El Autotransformador

Antes de iniciar el estudio de los autotransformadores es necesario recordar qué es un transformador.

Transformadores

El transformador es una máquina eléctrica estática, que transforma energía eléctrica, con una tensión e intensidad determinada, en energía eléctrica con tensión e intensidad distintas o iguales. Los transformadores son básicamente, circuitos magnéticos con dos bobinas que convierten energía eléctrica de un nivel de tensión y corriente a otro nivel de tensión y corriente diferente, gracias al distinto número de vueltas de cada uno de los devanados y al flujo común, variable en el tiempo, que ambos enlazan. Estas características lo hacen indispensable en aplicaciones de transmisión y distribución de energía eléctrica en corriente alterna. El transformador de dos devanados se denomina monofásico, y es el más elemental. En circuitos de potencia trifásicos se usan bancos de tres transformadores monofásicos o bien transformadores trifásicos.

Esquema de un transformador.

Autotransformadores

Definición:

El autotransformador es un transformador de características especiales. En efecto, puede ser concebido como un transformador con un solo bobinado con sus dos bornes accesibles y con un tercer borne accesible que conecta a una toma intermedia del bobinado y el cuarto borne común a alguno de los dos primeros o, lo que sería equivalente, dos bobinados conectados de tal manera que tienen dos de sus cuatro bornes accesibles conectados en común.

Un autotransformador es un transformador en donde el primario y el secundario se encuentran en un mismo devanado.

   

     En esencia se caracteriza el autotransformador por poseer un solo circuito eléctrico, del cual parten cuatro salidas, dos primarias A y B y dos secundarias C y B (figura 27). Entre los bornes A y B, el bobinado tiene N1 espiras, cuyo número corresponde a la alta tensión.

En este bobinado se ha efectuado una derivación en el punto C distante, N2 espiras del extremo B, de forma que el segmento BC corresponde a la baja tensión. Así pues, en este bobinado se distinguen dos partes distintas, una CB común a los circuitos de alta y baja tensión y otra AC conectada en serie con la anterior, que pertenece sólo a la alta tensión.

Constitución general de un Autotransformador

     La construcción de un autotransformador es similar a la de un transformador, pero entre ambas clases de máquinas existe una diferencia esencial derivada de que en el transformador cada fase tiene dos bobinados independientes, uno de alta tensión y otro de baja, mientras que en el autotransformador cada fase dispone de un solo bobinado con tres bornes de salida. Aparentemente es difícil apreciar esta diferencia, ya que incluso cada fase del autotransformador está constituida por las dos bobinas independientes que se indican a continuación:

• Bobina común formada por un elevado número de espiras, ya que debe estar calculado para la tensión secundaria, El conductor de la bobina común es de poca sección, sólo la necesaria para permitir el paso de una corriente, cuya intensidad es igual a la diferencia entre las corrientes secundaria y primaria.
• Bobina serie formada por un número de espiras N1 pequeño, ya que ha de estar prevista para una tensión diferente de las tensiones primaria y secundaria La sección de conductor de la bobina serie ha de ser grande, ya que queda recorrida por la corriente total absorbida por el autotransformador de la línea de alimentación.

Las dos bobinas, común y serie, van dispuestas concéntricamente en una misma columna, al igual que sí fueran los dos bobinados de un transformador normal (figura 27). Se acostumbra a colocar en el interior la bobina serie y al exterior la bobina común, debido a que ésta es más propensa a averías. Las dos bobinas quedan conectadas directamente mediante un puente de conexión C que une los dos extremos inferiores de las bobinas. Del conjunto se sacan tres salida, dos de ellas A y B en los extremos libres de las bobinas y la tercera C del puente de conexión. Obsérvese que para conseguir el adecuado sentido de las corrientes en las bobinas, es preciso que ambas sean construidas en sentido inverso, es decir, que una es ejecutada de plato a punto y la otra de punto a plato.

Funcionamiento

     Funcionamiento en vacío: Un autotransformador funciona en vacío cuando, estando abierto el circuito secundario, existe la tensión nominal entre los bornes primarios. Así en el autotransformador monofásico de la figura 27, funciona en vacío y entre los bornes A-B existe la tensión V1. Por el bobinado circula la corriente de vacío de Intensidad Io pequeña respecto de la corriente de carga, ya que toma solamente el valor necesario para mantener el flujo en el circuito magnético.

    Al igual que en los transformadores, si se divide la tensión en alta entre la tensión en baja, resulta una cantidad m que se llama relación de transformación. Dividiendo el número de espiras N1 del primario entre el número de espiras del secundario N2 también se obtiene el mismo valor m.

