Autotransformadores

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En este ensayo vamos a aprender el principio de funcionamiento y las características de un autotransformador, descubrir sus ventajas, desventajas y aplicaciones. Con el fin de sacar conclusiones y comparar con el transformador normal.

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Autotransformadores

  1. 1. Máquinas Eléctricas I AUTOTRANSFORMADORES Pedro Alcibiades Jara Maldonado e-mail: pedrojaram1405@hotmail.com Pablo David Auquilla Tenezaca e-mail: pablo9966@hotmail.com UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Ingeniería ElectrónicaAbstract: 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. autotransformadores la importancia que tienen, PALABRAS CLAVE: Devanado, bobina, espiras, por haberla adquirido en la práctica de su grannúcleo. difusión. I. INTRODUCCIÓN Para estudiar su funcionamiento, primero consideraremos el principio en que se basan,En el siguiente ensayo esta encaminado a estudiar desde el punto de vista electromagnético, parael autotransformador, conocer su funcionamiento, obtener las relaciones entre las tensiones y lasademás de saber cuáles son sus ventajas y corrientes de sus secciones, ya que no se puededesventajas para proceder a realizar diseños a un hablar de varios bobinados. Luego veremos elbuen número de aplicaciones. Apreciaremos diagrama vectorial, muy parecido al dealgunos ejemplos de uso de estos transformadores, pero con diferencias que loautotransformadores tanto en la industria, en los distinguen netamente.sistemas ferroviarios, electrodomésticos, etc. La figura 1 siguiente nos muestra un esquema II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y del autotransformador. Consta de un bobinado OPERACIÓN de extremos A y D, al cual se le ha hecho una derivación en el punto intermedio B. Por ahora El autotransformador puede ser considerado llamaremos primario a la sección completa A D ysimultáneamente como un caso particular del secundario a la porción B D, pero en la prácticatransformador o del bobinado con núcleo de puede ser a la inversa, cuando se desea elevar lahierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el tensión primaria.núcleo, pero dispone de cuatro bornes, dos paracada circuito, y por ello presenta puntos encomún con el transformador. En realidad, loque conviene es estudiarlo independientemente,pues así se simplifica notablemente el procesoteórico. En la práctica se emplean losautotransformadores en algunos casos en losque presenta ventajas económicas, sea por sumenor costo o su mayor eficiencia. Pero esoscasos están limitados a ciertos valores de larelación de transformación, como se verá en Figura 1: Esquema del autotransformadorseguida. No obstante. Es tan común que sepresente el uso de relaciones de transformaciónpróximas a la unidad, que corresponde dar a los 1
  2. 2. Máquinas Eléctricas I La tensión de la red primaria, a la cual seconectará el autotransformador, es V1, aplicada Si la razón de transformación del transformadora los puntos A y D. Como toda bobina con núcleo ideal es VH / EocH, la tensión en sus terminales dede hierro, en cuanto se aplica esa tensión circula alta es igual a la alta tensión VH deluna corriente. Sabemos también, que esa autotransformador real. Esta razón de tensionescorriente de vacío está formada por dos en circuito abierto es muy aproximadamente igualcomponentes; una parte es la corriente a (N1 + N2) / N2 donde N1 y N2 son los númerosmagnetizante, que está atrasada 90° respecto de de espiras de los devanados serie y común,la tensión, y otra parte que está en fase, y es la respectivamente.que cubre las pérdidas en el hierro, cuyo monto seencuentra multiplicando esa parte de la corriente Puede demostrarse que si se conecta entre losde vacío, por la tensión aplicada. terminales de alta del autotransformador ideal la admitancia en circuito abierto YocH medida desdeCircuitos de equivalencia el lado de alta tensión del transformador real, el circuito de la figura 2 (a) es un circuito equivalenteComo en los transformadores que hemos exacto del autotransformador tanto para el ladoestudiado anteriormente, los de alta tensión como para el de baja.autotransformadores poseen un circuitoequivalente si se desprecia la no linealidad de las Evidentemente, si se realizan las medidas encaracterísticas de excitación, el autotransformador circuito abierto en el lado de baja tensión y laspuede representarse por uno de los circuitos de la medidas en cortocircuito desde el lado de altafigura 2. 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 2: Circuitos equivalentes exactos de un autotransformadorSegún el teorema de Thévenin, elautotransformador visto desde sus terminales debaja tensión equivale a una fuerza electromotrizigual a la tensión en circuito abierto Eocx medidaentre los terminales de baja tensión, en serie con Figura 3: Circuitos equivalentes aproximados de unla impedancia Zscx medida entre los terminales de autotransformadorbaja tensión con los terminales de alta encortocircuito, como en la parte derecha del Lo anterior es una teoría parecida de lostransformador ideal de la figura 2 (a). transformadores, pero que es muy útil para la 2
