Autotransformadores

Abstract: In this essay we will learn
the working principle and characteristics of an autotransformer,
discover their advantages, disadvantages and applications. In
order to draw conclusions and compare with the normal
transformer.

PALABRAS CLAVE: Devanado, bobina,
espiras, núcleo.

I.
INTRODUCCIÓN

En el siguiente ensayo esta encaminado a estudiar el
autotransformador, conocer su funcionamiento, además de
saber cuáles son sus ventajas y desventajas para proceder
a realizar diseños a un buen número de
aplicaciones. Apreciaremos algunos ejemplos de uso de estos
autotransformadores tanto en la industria, en los sistemas
ferroviarios, electrodomésticos, etc.

II. PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN

El autotransformador puede ser considerado
simultáneamente como un caso particular del transformador
o del bobinado con núcleo de hierro. Tiene un solo
bobinado arrollado sobre el núcleo, pero dispone de cuatro
bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en
común con el transformador. En realidad, lo que conviene
es estudiarlo independientemente, pues así se simplifica
notablemente el proceso teórico.

En la práctica se emplean los autotransformadores
en algunos casos en los que presenta ventajas económicas,
sea por su menor costo o su mayor eficiencia. Pero esos casos
están limitados a ciertos valores de la relación de
transformación, como se verá en seguida. No
obstante. Es tan común que se presente el uso de
relaciones de transformación próximas a la unidad,
que corresponde dar a los autotransformadores la
importancia que tienen, por haberla adquirido en la
práctica de su gran difusión.

Para estudiar su funcionamiento, primero consideraremos
el principio en que se basan, desde el punto de vista
electromagnético, para obtener las relaciones entre las
tensiones y las corrientes de sus secciones, ya que no se puede
hablar de varios bobinados. Luego veremos el diagrama vectorial,
muy parecido al de transformadores, pero con diferencias que lo
distinguen netamente.

La figura 1 siguiente nos muestra un esquema del
autotransformador. Consta de un bobinado de extremos A y D, al
cual se le ha hecho una derivación en el punto intermedio
B. Por ahora llamaremos primario a la sección completa A D
y secundario a la porción B D, pero en la práctica
puede ser a la inversa, cuando se desea elevar la tensión
primaria.

Figura 1: Esquema del
autotransformador

La tensión de la red primaria, a la cual se
conectará el autotransformador, es V1, aplicada a los
puntos A y D. Como toda bobina con núcleo de hierro, en
cuanto se aplica esa tensión circula una corriente.
Sabemos también, que esa corriente de vacío
está formada por dos componentes; una parte es la
corriente magnetizante, que está atrasada 90° respecto
de la tensión, y otra parte que está en fase, y es
la que cubre las pérdidas en el hierro, cuyo monto se
encuentra multiplicando esa parte de la corriente de
vacío, por la tensión aplicada.

Circuitos de equivalencia

Como en los transformadores que hemos estudiado
anteriormente, los autotransformadores poseen un circuito
equivalente si se desprecia la no linealidad de las
características de excitación, el autotransformador
puede representarse por uno de los circuitos de la figura
2.

Figura 2: Circuitos equivalentes exactos de
un autotransformador

Según el teorema de Thévenin, el
autotransformador visto desde sus terminales de baja
tensión equivale a una fuerza electromotriz igual a la
tensión en circuito abierto Eocx medida entre los
terminales de baja tensión, en serie con la impedancia
Zscx medida entre los terminales de baja tensión con los
terminales de alta en cortocircuito, como en la parte derecha del
transformador ideal de la figura 2 (a).

Si la razón de transformación del
transformador ideal es VH / EocH, la tensión en sus
terminales de alta es igual a la alta tensión VH del
autotransformador real. Esta razón de tensiones en
circuito abierto es muy aproximadamente igual a (N1 + N2) / N2
donde N1 y N2 son los números de espiras de los devanados
serie y común, respectivamente.

Puede demostrarse que si se conecta entre los terminales
de alta del autotransformador ideal la admitancia en circuito
abierto YocH medida desde el lado de alta tensión del
transformador real, el circuito de la figura 2 (a) es un circuito
equivalente exacto del autotransformador tanto para el lado de
alta tensión como para el de baja.

Evidentemente, si se realizan las medidas en circuito
abierto en el lado de baja tensión y las medidas en
cortocircuito desde el lado de alta tensión,
también el circuito de la figura 2 (b) será un
circuito equivalente exacto del autotransformador.

Cuando se desprecia la corriente de excitación,
los circuitos equivalentes exactos de la figura 2 se reducen a
los circuitos equivalentes aproximados de la figura 3.

Figura 3: Circuitos equivalentes
aproximados de un autotransformador

Lo anterior es una teoría parecida de los
transformadores, pero que es muy útil para la
determinación del comportamiento externo de los
autotransformadores como elementos de circuito.

Pérdidas y rendimiento

El rendimiento de un autotransformador es más
elevado en comparación con los transformadores
convencionales.

