En ingeniería eléctrica, un autotransformador es un transformador eléctrico con un solo devanado . El prefijo "auto" (del griego "auto") se refiere a la bobina única que actúa sola. En un autotransformador, partes del mismo devanado actúan como devanado primario y secundario del transformador. Por el contrario, un transformador ordinario tiene devanados primario y secundario separados que no están conectados por una ruta conductora de electricidad. [1] entre ellos.
El devanado del autotransformador tiene al menos tres conexiones eléctricas al devanado. Dado que parte del devanado tiene una "doble función", los autotransformadores tienen la ventaja de ser a menudo más pequeños, más ligeros y más baratos que los transformadores de doble devanado típicos, pero la desventaja de no proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos primario y secundario. Otras ventajas de los autotransformadores incluyen una reactancia de fuga más baja , menores pérdidas, menor corriente de excitación y mayor potencia nominal en VA para un tamaño y una masa determinados. [2]
Un ejemplo de aplicación de un autotransformador es un tipo 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 tomas para ajustar el voltaje al final de un circuito de distribución largo para corregir una caída de voltaje excesiva; cuando se controla automáticamente, este es un ejemplo de regulador de voltaje .
Un autotransformador tiene un único 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 espiras en común. La parte del devanado compartida por el primario y el secundario es la sección común. La parte del devanado que no comparten el primario y 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 proporcional 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 inductivamente (a través de la sección común), lo que permite utilizar un núcleo más pequeño, más liviano y más económico, además de requerir solo un único devanado. [4] Sin embargo, la relación de voltaje y corriente de los autotransformadores se puede formular de la misma manera que otros transformadores de dos devanados: [2]
Los amperios-vuelta proporcionados por la sección en serie del devanado:
Los amperios-vuelta proporcionados por la sección común del devanado:
Para el equilibrio amperio-vuelta, F S = F C :
Por lo tanto:
Un extremo del devanado suele estar conectado en común tanto a la fuente de tensión como a la carga eléctrica . El otro extremo de la fuente y la carga están conectados a tomas a lo largo del devanado. Diferentes tomas en el devanado corresponden a diferentes tensiones, medidas desde el extremo común. En un transformador reductor, la fuente suele estar conectada a lo largo de todo el devanado, mientras que la carga está conectada mediante una toma a lo largo de solo una parte del devanado. En un transformador elevador, por el contrario, la carga está conectada a lo largo de todo el devanado, mientras que la fuente está conectada a una toma a lo largo de 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.
Al igual que en un transformador de dos devanados, la relación entre los voltajes primario y secundario es igual a la relación entre el número de vueltas del devanado al que están conectados. 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. Según la aplicación, la parte del devanado que se utiliza únicamente en la parte de mayor voltaje (menor corriente) puede estar enrollada con un cable de menor calibre, aunque todo el devanado esté conectado directamente.
Si una de las tomas centrales se utiliza para la conexión a tierra, entonces el autotransformador se puede utilizar como balun para convertir una línea balanceada (conectada a las dos tomas finales) en una línea no balanceada (el lado con conexión a 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 a tensión de tierra, el lado neutro de la salida tampoco lo estará. Una falla del aislamiento de los devanados de un autotransformador puede resultar en que se aplique toda la tensión de entrada a la salida. Además, una rotura en la parte del devanado que se utiliza como primario y secundario hará que el transformador actúe como un inductor en serie con la carga (lo que en condiciones de carga ligera puede resultar en que se aplique casi toda la tensión de entrada a la salida). Estas son consideraciones de seguridad importantes a la hora de decidir utilizar un autotransformador en una aplicación determinada. [5]
Debido a que requiere menos bobinados y un núcleo más pequeño, un autotransformador para aplicaciones de energía es típicamente más liviano y menos costoso que un transformador de dos bobinados, hasta una relación de voltaje de aproximadamente 3:1; más allá de ese rango, un transformador de dos bobinados suele ser más económico. [5]
En aplicaciones de transmisión de energía trifásica , los autotransformadores tienen la limitación de no suprimir las corrientes armónicas y de 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 hacen que tanto los transformadores estándar como los autotransformadores no sean perfectamente reversibles; uno diseñado para reducir un voltaje entregará un voltaje ligeramente menor que el requerido si se utiliza para aumentarlo. 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 múltiples devanados, los autotransformadores utilizan campos magnéticos que varían con el tiempo para transferir energía. Requieren corrientes alternas 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 en diferentes clases de voltaje, por ejemplo, 132 kV a 66 kV para transmisión. Otra aplicación en la industria es adaptar la maquinaria construida (por ejemplo) para suministros de 480 V para que funcione con un suministro de 600 V. También se utilizan a menudo para proporcionar conversiones entre las dos bandas de voltaje de red doméstica comunes en el mundo (100 V-130 V y 200 V-250 V). Los enlaces entre las redes " Super Grid " de 400 kV y 275 kV del Reino Unido normalmente son autotransformadores trifásicos con tomas en el extremo neutro común. En las líneas de distribución de energía rurales largas, se insertan autotransformadores especiales con equipo de cambio automático de tomas como reguladores de voltaje , de modo que los clientes en el extremo más alejado de la línea reciban el mismo voltaje promedio que los más cercanos a la fuente. La relación variable del autotransformador compensa la caída de voltaje a lo largo de la línea.
