Autotransformador

En nuestros artículos sobre transformadores hemos hablado sobre los tipos de devanados, su funcionamiento, la forma en como se conectan, y se realizan todo tipo de cálculos, pero hay algo de lo que también necesitamos escribir, y es sobre los autotransformadores.

A diferencia del transformador de voltaje anterior, que tiene dos devanados aislados eléctricamente: el primario y el secundario, un autotransformador tiene un solo devanado de voltaje que es común en ambos lados. Este devanado único se "conecta" en varios puntos a lo largo de su longitud para proporcionar un porcentaje del suministro de voltaje primario a través de su carga secundaria. Luego, el autotransformador tiene el núcleo magnético habitual, pero solo tiene un devanado, que es común tanto para el circuito primario como para el secundario.

Por lo tanto, en un autotransformador, los devanados primario y secundario están unidos entre sí tanto eléctrica como magnéticamente. La principal ventaja de este tipo de diseño de transformador es que puede hacerse mucho más barato para la misma clasificación VA, pero la mayor desventaja de un autotransformador es que no tiene el aislamiento del devanado primario / secundario de un transformador convencional de doble bobina.

La sección del devanado designada como la parte primaria del devanado está conectada a la fuente de alimentación de CA y el secundario forma parte de este devanado primario. También se puede utilizar un autotransformador para aumentar o disminuir la tensión de alimentación invirtiendo las conexiones. Si el primario es el devanado total y está conectado a una fuente de alimentación, y el circuito secundario está conectado a través de solo una parte del devanado, entonces la tensión secundaria se "reduce" tal como se ve en la siguiente imagen.

¿Qué ocurre en el diseño de un autotransformador?

Cuando la corriente primaria I_P fluye a través del devanado único en la dirección de la flecha como se muestra, la corriente secundaria I_S , fluye en la dirección opuesta. Por lo tanto, en la porción del devanado que genera la tensión secundaria V_S la corriente que fluye hacia fuera del devanado es la diferencia de I_P y I_S .

El autotransformador también se puede construir con más de un solo punto de toma. Los autotransformadores pueden utilizarse para proporcionar diferentes puntos de voltaje a lo largo de su devanado o aumentar su voltaje de suministro con respecto a su voltaje de suministro V_P como se muestra.

Autotransformador con múltiples puntos de toma

El método estándar para marcar los devanados de un autotransformador es etiquetarlo con letras mayúsculas. Entonces, por ejemplo, A , B , Z , etc. Para identificar el suministro final en general, la conexión neutra común se marca como N o n . Para las tomas secundarias, los números de sufijo se utilizan para todos los puntos de toma a lo largo del devanado primario de los autotransformadores. Estos números generalmente comienzan en el número “ 1 ” y continúan en orden ascendente para todos los puntos de toque como se muestra.

Forma de marca las terminales de un autotransformador

Un autotransformador se utiliza principalmente para los ajustes de voltajes de línea para cambiar su valor o para mantenerlo constante. Si el ajuste de voltaje es en una pequeña cantidad, ya sea hacia arriba o hacia abajo, entonces la relación del transformador es pequeña, ya que VP y VS son casi iguales. Las corrientes IP e IS también son casi iguales.

Por lo tanto, la parte del devanado que lleva la diferencia entre las dos corrientes puede hacerse a partir de un tamaño de conductor mucho más pequeño, ya que las corrientes son mucho más pequeñas que el ahorro en el costo de un transformador equivalente de doble bobina.

Sin embargo, la regulación, la inductancia de fuga y el tamaño físico (ya que no existe un segundo devanado) de un autotransformador para una clasificación de VA o KVA dada son menores que para un transformador de doble herida.

Los autotransformadores son claramente mucho más baratos que los transformadores convencionales de doble bobina de la misma clasificación de VA. Cuando se decide utilizar un autotransformador, es habitual comparar su costo con el de un tipo de doble herida equivalente.

La aplicación de ambos, tanto para los transformadores de doble herida y automático, es la misma. Para aumentar o disminuir la tensión disponible (tensión de alimentación de entrada) según el requisito.

Sin embargo, hay otro tipo de transformador de “doble herida” que se utiliza especialmente, solo para separar el ruido y las fallas en la alimentación entrante, de modo que no afecte o dañe el equipo sensible conectado a él

Regresando al tema sobre la comparación de un autotransformador y los transformadores convencionales, en cuestión de precios económicos tenemos que comparar un autotransformador con uno de doble herida, ¿y cómo lo comparamos?

Bien, esto se hace comparando la cantidad de cobre ahorrado en el devanado. Si la relación "n" se define como la relación entre el voltaje más bajo y el voltaje más alto, entonces se puede mostrar que el ahorro en cobre es: n * 100%. Por ejemplo, el ahorro en cobre para los dos autotransformadores sería:

Ejemplo resuelto de Autotransformadores

Veamos el siguiente problema:

Solución:

Despejando a I1

Sustituyendo

El ahorro económico

Conclusión: Por lo tanto, la corriente primaria es de 45,4 amperios, la corriente secundaria consumida por la carga es de 40 amperios y 5,4 amperios fluyen a través del devanado común. La economía del cobre es del 88%.

