Un cambiador de tomas es un mecanismo que se encuentra en los transformadores y que permite seleccionar relaciones de giro variables en pasos distintos. Esto se hace mediante la conexión a una serie de puntos de acceso, conocidos como tomas, a lo largo de los devanados primarios o secundarios.
Los cambiadores de tomas existen en dos tipos principales: [1] los cambiadores de tomas sin carga (NLTC), que deben desenergizarse antes de ajustar la relación de giro, y los cambiadores de tomas con carga (OLTC), que pueden ajustar su relación de giro durante el funcionamiento. La selección de tomas en cualquier cambiador de tomas puede realizarse a través de un sistema automático, como suele ser el caso de los OLTC, o un cambiador de tomas manual, que es más común para los NLTC. Los cambiadores de tomas automáticos se pueden colocar en un devanado de voltaje más bajo o más alto, pero para aplicaciones de transmisión y generación de alta potencia, los cambiadores de tomas automáticos a menudo se colocan en el devanado del transformador de voltaje más alto (corriente más baja) para facilitar el acceso y minimizar la carga de corriente durante el funcionamiento. [2]
El cambiador de tomas sin carga ( NLTC ), también conocido como cambiador de tomas fuera de circuito ( OCTC ) o cambiador de tomas desenergizado ( DETC ), es un cambiador de tomas que se utiliza en situaciones en las que la relación de giro de un transformador no requiere cambios frecuentes y es permisible desenergizar el sistema del transformador. Este tipo de transformador se emplea con frecuencia en transformadores de baja potencia y baja tensión en los que el punto de toma a menudo puede adoptar la forma de un terminal de conexión del transformador, lo que requiere que la línea de entrada se desconecte a mano y se conecte al nuevo terminal. Alternativamente, en algunos sistemas, el proceso de cambio de tomas puede ser asistido mediante un interruptor giratorio o deslizante.
Los cambiadores de tomas sin carga también se emplean en transformadores de distribución de alto voltaje en los que el sistema incluye un cambiador de tomas sin carga en el devanado primario para adaptarse a las variaciones del sistema de transmisión dentro de una banda estrecha en torno a la capacidad nominal. En dichos sistemas, el cambiador de tomas a menudo se ajustará solo una vez, en el momento de la instalación, aunque puede cambiarse más tarde para adaptarse a un cambio a largo plazo en el perfil de voltaje del sistema.
El cambiador de tomas en carga ( OLTC ), también conocido como cambiador de tomas en circuito ( OCTC ), es un cambiador de tomas en aplicaciones en las que una interrupción del suministro durante un cambio de toma es inaceptable, el transformador suele estar equipado con un mecanismo de cambio de tomas en carga más costoso y complejo. Los cambiadores de tomas en carga se pueden clasificar generalmente como mecánicos, asistidos electrónicamente o completamente electrónicos.
Estos sistemas generalmente poseen 33 tomas (una en el centro, la toma "nominal" y dieciséis para aumentar y disminuir la relación de vueltas) y permiten una variación de ±10% [3] (cada paso proporciona una variación de 0,625%) de la capacidad nominal del transformador, lo que, a su vez, permite una regulación escalonada del voltaje de salida.
Los cambiadores de tomas suelen utilizar numerosos interruptores selectores de tomas que no se pueden conmutar bajo carga, se dividen en bancos pares e impares y se cambian entre los bancos con un interruptor desviador de alta resistencia que puede conmutar entre ellos bajo carga. El resultado funciona como una transmisión de doble embrague , en la que los interruptores selectores de tomas ocupan el lugar de la caja de cambios y el interruptor desviador ocupa el lugar del embrague.
Un cambiador de tomas mecánico realiza físicamente la nueva conexión antes de liberar la antigua utilizando múltiples interruptores selectores de tomas, pero evita la creación de altas corrientes circulantes utilizando un interruptor de derivación para colocar temporalmente una gran impedancia de derivación en serie con las espiras en cortocircuito. Esta técnica supera los problemas con las tomas abiertas o en cortocircuito. En un cambiador de tomas de tipo resistivo, el cambio debe realizarse rápidamente para evitar el sobrecalentamiento del desviador. Un cambiador de tomas de tipo reactancia utiliza un devanado de autotransformador preventivo dedicado para funcionar como impedancia de desviador, y un cambiador de tomas de tipo reactancia generalmente está diseñado para soportar la carga fuera de toma indefinidamente.