Sin entrar en más detalles esta dispuesto este
ejemplo para su entendimiento. Si el rendimiento del
transformador de 100 KVA a plena carga con factor de potencia
unidad es 0.9825 cuando se conecta como transformador de dos
circuitos, sus pérdidas son: 0.0175 x 100 / 0.9825 = 1.78
KW. Cuando se conecta como autotransformador, sus pérdidas
a plena carga siguen siendo 1.78 KW., pero estas pérdidas
son ahora solamente 1.78 / 601.78 = 0.00296 de la
potencia de entrada. En consecuencia, su rendimiento a plena
carga con factor de potencia unidad como autotransformador es
0.99704, que es un rendimiento muy parecido al ideal.

En general el cociente entre en tanto por ciento o por
uno de pérdidas de un transformador dado conectado como
autotransformador y sus pérdidas como transformador
ordinario de dos circuitos es el recíproco del cociente
entre las potencias nominales para estas conexiones. Así,
pues, por la ecuación: Valor nominal como
autotransformador / Valor nominal como transformador de dos
circuitos = E H / (E H – E X ) Pérdidas a plena
carga en % del valor nominal del autotransformador /
Pérdidas a plena carga en % del valor nominal del
transformador de dos circuitos = (E H – E X )/ E
H.

Corriente de excitación

La corriente de excitación tiene menos
importancia cuando el transformador funciona como
autotransformador que cuando lo hace como transformador de dos
circuitos. Si las tensiones de los devanados tienen sus valores
nominales a carga nula, el flujo en el núcleo tiene su
valor nominal y los ampere – espira totales en vacío
son los mismos tanto si el transformador está conectado
como autotransformador como si lo está como
transformador ordinario de dos circuitos. La corriente de
excitación varía inversamente con el número
de espiras por las que circula la corriente de excitación.
Como las tensiones nominales son proporcionales a los
números de espiras, los volt – ampere de
excitación a la tensión normal son los mismos tanto
si el transformador está conectado como autotransformador
como si lo está como transformador ordinario de dos
circuitos.

Funcionamiento con carga

Si se conecta una impedancia Z entre los puntos B y D,
tal como lo muestra la figura 4, sin entrar en consideraciones
sobre el carácter de Z, por ahora, se producirá una
variación en las condiciones de funcionamiento. Z puede
tener carácter óhmico, inductivo o capacitivo. Al
conectarla entre dos puntos que acusan una diferencia de
potencial, circulará una corriente, que llamamos I2, con
subíndice correspondiente a secundario, pues así lo
hemos especificado al principio.

Figura 4: Autotransformador
reductor

Para determinar el sentido instantáneo de esta
corriente secundaria hagamos la siguiente observación: en
un dado instante, la f.e.m. inducida es tal que el punto A tiene
mayor potencial que el D. Luego los vectores de las f.e.m. E1 y
E2 podemos imaginarlos dibujados con la flecha hacia arriba. La
tensión primaria debe vencer a la f.e.m. primaria, luego
en ese instante la corriente primaria circula con sentido
contrario al que correspondería a la f.e.m. primaria, es
decir, de A hacia D. En el secundario, en cambio, la
tensión en los bornes y la f.e.m. tienen el mismo sentido,
luego la corriente circula hacia arriba, es decir, de D hacia
B.

Figura 5: Autotransformador
elevador

III. VENTAJAS Y
DESVENTAJAS

En este punto se puede discutir algunas ventajas y
desventajas, basándonos en el principio de
operación y funcionamiento.

Ventajas

Se han diseñado estos autotransformadores para
usos diversos por tener las siguientes ventajas:

· Bajo precio económico frente a un
transformador normal con idénticas especificaciones
técnicas, como no tiene devanado secundario entonces se
usa menos material, por tanto baja su precio.

· Utiliza menos corriente para generar el flujo
magnético, a comparación de los transformadores
convencionales que requieren de mucha y hasta veces exagerada
corriente en el secundario.

· Genera más potencia que un transformador
de dos devanados de especificaciones similares.

· Es más eficiente o tiene mejor
rendimiento que un transformador normal, con potencias
parecidas.

· Posee un menor flujo del campo y menos
tamaño del núcleo de hierro, ya que sólo un
porcentaje de energía se transmite por inducción,
por lo que se pueden obtener transformadores más
livianos.

· Su construcción es más sencilla,
por llevar un solo bobinado lo que conduce a tener menos
cobre.

· Las pérdidas eléctricas son
siempre menores que las pérdidas magnéticas, debido
a que parte de la energía del autotransformador se
transmite eléctricamente.

· Tiene una tensión de cortocircuito
pequeña, lo que elimina el inconveniente de que se
produzca una corriente de cortocircuito elevada.

· Si en una aplicación sencilla que no
requiera de aislamiento eléctrico, entonces el
autotransformador es muy práctico por unir dos voltajes
muy parecidos.

· Posee menores intensidades de
vacío.

· Puede ser reductor o elevador de voltaje como
el transformador normal. Con sólo tener en cuenta la toma
de espiras para ser inducidas.

· No necesita aislamiento entre los bobinados
primario y secundario.

· Ideal para incrementar niveles de voltajes de
cantidad muy pequeña, esto debido a las caídas de
voltaje que ocurren en los sistemas de potencia alejados de los
generadores.