  3. 3. Máquinas Eléctricas Ideterminación del comportamiento externo de los lo está como transformador ordinario de dosautotransformadores como elementos de circuito. circuitos. La corriente de excitación varía inversamente con el número de espiras por lasPérdidas y rendimiento que circula la corriente de excitación. Como las tensiones nominales son proporcionales a losEl rendimiento de un autotransformador es más números de espiras, los volt – ampere deelevado en comparación con los transformadores excitación a la tensión normal son los mismosconvencionales. tanto si el transformador está conectado como autotransformador como si lo está comoSin entrar en más detalles esta dispuesto este transformador ordinario de dos circuitos.ejemplo para su entendimiento. Si el rendimientodel transformador de 100 KVA a plena carga con Funcionamiento con cargafactor de potencia unidad es 0.9825 cuando seconecta como transformador de dos circuitos, sus Si se conecta una impedancia Z entre los puntos Bpérdidas son: 0.0175 x 100 / 0.9825 = 1.78 KW. y D, tal como lo muestra la figura 4, sin entrar enCuando se conecta como autotransformador, sus consideraciones sobre el carácter de Z, por ahora,pérdidas a plena carga siguen siendo 1.78 KW., se producirá una variación en las condiciones depero estas pérdidas son ahora solamente 1.78 / funcionamiento. Z puede tener carácter óhmico,601.78 = 0.00296 de la potencia de entrada. En inductivo o capacitivo. Al conectarla entre dosconsecuencia, su rendimiento a plena carga con puntos que acusan una diferencia de potencial,factor de potencia unidad como circulará una corriente, que llamamos I2, conautotransformador es 0.99704, que es un subíndice correspondiente a secundario, pues asírendimiento muy parecido al ideal. lo hemos especificado al principio.En general el cociente entre en tanto por ciento opor uno de pérdidas de un transformador dadoconectado como autotransformador y suspérdidas como transformador ordinario de doscircuitos es el recíproco del cociente entre laspotencias nominales para estas conexiones. Así,pues, por la ecuación: Valor nominal comoautotransformador / Valor nominal comotransformador de dos circuitos = E H / (E H – E X )Pérdidas a plena carga en % del valor nominal del Figura 4: Autotransformador reductorautotransformador / Pérdidas a plena carga en %del valor nominal del transformador de dos Para determinar el sentido instantáneo de estacircuitos = (E H – E X )/ E H. corriente secundaria hagamos la siguiente observación: en un dado instante, la f.e.m.Corriente de excitación inducida es tal que el punto A tiene mayor potencial que el D. Luego los vectores de las f.e.m.La corriente de excitación tiene menos E1 y E2 podemos imaginarlos dibujados con laimportancia cuando el transformador funciona flecha hacia arriba. La tensión primaria debecomo autotransformador que cuando lo hace vencer a la f.e.m. primaria, luego en ese instantecomo transformador de dos circuitos. Si las la corriente primaria circula con sentidotensiones de los devanados tienen sus valores contrario al que correspondería a la f.e.m.nominales a carga nula, el flujo en el núcleo tiene primaria, es decir, de A hacia D. En el secundario,su valor nominal y los ampere – espira totales en en cambio, la tensión en los bornes y la f.e.m.vacío son los mismos tanto si el transformador tienen el mismo sentido, luego la corriente circulaestá conectado como autotransformador como si hacia arriba, es decir, de D hacia B. 3
  4. 4. Máquinas Eléctricas I  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 Figura 5: Autotransformador elevador requiera de aislamiento eléctrico, entonces el autotransformador es muy III. VENTAJAS Y DESVENTAJAS práctico por unir dos voltajes muy parecidos.En este punto se puede discutir algunas ventajas y  Posee menores intensidades de vacío.desventajas, basándonos en el principio de  Puede ser reductor o elevador de voltajeoperación y funcionamiento. como el transformador normal. Con sólo tener en cuenta la toma de espiras paraVentajas ser inducidas.  No necesita aislamiento entre losSe han diseñado estos autotransformadores para bobinados primario y secundario.usos diversos por tener las siguientes ventajas:  Ideal para incrementar niveles de voltajes de cantidad muy pequeña, esto debido a  Bajo precio económico frente a un las caídas de voltaje que ocurren en los transformador normal con idénticas sistemas de potencia alejados de los especificaciones técnicas, como no tiene generadores. devanado secundario entonces se usa  Se utilizan como transformadores menos material, por tanto baja su precio. variables donde la toma de baja tensión se  Utiliza menos corriente para generar el mueve hacia arriba y hacia abajo en el flujo magnético, a comparación de los devanado. Forma muy conveniente de transformadores convencionales que obtener un voltaje AC variable. requieren de mucha y hasta veces  Puede llevar protecciones en la entrada exagerada corriente en el secundario. del primario para así evitar inconvenientes  Genera más potencia que un o