En un conmutador desviador típico, los resortes potentes se tensan mediante un motor de baja potencia (unidad de accionamiento del motor, MDU) y luego se liberan rápidamente para efectuar la operación de cambio de toma. Para reducir la formación de arcos en los contactos, el conmutador de tomas funciona en una cámara llena de aceite de transformador aislante o dentro de un recipiente lleno de gas SF6 presurizado . Los conmutadores de tomas de tipo reactancia, cuando funcionan en aceite, deben tener en cuenta los transitorios inductivos adicionales generados por el autotransformador y, por lo general, incluyen un contacto de botella de vacío en paralelo con el conmutador desviador. Durante una operación de cambio de toma, el potencial aumenta rápidamente entre los dos electrodos en la botella y parte de la energía se disipa en una descarga de arco a través de la botella en lugar de pasar por los contactos del conmutador desviador.
Es inevitable que se produzcan algunos arcos eléctricos, y tanto el aceite del cambiador de tomas como los contactos del interruptor se deteriorarán lentamente con el uso. Para evitar la contaminación del aceite del tanque y facilitar las operaciones de mantenimiento, el interruptor desviador suele funcionar en un compartimento separado del tanque principal del transformador y, a menudo, los interruptores selectores de tomas también se encuentran en el compartimento. Todas las tomas del devanado se enrutarán entonces hacia el compartimento del cambiador de tomas a través de un conjunto de terminales.
A la derecha se muestra un posible diseño (tipo bandera) de cambiador de tomas mecánico bajo carga. Comienza a funcionar en la posición de toma 2, con carga suministrada directamente a través de la conexión de la derecha. La resistencia de desvío A está en cortocircuito; el desviador B no se utiliza. Al pasar a la toma 3, se produce la siguiente secuencia:
Luego se realiza la secuencia en sentido inverso para volver a la posición de grifo 2.
Este es un desarrollo relativamente reciente que utiliza tiristores tanto para conmutar las tomas del devanado del transformador como para pasar la corriente de carga en estado estable. La desventaja es que todos los tiristores no conductores conectados a las tomas no seleccionadas aún disipan energía debido a sus corrientes de fuga y tienen una tolerancia limitada a los cortocircuitos . Este consumo de energía puede sumar unos pocos kilovatios que aparecen en forma de calor y provocan una reducción en la eficiencia general del transformador; sin embargo, da como resultado un diseño más compacto que reduce el tamaño y el peso del dispositivo cambiador de tomas. Los cambiadores de tomas de estado sólido generalmente se emplean solo en transformadores de potencia más pequeños.
Si solo se requiere un cambiador de tomas, generalmente se realizan puntos de toma operados manualmente en el devanado de alta tensión (primario) o de menor corriente del transformador para minimizar los requisitos de manejo de corriente de los contactos. Sin embargo, un transformador puede incluir un cambiador de tomas en cada devanado si existen ventajas para hacerlo. Por ejemplo, en redes de distribución de energía, un transformador reductor grande puede tener un cambiador de tomas sin carga en el devanado primario y un cambiador de tomas automático con carga en el devanado o devanados secundarios. La toma de alta tensión se configura para que coincida con el perfil del sistema a largo plazo en la red de alta tensión (normalmente promedios de tensión de suministro) y rara vez se cambia. Se puede solicitar que la toma de baja tensión cambie de posición varias veces al día, sin interrumpir el suministro de energía, para seguir las condiciones de carga en la red de baja tensión (devanado secundario).
Para minimizar el número de tomas de bobinado y así reducir el tamaño físico de un transformador de cambio de tomas, se puede utilizar un devanado cambiador de tomas "inversor", que es una porción del devanado principal que se puede conectar en su dirección opuesta (buck) y así oponerse al voltaje.
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