· Se utilizan como transformadores variables
donde la toma de baja tensión se mueve hacia arriba y
hacia abajo en el devanado. Forma muy conveniente de obtener un
voltaje AC variable.

· Puede llevar protecciones en la entrada del
primario para así evitar inconvenientes o problemas en el
devanado.

Desventajas

Entre las desventajas principales podemos
mencionar las siguientes:

· Una falla en el aislamiento de los devanados
puede producir que la carga quede expuesta a recibir completa
tensión de la fuente. Una recomendación para este
problema es que tengamos en cuenta el tipo de aplicación
que le vamos a dar a este transformador.

· El no tener dos devanados como los
transformadores convencionales, es una
limitación física, pues para una
relación de tensiones mayores de 3:1 o bien el
transformador normal es más compacto y económico o
bien también resultaría imposible construir el
autotransformador.

· En sistemas de transmisión de
energía eléctrica, los autotransformadores tiene la
desventaja de no filtrar el contenido armónico de las
corrientes y de actuar como otra fuente de corrientes de falla a
tierra. Para esta desventaja podemos darle un solución,
como la de una conexión en "zig – zag" que se emplea
en sistemas trifásicos para abrir un camino de retorno a
la corriente de tierra que de otra manera no sería posible
lograr un mantenimiento a este tipo de
autotransformador.

· Bobinado primario no es independiente del
secundario esto puede causar fallas.

· La impedancia efectiva por unidad de un
autotransformador es menor en un factor igual al inverso de la
ventaja en potencia de la conexión como
autotransformador.

· La impedancia interna reducida de un
transformador, comparada con la del transformador convencional de
dos devanados, puede causar graves problemas en algunas
aplicaciones que requieran limitar la corriente que fluye durante
fallas del sistema de potencia (cortocircuitos).

IV.
APLICACIONES

Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas
eléctricos de potencia para interconectar circuitos que
funcionan a voltajes diferentes, pero en una relación
cercana a 2:1 por ejemplo 500kV/330kV ó
148kV/76kV.

Pero también tienen varias aplicaciones que
mencionaremos a continuación:

· En la industria, se utilizan para conectar
maquinaria fabricada para tensiones nominales diferentes a la de
la fuente de alimentación (por ejemplo, motores de
480 V conectados a una alimentación de
600 V).

· Se utilizan también para conectar
aparatos, electrodomésticos y cargas menores en cualquiera
de las dos alimentaciones más comunes a nivel mundial
(100-130 V a 200-250 V).

· En sistemas de distribución rural, donde
las distancias son largas, se pueden utilizar autotransformadores
especiales con relaciones alrededor de 1:1, aprovechando la
multiplicidad de tomas para variar el voltaje de
alimentación y así compensar las apreciables
caídas de tensión en los extremos de la
línea.

· Se utilizan autotransformadores también
como método de arranque suave para motores de
inducción tipo jaula de ardilla, los cuales se
caracterizan por demandar una alta corriente durante el arranque.
Si se alimenta el motor conectándolo a la toma menor de un
autotransformador, el voltaje reducido de la alimentación
resultará en una menor corriente de arranque y por lo
tanto en condiciones más seguras de operación,
tanto para el motor como para la instalación
eléctrica. Una vez que el motor ha alcanzado suficiente
velocidad, se puede ir aumentando el voltaje de
alimentación (en tantos pasos como tomas posea el
autotransformador) gradualmente, hasta llegar al voltaje de la
red (cuando la relación de tomas es 1:1).

· En sistemas ferroviarios de Alta velocidad
existen métodos de alimentación duales tales como
el conocido como 2×25 kV. En este, los transformadores de las
subestaciones alimentan a +25 kV a la catenaria, a -25 kV (en
realidad 25 kV desfasados 180º) al feeder o alimentador
negativo y con la toma intermedia o neutra puesta al carril. Cada
cierto tiempo, 10 km típicamente, se conectan
autotransformadores con 50 kV en el primario (entre catenaria y
feeder negativo) y 25 kV en el secundario (entre feeder negativo
y carril). De esta manera, la carga (trenes) se encuentra
alimentada a 25 kV entre catenaria y carril pero la
energía se transporta a 50 kV, reduciendo las
pérdidas.

V.
CONCLUSIONES

Los autotransformadores tienen varios usos como hemos
podido ver en las aplicaciones y lo que más podemos
resaltar de este tipo de transformadores es su notoria diferencia
a comparación de los transformaciones convencionales.
Antes de adquirirlos o comprarlos debemos estar seguros
según lo revisado sobre las ventajas y desventajas del
autotransformador, si éstos son la solución a
nuestros requerimientos técnicos.

VI.
BIBLIOGRAFÍA

[
]http://es.wikipedia.org/wiki/Autotransforma
dor#Aplicaciones

[2]http://www.digofat.com/shop/detallenot.asp?notid=10

[3]http://electronica.tecnoface.com/component/
content/article/31-articulos/30-los-
autotransformadores-ventajas-desventajas-y-
aplicaciones

Autor:

Pedro Alcibiades Jara
Maldonado

Pablo David Auquilla
Tenezaca

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
Ingeniería Electrónica