Se utiliza un tipo especial de autotransformador denominado zigzag para proporcionar conexión a tierra a sistemas trifásicos que de otro modo no tendrían conexión a tierra. Un transformador en zigzag proporciona una ruta para la corriente que es común a las tres fases (la llamada corriente de secuencia cero ).
En aplicaciones de audio, los autotransformadores con tomas se utilizan para adaptar altavoces a sistemas de distribución de audio de voltaje constante y para la adaptación de impedancia , como por ejemplo entre un micrófono de baja impedancia y una entrada de amplificador de alta impedancia.
En las aplicaciones ferroviarias, es habitual 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 de fase dividida de 25-0-25 kV con el tercer cable (fase opuesta) fuera del alcance del pantógrafo del colector aéreo del tren. El punto de 0 V de la alimentación está conectado al raíl, mientras que un punto de 25 kV está conectado al cable de contacto aéreo. A intervalos frecuentes (unos 10 km), un autotransformador conecta el cable de contacto al raíl 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 costes. 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 estos arrancadores es el arrancador Korndörfer .
El arrancador autotransformador fue inventado en 1908 por Max Korndorfer de Berlín . Presentó la solicitud en la Oficina de Patentes de los Estados Unidos en mayo de 1908 y obtuvo 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 alcanzar la velocidad nominal máxima, normalmente de 6 a 10 veces la corriente de carga máxima. Una corriente de arranque reducida es deseable cuando la red eléctrica no tiene la capacidad suficiente o cuando la carga accionada no puede soportar un par de arranque elevado. Un método básico para reducir la corriente de arranque es con un autotransformador de tensión reducida con tomas al 50 %, 65 % y 80 % de la tensión de línea aplicada; una vez que se pone en marcha el motor, el autotransformador se desconecta del circuito.
Al exponer parte de las bobinas de bobinado 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 está limitado a los voltajes discretos representados por el número real de vueltas. El voltaje se puede variar suavemente entre vueltas ya que el cepillo tiene una resistencia relativamente alta (en comparación con un contacto de metal) y el voltaje de salida real es una función del área relativa del cepillo en contacto con los devanados adyacentes. [7] La resistencia relativamente alta del cepillo también evita que actúe como una vuelta en cortocircuito cuando entra en contacto con dos vueltas adyacentes. Normalmente, la conexión primaria se conecta a solo una parte del devanado, lo que permite que el voltaje de salida varíe suavemente desde cero hasta por encima del voltaje 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 de la tensión de salida puede ser manual o automático. El tipo manual es aplicable solo para tensiones relativamente bajas y se lo conoce como transformador de CA variable (a menudo denominado por la marca comercial Variac). Estos se utilizan a menudo en talleres de reparación para probar dispositivos bajo diferentes tensiones o para simular tensiones 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 regulador de iluminación que no produce la interferencia electromagnética típica de la mayoría de los reguladores de tiristores .
De 1934 a 2002, Variac fue una marca registrada estadounidense de General Radio para un autotransformador variable destinado a variar convenientemente el voltaje de salida para un voltaje de entrada de CA estable. En 2004, Instrument Service Equipment solicitó y obtuvo la marca registrada Variac para el mismo tipo de producto. [8] El término variac se ha convertido en una marca registrada genérica , que se utiliza para referirse a un autotransformador variable. [ cita requerida ]
