En ingeniería eléctrica, un autotransformador es un transformador eléctrico con un solo devanado . El prefijo "auto" (del griego "self") se refiere a la bobina única que actúa sola. En un autotransformador, partes del mismo devanado actúan como lados del devanado primario y secundario del transformador. Por el contrario, un transformador ordinario tiene devanados primarios y secundarios separados que no están conectados por una ruta eléctricamente conductora. [1] entre ellos.
El devanado del autotransformador tiene al menos tres conexiones eléctricas al devanado. Dado que parte del devanado cumple una "doble función", los autotransformadores tienen la ventaja de ser a menudo más pequeños, más livianos y más baratos que los típicos transformadores de doble devanado, pero la desventaja de no proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos primario y secundario. Otras ventajas de los autotransformadores incluyen una menor reactancia de fuga , menores pérdidas, menor corriente de excitación y mayor clasificación de VA para un tamaño y masa determinados. [2]
Un ejemplo de aplicación de un autotransformador es un estilo de convertidor de voltaje de viajero , que permite utilizar dispositivos de 230 voltios en circuitos de suministro de 120 voltios, o al revés. Se puede aplicar un autotransformador con múltiples derivaciones para ajustar el voltaje al final de un circuito de distribución largo para corregir una caída excesiva de voltaje; cuando se controla automáticamente, este es un ejemplo de regulador de voltaje .
Un autotransformador tiene un solo devanado con dos terminales finales y uno o más terminales en puntos de toma intermedios. Es un transformador en el que las bobinas primaria y secundaria tienen parte de sus vueltas en común. La parte del devanado que comparten el primario y el secundario es la sección común. La parte del devanado que no comparten tanto el primario como el secundario es la sección en serie. El voltaje primario se aplica a través de dos de los terminales. El voltaje secundario se toma de dos terminales, uno de los cuales suele ser común con un terminal de voltaje primario. [3]
Como los voltios por vuelta son los mismos en ambos devanados, cada uno desarrolla un voltaje en proporción a su número de vueltas. En un autotransformador, parte de la corriente de salida fluye directamente desde la entrada a la salida (a través de la sección en serie), y solo una parte se transfiere de forma inductiva (a través de la sección común), lo que permite utilizar también un núcleo más pequeño, más liviano y más económico. que requiere sólo un único devanado. [4] Sin embargo, la relación de voltaje y corriente de los autotransformadores se puede formular de la misma manera que la de otros transformadores de dos devanados: [2]
Los amperios-vueltas proporcionados por la sección en serie del devanado:
Los amperios-vueltas proporcionados por la sección común del devanado:
Para equilibrio amperio-vuelta, F S = F C :
Por lo tanto:
Un extremo del devanado generalmente está conectado en común tanto a la fuente de voltaje como a la carga eléctrica . El otro extremo de la fuente y la carga están conectados a grifos a lo largo del devanado. Diferentes tomas en el devanado corresponden a diferentes voltajes, medidos desde el extremo común. En un transformador reductor, la fuente generalmente está conectada a través de todo el devanado, mientras que la carga está conectada mediante una derivación a través de solo una parte del devanado. Por el contrario, en un transformador elevador, la carga se conecta a través de todo el devanado mientras que la fuente está conectada a una derivación en una parte del devanado. Para un transformador elevador, los subíndices en las ecuaciones anteriores se invierten donde, en esta situación, y son mayores que y , respectivamente.
Como en un transformador de dos devanados, la relación entre los voltajes secundario y primario es igual a la relación del número de vueltas del devanado al que se conectan. Por ejemplo, conectar la carga entre la mitad del devanado y el extremo terminal común del devanado del autotransformador dará como resultado que el voltaje de carga de salida sea el 50% del voltaje primario. Dependiendo de la aplicación, la parte del devanado utilizada únicamente en la parte de mayor voltaje (menor corriente) puede enrollarse con un cable de menor calibre, aunque todo el devanado está conectado directamente.