     También es interesante saber el número de voltios por espira de un transformador o de un autotransformador:

Funcionamiento en carga

 Un autotransformador monofásico funciona en carga, cuando se conecta entre los bornes secundarios B y C un circuito exterior (figura 28). Entonces el circuito secundario es recorrido por la corriente de carga de valor I2 y el autotransformador absorbe de la red primaria una corriente de mayor intensidad que la absorbida en vacío, ya que es preciso que los amperios-vueltas primarios se opongan a los creados por la, corriente secundaria a fin de que resulte constante el valor del flujo. Al objeto de llegar a conocer el sentido relativo de las distintas corrientes que existen en un autotransformador que funciona en carga, es necesario establecer el instante en el cual la carga de un autotransformador tensión V1 es de sentido tal que el potencial de A es mayor que el de B, lo que determina que la fuerza electromotriz generada en la bobina tenga el sentido opuesto, es decir, de B a A.

     En cuanto al sentido de la corriente primaria, en el instante considerado, que ha de ser el mismo que el de la tensión aplicada, viene representado por la flecha I1 Por su parte, el sentido de la corriente secundaria I2 es el mismo que el de la fuerza electromotriz, por serlo también el de la tensión en bornes secundarias. Así pues, su sentido queda representado por la flecha I2.

     La intensidad de corriente en la parte común ha de ser igual a la diferencia de intensidades de corriente primaria y secundaria, resultado que pone de manifiesto la gran ventaja del autotransformador, consistente en que la parte común del bobinado puede ser construida con un conductor de sección relativamente pequeña, ya que por él circula una corriente de intensidad también pequeña. El sentido de la corriente en la parte común BC viene señalado por la flecha I2 -I1, lo que se hace evidente teniendo en cuenta que la corriente secundaria I2 es mayor que la primaria I1. En efecto, en carga resultan muy aproximados los amperios-vueltas primarios y secundarios, es decir, que se verifica

N1 *I 1 = N2 *I 2

De donde se deduce que las intensidades de corriente están en razón inversa que las tensiones y que la corriente I2 es mayor que I1.

Autotransformador variable

 Con frecuencia se utiliza un autotransformador variable cuando es necesario obtener un voltaje de C.A variable de una fuente de C.A de voltaje fijo. El transformador se compone de un devanado de una sola capa arrollado uniformemente en un núcleo de hierro toroidal. Una escobilla de carbón movible en contacto deslizante con el devanado funciona como toma variable. La escobilla se puede colocar en cualquier posición entre 0 y 330°. Se puede utilizar un posicionamiento manual o motorizado.

A medida que la escobilla se desliza sobre la parte descubierta del devanado, el voltaje secundario E2 se incrementa en proporción al número de vueltas barridas (Fig. 11.22). Por lo general, el voltaje de entrada E1 se conecta a una toma fija de 90 por ciento en el devanado. Esto permite que E2 varíe de 0 a 110 por ciento del voltaje de entrada. Los autotransformadores variables son eficientes y proporcionan una buena regulación del voltaje bajo cargas variables. La línea secundaria siempre deberá estar protegida por un fusible o cortacircuito para que la corriente de salida I2 nunca exceda la capacidad de corriente del autotransformador.

Ejercicio

Un autotransformador tiene una toma de 80 por ciento y el voltaje de suministro E1 es de 300 V. Si se conecta una carga de 3.6 kW a través del secundario, calcule:

a. El voltaje y la corriente en el secundario.

b. Las corrientes que fluyen en el devanado.

Solución

a.       El voltaje en el secundario es

E2 = 80% * 300 = 240 V

La corriente en el secundario es

I2 = P/E2 = 3600/240 = 15 A

b.      La corriente suministrada por la fuente es:

I1 = P/E1 = 3600/300 = 12 A

La corriente en el devanado BC = 12 A

La corriente en el devanado CA = 15 – 12 = 3 A

Video

Mapa Mental.

Glosario

Bobina toroidal: Una bobina toroidal consiste en un hilo conductor por el que circula una corriente a través espiras envueltas sobre un soporte toroidal.

Borne: Un borne es cada una de las partes metálicas de una máquina o dispositivo eléctrico donde se produce la conexión con el circuito eléctrico exterior al mismo.

Circuito magnético: Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el cual las líneas de fuerza del campo magnético se hallan canalizadas trazando un camino cerrado.

Devanado: acción de arrollar el hilo o el alambre u otro material.

Escobillas: Pieza conductora, generalmente de cobre o de carbón aglomerado, con la cual se establece el contacto entre un órgano fijo y otro móvil en los motores eléctricos.

Fuerza electromotriz: Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. 

Fusible: Es un  dispositivo de seguridad para circuitos eléctricos que ofrece un punto vulnerable que colapsa ante el aumento de tensión o intensidad en la corriente circulante, para proteger el circuito y los equipos que lo integren.

Monofásico: Que está formado por una sola fase.

Relación de transformación: La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada.

Tensión nominal: tensión que no debe superar un aparato eléctrico en su  funcionamiento normal. 

REFERENCIAS

Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia, Theodore Wildi, sexta edición, Mexico 2007.

Transformadores y autotransformadores, ensayos en vacío y verificación. Educar Chile http://ww2.educarchile.cl/UserFiles/P0029/File/Objetos_Didacticos/ELE_06/Recursos%20Conceptuales/Transformadores.pdf