EL AUTOTRANSFORMADOR

DEFINICIÓN:

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 un núcleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en común con el transformador.

En algunas ocasiones es deseable cambiar los niveles de voltajes únicamente en una pequeña cantidad. Por ejemplo, puede necesitarse cambiar l voltaje de 110 a 120V o de 13.2 a 13.8 KV. Estos pequeños incrementos pueden ser necesarios debido a las caídas de voltaje que en sistemas de potencias alejados de los generadores. En estas circunstancias, es demasiado costoso elaborar un transformador con dos devanados completos independientes dimensionados para casi el mismo voltaje. En su lugar, se utiliza un transformador especial llamado autotransformador.

Figura Nº 1: Representación Esquemática de los dos tipos de autotransformadores

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2. Funcionamiento

Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, por lo que tampoco pueden ser utilizados en circuitos de corriente continua.

La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a un autotransformador ocurre a través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético (como en un transformador común) y la conexión galvánica entre los dos circuitos (a través de la toma común). Por esta razón, un autotransformador resulta en un aparato más compacto (y a menudo más económico) que un transformador de la misma potencia y voltajes nominales. De igual manera, un transformador incrementa su capacidad de transferir potencia al ser conectado como autotransformador.

3. Tipos de construcción

Existen autotransformadores con varias tomas en el secundario y por lo tanto, con varias relaciones de transformación. De la misma manera que los transformadores, los autotransformadores también pueden equiparse con cambiadores de toma automáticos y utilizarlos en sistemas de transmisión y distribución para regular la tensión de la red eléctrica.

Con la incorporación de varias tomas, es posible obtener más de un valor para el voltaje secundario e incluso es posible obtener voltajes ligeramente mayores a los de la fuente -para ello, el devanado debe construirse para que su voltaje nominal sea ligeramente mayor que el del lado fijo o primario-. También existen autotransformadores en los que la toma secundaria se logra a través de una escobilla deslizante, permitiendo una gama continua de voltajes secundarios que van desde cero hasta el voltaje de la fuente.

4. AUTOTRANSFORMADOR ELEVADOR

En la figura 2 se muestra el diagrama de un autotransformador elevador. En la figura 2-a, las dos bobinas del transformador de muestran de manera convencional. En la figura 2-b, el primer devanado se muestra conectado en forma aditiva al segundo. Ahora, la relación entre el voltaje el devanado primario y el voltaje del devanado secundario esta dado por la relación de vueltas del transformador. Sin embargo, en la salida del transformador, el voltaje completo es la suma en el primer devanado y el voltaje en el segundo devanado. El primer devanado se denomina devanado común debido a que su voltaje aparece en ambos lados del transformador. El devanado mas pequeño se denomina devanado en serie porque esta conectado en serie con el devanado común.

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Figura Nº2: Autotransformador Reductor

5. AUTOTRANSFORMADOR REDUCTOR

La figura 3 muestra el diagrama de un autotransformador reductor. Aquí, el voltaje de entrada es la suma de los voltajes de los devanados e serie y común, mientras que el voltaje de salida es justamente el voltaje del devanado común.

Figura Nº3: Autotransformador Reductor

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Debido a que las bobinas de los autotransformadores están físicamente conectadas, para el autotransformador se utiliza la terminología diferente de la de los otros tipos de transformadores. El voltaje del devanado común se llama voltaje común VC , y la corriente del lado de bajo voltaje del transformador son llamados VL e IL, respectivamente, mientras que las cantidades correspondientes al lado de alto voltaje del transformador son llamados VH e IH. El lado del autotransformador (el lado por el cual entra la potencia) puede ser el lado de alto o el lado de bajo voltaje dependiendo de si el autotransformador actúa como reductor o como elevador. De la figura 2-b, los voltajes y las corrientes de las bobinas se relacionan por las ecuaciones

V CV SE

=N CNSE …(1)

NC IC = NSE ISE … (2)

Los voltajes de los devanados se relacionan con los voltajes de los terminales mediante las ecuaciones

VL = VC … (3)

VH = VC +VSE … (4)

Y las corrientes de los devanados se relacionan con las corrientes de los terminales mediante las ecuaciones

IL =IC + ISE ... (5)

IH = ISE … (6)

Relaciones de voltaje y corriente en un autotransformador

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¿Cual es la relación de voltaje entre los lados de un autotransformador? es muy fácil determinar las relaciones entre VH y VL. El voltaje en el lado de alta tensión del autotransformador esta dado por

VH= VC + VSE ... (7)

Pero

V CV SE

=N CNSE , entonces

VH = VC +

N SENC VC ... (8)

Finalmente, teniendo en cuenta que VL = VC, se obtiene

VH = VC +

N SENC VL

=

N SE+N CNC VL … (9)

V LV V

=

NCN SE+N C … (10)

Las relaciones de corriente entre los dos lados del autotransformador se pueden encontrar teniendo en cuenta que

IL =IC + ISE ... (11)

De la ecuación (2-70), IC = (NSE/NC) ISE

IL = (NSE/NC) ISE + ISE … (12)

Finalmente, teniendo en cuenta que IH = ISE , se halla que

IL = (NSE/NC) IH + IH … (13)

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=

N SE+N CNC IH

ILI H =

N SE+N CNC … (14)

6. Ventaja en el valor nominal de la potencia aparente en los autotransformadores

Es interesante notar que no toda la potencia que pasa del primario al secundario en un autotransformador pasa a través de los devanados. En consecuencia, si un transformador convencional se reconecta como autotransformador, este puede manejar mucha más potencia que la nominal definida originalmente.