Si una de las tomas centrales se usa para tierra, entonces el autotransformador se puede usar como un balun para convertir una línea balanceada (conectada a las dos tomas finales) en una línea desequilibrada (el lado con tierra).
Un autotransformador no proporciona aislamiento eléctrico entre sus devanados como lo hace un transformador ordinario; Si el lado neutro de la entrada no está en voltaje de tierra, el lado neutro de la salida tampoco lo estará. Una falla en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede resultar en que se aplique voltaje de entrada completo a la salida. Además, una rotura en la parte del devanado que se utiliza como primario y secundario dará como resultado que el transformador actúe como un inductor en serie con la carga (lo que en condiciones de carga liviana puede resultar en que se aplique un voltaje de entrada casi completo a la salida). ). Estas son consideraciones de seguridad importantes al decidir utilizar un autotransformador en una aplicación determinada. [5]
Debido a que requiere menos devanados y un núcleo más pequeño, un autotransformador para aplicaciones de energía suele ser más liviano y menos costoso que un transformador de dos devanados, hasta una relación de voltaje de aproximadamente 3:1; más allá de ese rango, un transformador de dos devanados suele ser más económico. [5]
En aplicaciones de transmisión de energía trifásica , los autotransformadores tienen las limitaciones de no suprimir corrientes armónicas y actuar como otra fuente de corrientes de falla a tierra . Un autotransformador trifásico grande puede tener un devanado delta "enterrado", no conectado al exterior del tanque, para absorber algunas corrientes armónicas. [5]
En la práctica, las pérdidas significan que tanto los transformadores estándar como los autotransformadores no son perfectamente reversibles; uno diseñado para reducir un voltaje entregará un voltaje ligeramente menor que el requerido si se usa para aumentar. La diferencia suele ser lo suficientemente leve como para permitir la inversión cuando el nivel de voltaje real no es crítico.
Al igual que los transformadores de devanados múltiples, los autotransformadores utilizan campos magnéticos variables en el tiempo para transferir energía. Requieren corriente alterna para funcionar correctamente y no funcionan con corriente continua . Debido a que los devanados primario y secundario están conectados eléctricamente, un autotransformador permitirá que la corriente fluya entre los devanados y, por lo tanto, no proporciona aislamiento de CA o CC.
Los autotransformadores se utilizan con frecuencia en aplicaciones de energía para interconectar sistemas que operan a diferentes clases de voltaje, por ejemplo de 132 kV a 66 kV para transmisión. Otra aplicación en la industria es adaptar maquinaria construida (por ejemplo) para suministros de 480 V para que funcionen con un suministro de 600 V. También se utilizan a menudo para realizar conversiones entre las dos bandas de tensión de red doméstica más comunes en el mundo (100 V-130 V y 200 V-250 V). Los enlaces entre las redes " Super Grid " del Reino Unido de 400 kV y 275 kV son normalmente autotransformadores trifásicos con derivaciones en el extremo neutro común. En largas líneas de distribución de energía rural, se insertan autotransformadores especiales con equipos de cambio automático de tomas como reguladores de voltaje , de modo que los clientes en el otro extremo de la línea reciben el mismo voltaje promedio que los más cercanos a la fuente. La relación variable del autotransformador compensa la caída de tensión a lo largo de la línea.
Se utiliza una forma especial de autotransformador llamado zig zag para proporcionar conexión a tierra en sistemas trifásicos que de otro modo no tendrían conexión a tierra. Un transformador en zigzag proporciona un camino para la corriente que es común a las tres fases (la llamada corriente de secuencia cero ).
En aplicaciones de audio, los autotransformadores con derivación se utilizan para adaptar los altavoces a sistemas de distribución de audio de voltaje constante y para igualar impedancias , como entre un micrófono de baja impedancia y una entrada de amplificador de alta impedancia.