problemas en el devanado. transformador de dos devanados de especificaciones similares. Desventajas  Es más eficiente o tiene mejor rendimiento que un transformador Entre las desventajas principales podemos normal, con potencias parecidas. mencionar las siguientes:  Posee un menor flujo del campo y menos tamaño del núcleo de hierro, ya que sólo  Una falla en el aislamiento de los un porcentaje de energía se transmite por devanados puede producir que la carga inducción, por lo que se pueden obtener quede expuesta a recibir completa tensión transformadores más livianos. de la fuente. Una recomendación para  Su construcción es más sencilla, por llevar este problema es que tengamos en cuenta un solo bobinado lo que conduce a tener el tipo de aplicación que le vamos a dar a menos cobre. este transformador.  El no tener dos devanados como los transformadores convencionales, es una 4
  5. 5. Máquinas Eléctricas I limitación física, pues para una relación de 480 V conectados a una alimentación de tensiones mayores de 3:1 o bien el 600 V). transformador normal es más compacto y  Se utilizan también para conectar económico o bien también resultaría aparatos, electrodomésticos y cargas imposible construir el autotransformador. menores en cualquiera de las dos  En sistemas de transmisión de energía alimentaciones más comunes a nivel eléctrica, los autotransformadores tiene la mundial (100-130 V a 200-250 V). desventaja de no filtrar el contenido  En sistemas de distribución rural, donde armónico de las corrientes y de actuar las distancias son largas, se pueden como otra fuente de corrientes de falla a utilizar autotransformadores especiales tierra. Para esta desventaja podemos darle con relaciones alrededor de 1:1, un solución, como la de una conexión en aprovechando la multiplicidad de tomas “zig – zag” que se emplea en sistemas para variar el voltaje de alimentación y trifásicos para abrir un camino de retorno así compensar las apreciables caídas de a la corriente de tierra que de otra manera tensión en los extremos de la línea. no sería posible lograr un mantenimiento  Se utilizan autotransformadores también a este tipo de autotransformador. como método de arranque suave para  Bobinado primario no es independiente motores de inducción tipo jaula de ardilla, del secundario esto puede causar fallas. los cuales se caracterizan por demandar  La impedancia efectiva por unidad de un una alta corriente durante el arranque. Si autotransformador es menor en un factor se alimenta el motor conectándolo a la igual al inverso de la ventaja en potencia toma menor de un autotransformador, de la conexión como autotransformador. el voltaje reducido de la alimentación  La impedancia interna reducida de un resultará en una menor corriente de transformador, comparada con la del arranque y por lo tanto en condiciones transformador convencional de dos más seguras de operación, tanto para el devanados, puede causar graves motor como para la instalación eléctrica. problemas en algunas aplicaciones que Una vez que el motor ha alcanzado requieran limitar la corriente que fluye suficiente velocidad, se puede ir durante fallas del sistema de potencia aumentando el voltaje de alimentación (en (cortocircuitos). tantos pasos como tomas posea el autotransformador) gradualmente, hasta llegar al voltaje de la red (cuando la IV. APLICACIONES relación de tomas es 1:1).  En sistemas ferroviarios de Alta velocidadLos autotransformadores se utilizan a menudo en existen métodos de alimentación dualessistemas eléctricos de potencia para interconectar tales como el conocido como 2x25 kV. Encircuitos que funcionan a voltajes diferentes, pero este, los transformadores de lasen una relación cercana a 2:1 por ejemplo subestaciones alimentan a +25 kV a la500kV/330kV ó 148kV/76kV. catenaria, a -25 kV (en realidad 25 kV desfasados 180º) al feeder o alimentadorPero también tienen varias aplicaciones que negativo y con la toma intermedia omencionaremos a continuación: neutra puesta al carril. Cada cierto tiempo, 10 km típicamente, se conectan  En la industria, se utilizan para conectar autotransformadores con 50 kV en el maquinaria fabricada para tensiones primario (entre catenaria y feeder nominales diferentes a la de la fuente de negativo) y 25 kV en el secundario (entre alimentación (por ejemplo, motores de feeder negativo y carril). De esta manera, la carga (trenes) se encuentra alimentada 5
  6. 6. Máquinas Eléctricas I a 25 kV entre catenaria y carril pero la energía se transporta a 50 kV, reduciendo las pérdidas. V. CONCLUSIONESLos autotransformadores tienen varios usos comohemos podido ver en las aplicaciones y lo que máspodemos resaltar de este tipo de transformadoreses su notoria diferencia a comparación de lostransformaciones convencionales. Antes deadquirirlos o comprarlos debemos estar segurossegún lo revisado sobre las ventajas y desventajasdel autotransformador, si éstos son la solución anuestros requerimientos técnicos. VI. BIBLIOGRAFÍA[ ]http://es.wikipedia.org/wiki/Autotransformador#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 6

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