Desventajas de un autotransformador

❌ La principal desventaja de un autotransformador es que no tiene el aislamiento del devanado primario a secundario de un transformador convencional de doble bobina. Entonces, un autotransformador no se puede usar de manera segura para reducir voltajes más altos a voltajes mucho más bajos adecuados para cargas más pequeñas

❌ Si el devanado del lado secundario se abre en circuito, la corriente de carga deja de fluir a través del devanado primario, lo que detiene la acción del transformador, lo que hace que se aplique la tensión primaria completa a los terminales secundarios.

❌ Si el circuito secundario sufre una condición de cortocircuito, la corriente primaria resultante sería mucho más grande que un transformador equivalente de doble devanado debido a que el enlace de flujo incrementado daña el autotransformador.

❌ Dado que la conexión neutra es común tanto para el devanado primario como para el secundario, la conexión a tierra del devanado secundario automáticamente es la primaria, ya que no hay aislamiento entre los dos devanados. Los transformadores de doble herida se usan a veces para aislar equipos de la tierra.

El autotransformador tiene muchos usos y aplicaciones, incluido el arranque de motores de inducción, que se utiliza para regular el voltaje de las líneas de transmisión, y se puede usar para transformar voltajes cuando la relación primaria-secundaria está cerca de la unidad.

También se puede hacer un autotransformador a partir de transformadores convencionales de dos devanados al conectar los devanados primario y secundario en serie y, dependiendo de cómo se realice la conexión, la tensión secundaria puede sumarse o restarse de la tensión primaria.

Autotransformador Variable

Además de tener un secundario fijo o con derivación que produce una salida de voltaje a un nivel específico, existe otra aplicación útil del tipo de arreglo de autotransformador que se puede usar para producir un voltaje de corriente alterna variable a partir de un suministro de CA de voltaje fijo. Este tipo de autotransformador variable se usa generalmente en laboratorios y laboratorios de ciencias e ingeniería en escuelas y colegios y se conoce más comúnmente como Variac

Seguramente ya has escuchado hablar de este dispositivo, en dado caso que no. Veamos más a fondo que podemos encontrar en un Variac.

La construcción de un autotransformador variable, o variac, es la misma que para el tipo fijo. Se utiliza un solo devanado primario enrollado alrededor de un núcleo magnético laminado como en el autotransformador, pero en lugar de fijarse en un punto de toma predeterminado, la tensión secundaria se toma a través de un cepillo de carbón.

Este cepillo de carbón se gira o permite que se deslice a lo largo de una sección expuesta del devanado primario, haciendo contacto con él mientras se mueve, suministrando el nivel de voltaje requerido.

El autotransformador variable contiene una toma variable en forma de escobilla de carbón que se desliza hacia arriba y hacia abajo en el devanado primario que controla la longitud del devanado secundario y, por lo tanto, la tensión de salida secundaria es completamente variable desde el valor del voltaje de alimentación principal hasta llegar incluso a los cero volts.

El autotransformador variable generalmente se diseña con un número significativo de devanados primarios para producir un voltaje secundario que se puede ajustar desde unos pocos volts hasta fracciones de voltio por vuelta. Esto se logra porque el cepillo de carbono o el control deslizante están siempre en contacto con una o más vueltas del devanado primario. A medida que la bobina primaria gira espaciada uniformemente a lo largo de su longitud. Entonces la tensión de salida se vuelve proporcional a la rotación angular.

Diseño de un autotransformador variable

Podemos ver que el variac puede ajustar el voltaje a la carga suavemente desde cero hasta el voltaje de alimentación nominal. Si la tensión de alimentación fue captada en algún punto a lo largo del devanado primario, entonces potencialmente la tensión secundaria de salida podría ser más alta que la tensión de alimentación real. Los autotransformadores variables también pueden usarse para regular las luces y cuando se usan en este tipo de aplicación, a veces se les llama "reguladores por potenciómetros", tal como se regulaban las radios más viejas.

Los Variacs también son muy útiles en los talleres y laboratorios de electricidad y electrónica, ya que pueden utilizarse para proporcionar un suministro de CA variable. Pero se debe tener precaución con una protección de fusible adecuada para garantizar que no haya una mayor tensión de alimentación en los terminales secundarios en condiciones de falla.

El autotransformador tiene muchas ventajas sobre los transformadores convencionales de doble herida. En general, son más eficientes para la misma calificación de VA, son más pequeños en tamaño y, como requieren menos cobre en su construcción, su costo es menor en comparación con los transformadores de doble herida de la misma calificación de VA. Además, sus pérdidas de núcleo y cobre son menores debido a una menor resistencia y reactancia de fugas, lo que proporciona una regulación de voltaje superior a la del transformador equivalente de dos devanados.