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AUTOTRANSFORMADORESDiego Samaniego

Jose Siguencia

Abstract—Los autotransformadores se usan normalmente paraconectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes,frecuentemente con un devanado terciario en triángulo. Demanera parecida, los autotransformadores son adecuados comotransformadores elevadores de centrales cuando sé desea ali-mentar dos sistemas de transporte diferentes. En este caso eldevanado terciario en triángulo es un devanado de plena capaci-dad conectado al generador y los dos sistemas de transporte seconectan al devanado, autotransformador. El autotransformadorno sólo presenta menores pérdidas que el transformador normal,sino que su menor tamaño y peso permiten el transporte depotencias superiores.

Index Terms—Autotransformador, ATP, Arrollados, Reactores,Resonancia

I. AUTOTRANSFORMADORES

Un autotransformador es una máquina eléctrica, de con-strucción y características similares a las de un transformador,pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanadoalrededor de un núcleo ferromagnético. Dicho devanado debetener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la fuente detensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientrasque una toma (la del extremo del devanado) es una conexióncomún a ambos circuitos eléctricos (fuente y carga). Cadatoma corresponde a una tensión diferente de la fuente (o dela carga, dependiendo del caso). En un autotransformador,la porción común (llamada por ello "devanado común") deldevanado único actúa como parte tanto del devanado "pri-mario" como del "secundario". La porción restante del de-vanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la queproporciona la diferencia de tensión entre ambos circuitos,mediante la adición en serie (de allí su nombre) con latensión del devanado común. La transferencia de potenciaentre dos circuitos conectados a un autotransformador ocurrea través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético (comoen un transformador común) y la conexión galvánica (a travésde la toma común) entre los dos circuitos. Por esta razón,un autotransformador resulta en un aparato más compacto(y a menudo más económico) que un transformador de lamisma potencia y tensiones nominales. De igual manera, untransformador incrementa su capacidad de transferir potenciaal ser conectado como autotransformador.

Figure 1. Esquema de conexión de un autotransformador.

Los autotransformadores analizado en este trabajo es unaunidad monofásica de tres arrollados y un sólo arrolladorespectivamente, cuya construcción del núcleo puede ser tipocolumna o acorazado. En el tipo columna, los arrollados soncapas o cilindros concéntricos en disposición radial a partir dela columna del núcleo. En el tipo acorazado, los arrollados sondiscos o panquecas rectangulares distribuidas simétricamentea partir del punto medio del arrollado y dispuesta axialmentesobre una columna del núcleo. En ambos diseños, cada ar-rollado tiene varias capas o discos y pantallas electrostáticaspara mejorar la distribución interna de tensiones. Los núcleosmagnéticos son laminados y posee varias columnas utilizadaspara el retorno del flujo. En la Fig. 2, se muestran los cortesesquemáticos de los núcleos magnéticos y la disposición delos arrollados para los autotransformadores tipo columna yacorazado respectivamente.• Estos autotransformadores poseen sus arrollados coloca-

dos en la siguiente forma:• El arrollado de Baja Tensión (BT) o Terciario. Es el

arrollado más cercano a la columna del núcleo por nivelde aislamiento.

• Seguido por una pantalla electrostática. Esta se conectaa tierra y esta situada entre el arrollado terciario y elarrollado común.

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• El arrollado de Media Tensión (MT) o arrollado Común.• Seguido por una pantalla electrostática. Esta se conecta

a media tensión y se ubica entre éste y el arrollado deajuste.

• El arrollado de ajuste (Cambiador de Tomas o TAP).Se conecta en serie con el arrollado de media tensióny permite regular esta tensión en un determinado rango.

• Seguido por una pantalla electrostática. Esta se conectaal arrollado de ajuste y se sitúa entre éste y el arrolladoserie.

• El arrollado de Alta Tensión (Serie).• Por último, una pantalla electrostática. Esta se conecta y

coloca sobre el arrollado serie.