En aplicaciones ferroviarias, es común alimentar los trenes a 25 kV CA. Para aumentar la distancia entre los puntos de alimentación de la red eléctrica, se pueden disponer para suministrar una alimentación en fase dividida de 25-0-25 kV con el tercer hilo (fase opuesta) fuera del alcance del pantógrafo colector aéreo del tren. El punto de alimentación de 0 V está conectado al carril mientras que un punto de 25 kV está conectado al cable aéreo de contacto. A intervalos frecuentes (unos 10 km), un autotransformador conecta el cable de contacto al carril y al segundo conductor de alimentación (antifase). Este sistema aumenta la distancia de transmisión utilizable, reduce la interferencia inducida en equipos externos y reduce los costos. Ocasionalmente se ve una variante en la que el conductor de alimentación tiene un voltaje diferente al del cable de contacto con la relación del autotransformador modificada para adaptarse. [6]
Los autotransformadores se pueden utilizar como método de arranque suave de motores de inducción . Uno de los diseños más conocidos de este tipo de arrancadores es el arrancador Korndörfer .
El arrancador por autotransformador fue inventado en 1908 por Max Korndorfer de Berlín . Presentó la solicitud ante la oficina de patentes de EE. UU. en mayo de 1908 y se le concedió la patente US 1.096.922 en mayo de 1914 . Max Korndorfer cedió su patente a General Electric Company.
Un motor de inducción consume una corriente de arranque muy alta durante su aceleración hasta la velocidad nominal máxima, normalmente de 6 a 10 veces la corriente de carga total. Es deseable una corriente de arranque reducida cuando la red eléctrica no tiene capacidad suficiente o cuando la carga impulsada no puede soportar un par de arranque alto. Un método básico para reducir la corriente de arranque es con un autotransformador de voltaje reducido con derivaciones al 50%, 65% y 80% del voltaje de línea aplicado; Una vez que se arranca el motor, el autotransformador se desconecta del circuito.
Al exponer parte de las bobinas y realizar la conexión secundaria a través de un cepillo deslizante , se puede obtener una relación de vueltas continuamente variable, lo que permite un control muy suave del voltaje de salida. El voltaje de salida no se limita a los voltajes discretos representados por el número real de vueltas. El voltaje se puede variar suavemente entre vueltas ya que la escobilla tiene una resistencia relativamente alta (en comparación con un contacto metálico) y el voltaje de salida real es función del área relativa de la escobilla en contacto con los devanados adyacentes. [7] La resistencia relativamente alta de la escobilla también evita que actúe como una espira en cortocircuito cuando hace contacto con dos espiras adyacentes. Normalmente, la conexión primaria se conecta solo a una parte del devanado, lo que permite que el voltaje de salida varíe suavemente desde cero hasta un voltaje superior al de entrada y, por lo tanto, permite que el dispositivo se use para probar equipos eléctricos en los límites de su rango de voltaje especificado.
El ajuste del voltaje de salida puede ser manual o automático. El tipo manual es aplicable sólo para voltajes relativamente bajos y se conoce como transformador de CA variable (a menudo denominado con el nombre comercial Variac). Estos se utilizan a menudo en talleres de reparación para probar dispositivos bajo diferentes voltajes o para simular voltajes de línea anormales.
El tipo con ajuste automático de voltaje se puede utilizar como regulador automático de voltaje , para mantener un voltaje constante al servicio del cliente durante una amplia gama de condiciones de línea y carga. Otra aplicación es un atenuador de iluminación que no produce la EMI típica de la mayoría de los atenuadores de tiristores .
De 1934 a 2002, Variac fue una marca comercial estadounidense de General Radio para un autotransformador variable destinado a variar convenientemente el voltaje de salida para un voltaje de entrada de CA constante. En 2004, Instrument Service Equipment solicitó y obtuvo la marca Variac para el mismo tipo de producto. [8] El término variac se ha convertido en una marca comercial genérica y se utiliza para referirse a un autotransformador variable. [ cita necesaria ]
