiere de tres transformadores monofásicos que alimentan tres cargas monofásicas independientes. En ese caso, cada transformador constituye una rama de su propio circuito, sin relación prevista con los demás. Un banco se configura deliberadamente como un grupo para el servicio trifásico.

Además, es diferente de la conversión de fase. La combinación de unidades monofásicas en un banco no genera energía trifásica a partir de una fuente monofásica. Un banco sigue necesitando una fuente trifásica; las tres unidades se conectan a los pares de tensión correspondientes de ese suministro trifásico existente.

Guía de media tensión de Eaton muestra los grupos de transformadores en la red de distribución aérea.

Las cuestiones prácticas del proyecto entre ambas configuraciones plantean varias disyuntivas reales. Una unidad integrada puede reducir el número de conexiones externas entre unidades y ofrecer un tamaño compacto, lo cual resulta útil en una sala de control con espacio limitado. Las dimensiones reales y los trabajos de instalación siguen dependiendo de los diseños que se comparen. Un banco requiere espacio para tres unidades y para las conexiones externas entre ellas. Por otro lado, un banco puede ofrecer una ventaja en cuanto a las unidades de repuesto en algunos entornos operativos: se puede sustituir o reparar una unidad individual compatible en lugar de sustituir el banco completo. El funcionamiento continuado con dos unidades solo es posible en una configuración diseñada y homologada específicamente para el funcionamiento en triángulo abierto resultante y la capacidad reducida; no se trata de una capacidad general de cualquier banco de tres unidades. En la práctica de la distribución eléctrica, una empresa de suministro puede optar por un banco que se adapte a sus estructuras de postes, límites de manipulación y stock de unidades monofásicas estandarizadas que sirvan para múltiples fines en toda la red. Para aplicaciones industriales o comerciales en interiores, se suele preferir la unidad trifásica integrada por su diseño compacto. Ninguna de las dos opciones es universalmente superior; la decisión depende de las restricciones de espacio, la estrategia de repuestos, el equipo de manipulación disponible y las prácticas de la empresa de suministro o de la instalación.

Aplicaciones de los transformadores monofásicos y trifásicos

Los requisitos de fase y tensión vienen determinados por la carga, y no por una norma general relacionada con el sector o el tamaño. Dos ejemplos habituales ilustran lo diferentes que pueden ser estos requisitos, incluso dentro de una misma instalación.

Consideremos un cuadro de control que utilice un transformador monofásico para sus circuitos de control de CA especificados. Este reduce la tensión disponible a la tensión de control necesaria para cargas tales como bobinas de relés de CA o indicadores. Si un dispositivo requiere corriente continua (CC), su fuente de alimentación realiza esa conversión por separado; el transformador por sí solo no convierte la CA en CC. El primario de ese transformador está conectado a un par de tensiones: ya sea entre fase y neutro o entre fase y fase, dependiendo del diseño. La salida es monofásica, independientemente del par de tensiones que se utilice en la entrada. Se trata de un funcionamiento monofásico, y el transformador está dimensionado y bobinado en consecuencia.

A modo de comparación, pensemos en un motor trifásico que acciona una bomba, un compresor o una cinta transportadora en la misma instalación. Si su línea de alimentación necesita un transformador, este debe suministrar la tensión trifásica necesaria; a continuación, la secuencia de fases se coordina con el circuito del motor. El primario se adapta a la red de distribución de la instalación, y el secundario se conecta a los tres conductores de línea del circuito del motor.

La siguiente tabla resume la comparación práctica entre estos dos ejemplos:

Datos del transformador que hay que confirmar antes de solicitar un presupuesto

Antes de solicitar un presupuesto para cualquiera de los dos tipos, recopila la siguiente información de la documentación del proyecto:

• Esquema unifilar: muestra a qué se conecta el transformador por ambos lados y qué sistemas de protección y medición intervienen.
• Recuento de fases y tensión en el primario: ¿La alimentación es monofásica o trifásica? En caso de ser trifásica, ¿se indica la tensión nominal L–N, la tensión L–L o ambas? ¿Cuál es la configuración real del sistema: estrella de cuatro hilos, triángulo de tres hilos o alguna otra?
• Frecuencia: comprueba la frecuencia del sistema y los valores nominales de tensión y frecuencia permitidos del transformador; no des por sentada la intercambiabilidad ni deduzcas que cada diseño se limita a una sola frecuencia.
• Tensión secundaria, número de fases y requisitos del neutro: ¿qué necesita realmente la carga? Un circuito de motor trifásico suele necesitar tres conductores de línea. Un cuadro de distribución con cargas mixtas puede necesitar tres fases y un neutro. Un transformador de control necesita una tensión secundaria monofásica específica.
• Datos de carga y potencia aparente nominal: la demanda en kVA o kW de las cargas conectadas, con el factor de potencia si se conoce. Véase ¿Por qué se expresan las potencias nominales de los transformadores en kVA? para obtener orientación sobre cómo se calcula el kVA.
• Placa de características del transformador actual (en caso de sustitución): tensión, kVA, frecuencia, grupo vectorial o esquema de conexión, impedancia y clase de refrigeración. El Guía para interpretar los datos de la placa de características de un transformador explica estos campos.
• Esquemas de conexión: configuración de los devanados, posiciones de las tomas y disposición de los terminales. Las conexiones en estrella y en triángulo no son intercambiables en lo que respecta a la disponibilidad del neutro; comprueba los planos reales en lugar de basarte únicamente en el valor de la tensión.

En cuanto a las opciones de transformadores monofásicos, el Categoría de transformadores monofásicos enumera los tipos disponibles. El más amplio gama de transformadores abarca unidades trifásicas de las categorías de construcción sumergidas en aceite, de tipo seco y de otros tipos.

Tener esta información preparada antes de realizar la consulta ayuda al proveedor a evaluar la idoneidad, comprobar los datos de la placa de características y los requisitos de conexión, e identificar cualquier duda pendiente antes de elaborar el presupuesto. Una descripción acordada de la carga y la interfaz resulta más útil que basarse únicamente en el número de fases a la hora de elegir.

Preguntas frecuentes

¿Se puede alimentar un transformador monofásico desde una red trifásica?

Sí, siempre que el par seleccionado (fase a fase o fase a neutro) se ajuste a la potencia nominal del transformador y la frecuencia de alimentación sea la adecuada. Su salida sigue siendo monofásica. Comprueba la carga de la derivación con respecto al plan de carga por fases de la red principal.

¿Puede un transformador estándar generar corriente trifásica a partir de una alimentación monofásica?

No. Un transformador convencional puede modificar la tensión. Por sí solo, no puede generar las tres formas de onda de tensión correctamente espaciadas a partir de una fuente monofásica.

¿Qué significan 230 V y 400 V en el mismo servicio de conexión en estrella de cuatro hilos?

En este ejemplo nominal, 230 V es la tensión entre fase y neutro y 400 V es la tensión entre fases. Consulta la placa de características y los planos del equipo para confirmar qué tensión utiliza el circuito.

¿Tres transformadores monofásicos independientes constituyen un banco trifásico?

No. Un banco cuenta con unidades compatibles configuradas para funcionar conjuntamente en régimen trifásico. Las tres unidades que alimentan cargas monofásicas independientes siguen siendo transformadores de derivación.