Figure 2. Cortes esquemáticos de núcleos magnéticos y arrollados paraautotransformadores

II. FUNCIONAMIENTO

Al igual que los transformadores, los autotransformadoresfuncionan basados en el principio de campos magnéticos vari-antes en el tiempo, por lo que tampoco pueden ser utilizadosen circuitos de corriente continua. Para reducir al mínimo laspérdidas en el núcleo debidas a corrientes de Foucault y a lahistéresis magnética, se suele utilizar acero eléctrico, laminadoen finas chapas que luego se apilan y compactan. Las láminasdel núcleo así construido se orientan haciendo coincidir ladirección del flujo magnético con la dirección de laminación,donde la permeabilidad magnética es mayor.

La relación de transformación de un autotransformador esla relación entre el número de vueltas del devanado completo(serie + común) y el número de vueltas del devanado común.Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puedeobtener una tensión de salida (en el devanado "común") iguala la mitad del de la fuente (o viceversa). Dependiendo de laaplicación, la porción del devanado que se utiliza sólo parael circuito de alta tensión se puede fabricar con alambre demenor calibre (puesto que requiere menos corriente) que laporción del devanado común a ambos circuitos; de esta manerala maquina resultante es aún más económica.

III. OPERACIÓN

A. Teoría

En un transformador, las definiciones de primario y secun-dario son:• V1: Tensión en el devanado primario• i1: Corriente en el devanado primario• V2:Tensión en el devanado secundario• i2: Corriente en el devanado secundario

Al conectarlo como autotransformador, hay que redefinir pri-mario y secundario como:• VH: Tensión en el primario (devanado serie + común)• Vx: Tensión en el secundario (devanado común)• iH: Corriente en el primario (devanado serie + común)• ix: Corriente en el secundario (devanado común)

Comparando ambas posibilidades de conexión, se observa quese cumplen las siguientes relaciones:

V H = V 1 + V 2

V x = V 2

IH = i1 + i2

ix = i1

pero

V 1 =

(N1

N2

)∗ V 2

V H =

(N1

N2+ 1

)∗ V 2

V h =

(N1 +N2

N2

)∗ V x

Despreciando la rama en paralelo:

ix = i1

ix = iH + i2 =

(N1

N2+ 1

)

iH =

(N2

N1 +N2

)∗ ix

Con respecto a la potencia, para el transformador se cumpleque:

S = V i ∗ ix

o bien, despreciando las pérdidas,

S = V 2 ∗ i2

La potencia al conectarlo como autotransformador es:

S′ = V H ∗ iH

o bien, despreciando las pérdidas,

S′ = V x ∗ ix

si se sustituyen los valores y se agrupa correctamente, seobtiene:

S′ =

(N1

N2+ 1

)∗ S

Por lo tanto, al conectar un transformador como autotrans-formador, este aumenta su capacidad para transferir potencia

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en una proporción determinada por la relación de transfor-mación de la conexión como transformador. La implicacióndirecta de esta deducción matemática es que para transferirla misma cantidad de potencia entre dos circuitos, un au-totransformador es de menor tamaño que un transformadorequivalente.

IV. APLICACIONES

Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemaseléctricos de potencia, para interconectar circuitos que fun-cionan a tensiones diferentes, pero en una relación cercanaa 2:1 (por ejemplo, 400 kV / 230 kV ó 138 kV / 66 kV).En la industria, se utilizan para conectar maquinaria fabricadapara tensiones nominales diferentes a la de la fuente dealimentación (por ejemplo, motores de 480 V conectados auna alimentación de 600 V). Se utilizan también para conectaraparatos, electrodomésticos y cargas menores en cualquiera delas dos alimentaciones más comunes a nivel mundial (100-130V a 200-250 V). En sistemas de distribución rural, donde lasdistancias son largas, se pueden utilizar autotransformadoresespeciales con relaciones alrededor de 1:1, aprovechando lamultiplicidad de tomas para variar la tensión de alimentacióny así compensar las apreciables caídas de tensión en losextremos de la línea. Se utilizan autotransformadores tambiéncomo método de arranque suave para motores de induccióntipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandaruna alta corriente durante el arranque. Si se alimenta el motorconectándolo a la toma menor de un autotransformador, latensión reducida de la alimentación resultará en una menorcorriente de arranque y por lo tanto en condiciones másseguras de operación, tanto para el motor como para la insta-lación eléctrica. Una vez que el motor ha alcanzado suficientevelocidad, se puede ir aumentando la tensión de alimentación(en tantos pasos como tomas posea el autotransformador)gradualmente, hasta llegar a la tensión de la red (cuando larelación de tomas es 1:1). En sistemas ferroviarios de Altavelocidad existen métodos de alimentación duales tales comoel conocido como 2x25 kV. En este, los transformadoresde las subestaciones alimentan a +25 kV a la catenaria,a -25 kV (en realidad 25 kV desfasados 180º) al feedero alimentador negativo y con la toma intermedia o neutropuesta al carril. Cada cierto tiempo, 10 km típicamente, seconectan autotransformadores con 50 kV en el primario (entrecatenaria y feeder negativo) y 25 kV en el secundario (entrefeeder negativo y carril). De esta manera, la carga (trenes) seencuentra alimentada a 25 kV entre catenaria y carril pero laenergía se transporta a 50 kV, reduciendo las pérdidas.