Para entender esta idea, remítase nuevamente a la figura 2-b. Nótese que la potencia aparente de entrada al autotransformador está dada por

Sin = VLVL … (15)

Y la potencia aparente de salida está dada por

Sout = VHIH … (16)

Es fácil demostrar, utilizando las ecuaciones de voltaje y corriente (ecuaciones (10) y (14)), que la potencia aparente de entrada es igual de nuevo a la potencia aparente de salida

Sin = Sout = SIO … (17)

Donde SIO esta definida como las potencias aparente de entrada y de salida del transformador. Sin embargo, la potencia aparente en los devanados del transformador es:

SW = VCIC = VSEISE … (18)

La relación entre la potencia que entra al primario (y la que sale del secundario) del transformador y la potencia real en los devanados del transformador puede ser hallada como sigue

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SW = VCIC

=VL (IL - IH)

= VLIL - VLIH

Utilizando la ecuación (2-80), se obtiene

SW = VLIL - VLIL

NCN SE+N C … (19)

SW = VLIL

N SE+N C−NCNSE+N C … (20)

= SIO

N SEN SE+N C

Por tanto, la relación entre la potencia aparente en el primario y en el secundario del autotransformador y la potencia aparente real que atraviesa los devanados es

SIOSW =

N SE+N CN SE … (21)

La ecuación (21) describe la ventaja en el valor nominal de potencia aparente de un autotransformador sobre un transformador convencional. Aquí SIO es la potencia aparente que entra al primario y sal por el secundario del transformador mientras que SW, es la potencia aparente real que pasa a través de los devanados del transformador (la restante pasa del primario al secundario sin ser acoplada a través de los devanados del transformador). Nótese que cuanto menor sea el devanado serie, mayor será la ventaja de potencia.

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Normalmente no es posible reconectar un transformador tipo convencional como autotransformador, debido al aislamiento del lado de bajo voltaje del transformador común, que podría ser insuficiente para soportar el voltaje de salida de la conexión como autotransformador. En los transformadores construidos específicamente como autotransformadores, el aislamiento del devanado más pequeño (devanado serie) es tan fuerte como el del devanado más grande.

En sistemas de potencia, es una práctica común utilizar autotransformadores siempre que dos voltajes que sean muy cercanos en su nivel necesiten transformarse ya que, cuanto mas cercanos sean estos voltajes, mayor es la ventaja en la potencia obtenida del autotransformador. También se utilizan como transformadores variables, donde la toma de baja tensión se mueve hacia arriba y hacia abajo del devanado.

La principal desventaja de los autotransformadores es que, a diferencia de los transformadores corrientes, hay una conexión física directa entre los circuitos primarios y secundarios, de este modo se pierde el aislamiento eléctrico de los dos lados. Si una aplicación particular no se requiere aislamiento eléctrico, e autotransformador es una forma conveniente y barata de ligar voltajes aproximadamente iguales.

7. Impedancia interna de un Autotransformador

Los autotransformadores tienen una desventaja adicional comparada con los transformadores convencionales.es un hecho que la impedancia efectiva por unidad de un autotransformador, comparada con la de un transformador conectado de manera convencional, 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 requieren limitar la corriente que fluye durante fallas del sistema de potencia (cortocircuitos). El efecto de la menor impedancia interna provista por un autotransformador debe ser tenido en cuenta en aplicaciones prácticas antes de seleccionar el autotransformador.

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8. Conexiones Trifásicas

8.1Conexión en Estrella de autotransformadores: Tres autotransformadores monofásicos pueden conectarse en estrella, como se indica en la figura 4. En estas condiciones, el comportamiento es análogo, en muchos aspectos al de un transformador trifásico de dos circuitos conectados en estrella.

Figura Nº 4

8.2Conexión en Triángulo de autotransformadores: Tres autotransformadores pueden conectarse en triángulo en la forma indicada en la figura 5, Un posible inconveniente de esta conexión es que las tensiones de línea de los secundarios no están en concordancia de fase con las tensiones de línea de los primarios. Además, la mayor razón de transformación que puede obtenerse es 2:1.

Figura Nº 5

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Los autotransformadores también pueden conectarse en triángulo como se indica en la figura 6. En la cual los devanados serie se conectan en serie con las líneas de alta tensión y los devanados comunes se conectan en triángulo.

Figura Nº 6

8.3Conexión en Triángulo de autotransformadores: A diferencia de la conexión en triángulo, la conexión en triángulo abierto indicada en la figura 7 no está restringida a razones de transformación inferiores a 2:1.

Figura Nº 7

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