V. VENTAJAS

1) Solo un porcentaje de la energía se trasmite por in-ducción, esto significa menor flujo del campo y menortamaño del núcleo de hierro. Por lo tanto se obtienentransformadores mas livianos.

2) El transformador lleva un solo bobinado, por lo tantoes mas fácil de construir y requiere menos cobre. Enconsecuencia es mas económico.

3) Parte de la energía del transformador se transmite eléc-tricamente. Las perdidas eléctricas siempre son menoresque las perdidas magnéticas, por lo tanto, el autotrans-formador tiene mayor rendimiento

4) Trasmite mas potencia5) El rendimiento es mucho mejor (con las mismas perdi-

das transfiere mas potencia)6) No tiene aislados primario y secundario7) Aunque cuesta aproximadamente el mismo dinero que

el trasformador (ambos tinen el mismo material)8) Menos corriente. El autotransformador necesita menos

cantidad de corriente para generar el flujo en el núcleo.9) La potencia. El autotransformador genera más potencia

que un transformador normal de especificaciones simi-lares.

10) Eficiencia. El autotransformador es más eficiente (mejorrendimiento) que un transformador normal, con poten-cias parecidas.

11) Su tamaño es menor que un transformador normal, estodebido a que el autotransformador tiene una sola bobinaen el nucleo, y el transformador tiene dos bobinas en elnucleo.

12) menos espacio (fisicamente mas pequeño ya que los dosdevanados estan juntos)

13) Requiere una corriente de exitación más baja.14) El autotransformador lleva un solo bobinado, por lo tanto

es mas fácil de construir y requiere menos cobre.15) Parte de la energía del transformador se transmite eléc-

tricamente. Las perdidas eléctricas siempre son menoresque las perdidas magnéticas, por lo tanto, el autotrans-formador tiene mayor rendimiento.

VI. DESVENTAJAS

1) Debido a la construcción eléctrica del dispositivos, laimpedancia de entrada del autotransformador es menorque de un transformador común. Esto no es ningún prob-lema durante el funcionamiento normal de la maquina,pero si por alguna razón se produce un cortocircuitoa la salida, la corriente que circulara por la entradasera mayor que en un transformador común. Y estorepresenta un mayor riesgo en la instalación eléctrica..

2) Y si de riesgos hablamos, el hecho de que la salidadel transformador no esta aislada con la entrada, este sevuelve inseguro para la persona que lo operamiento

3) Es aplicable solo para voltajes muy cercanos.

REFERENCES

[1] Bhag S. Guru. “Transformadores”. Máquinas Eléctricas y Trans-formadores. 3ª edición. México. 2003. Ed. Oxford. 2005. Cap.4. Págs. 244-245.

[2] http://transformadores.wikispaces.com/message/view/4.7+El+autotransformador/39167672#39196588[3] H. Margolis, J. Phelps, A. McElroy, "Experience With Part-

Winding Resonance In EHV Auto- Transformers: DiagnosisAnd Corrective Measures", IEEE Trans. on Power App. andSyst, Vol.-Pas. 94, No. 4, July 1975.