• Author / Uploaded
• Jorge Lopez

Citation preview

Autotransformador 1. INTRODUCCIÓN

Un autotransformador es simplemente un transformador ordinario que tiene los arrollamientos primario y secundario conectados en serie. Las dos bobinas son alimentadas desde una fuente de tensión mientras que la carga se conecta a una de las bobinas o viceversa. Sus funciones son análogas a las de un transformador, la de transformar (reflejar) tensiones, corrientes e impedancias.  EL AUTOTRANSFORMADOR IDEAL Suponemos la no existencia de flujos de dispersión Despreciamos la resistencia de las bobinas : R1= R2 ≅ 0 ℜ→Reluctancia del circuito magnético nula ⇒ ℜ= 0 (μ→∞). 1) Aplicamos las Ley de Faraday: −)𝐸1 = 4,44𝑥𝑁1 𝑓 ∅ 𝑚 −)𝐸2 = 𝑉2 = 4,44𝑥𝑁2 𝑓𝜙𝑚 −)

𝐸1 𝑁1 𝐸1 + 𝑉2 𝑁1 + 𝑁2 = ↔ = 𝑣2 𝑁2 𝑉2 𝑁2

−)𝐸1 + 𝑉2 = 𝑉1 −)

𝑉1 𝑁1 + 𝑁2 = = 𝑎𝐴 𝑉2 𝑁2

aA = relación de transformación del autotransformador. La reluctancia del núcleo es cero aplicando la sumatoria de fuerzas magnetomotrices en el circuito determinamos la fuerza magnetomotriz resultante de las dos bobinas y tendrá que ser teóricamente nula.

La Impedancia equivalente del autotransformador vista desde la entrada será:

La Impedancia de carga será:

Las ecuaciones son idénticas a las obtenidas para el transformador ideal, luego podemos establecer una analogía.



CIRCUITOS EQUIVALENTES DEL AUTRANSFORMADOR REAL

La admitancia de excitación se halla con la prueba de circuito abierto. La impedancia de dispersión se halla mediante la prueba de cortocircuito. 

PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO

(A) = Ioc = corriente de excitación (W) = Poc = pérdidas en el núcleo (V) = Vn = tensión nominal



PRUEBA DE CORTOCIRCUITO

(A) = IN1 = ISC = corriente nominal (W) = Pcu = PSC = pérdidas en el cobre (V)=VCC1=VSC=tensión de cortocircuito



EL TRANSFORMADOR ORDINARIO COMO AUTOTRANSFORMADOR

Las relaciones de transformación son diferentes. Las corrientes IN1 e IN2 de los arrollamientos son iguales en ambas configuraciones. ST = potencia aparente del transformador SA= potencia aparente del autotransformador IN1=ST/VN1, IN2=ST/VN2 Funcionando como autotransformador las corrientes IN1 e IN2 podrían siempre recorrer los arrollamientos.

La potencia aparente del autotransformador será:

La eficiencia del autotransformador mejora:

La tensión de cortocircuito VCC y la Zeq1 son iguales en ambas consideraciones, pero la impedancia porcentual baja.

La regulación es directamente proporcional a la impedancia equivalente porcentual.

La corriente de excitación permanecerá igual si se alimenta el autotransformador desde el secundario.

Si se alimenta por el primario las corrientes de excitación serán diferentes.

La potencia total puede considerarse formada de dos partes que son: SC= PC =VN2IN1 = voltamperios transferidos conductivamente a la carga Si = Pi = VN2IN2 = voltamperios transferidos inductivamente a la carga 2. ¿QUÉ ES UN AUTOTRANSFORMADOR? Un autotransformador es un transformador especial ya que tiene un único devanado que actúa a la vez de primario y de secundario. 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. En otras palabras, serían dos bobinados conectados de tal manera que tienen dos de sus cuatro bornes accesibles conectados en común. Esto se puede ver en la imagen.

La relación de transformación de un autotransformador es la relación entre el número de vueltas del devanado completo (serie + común) y el número de vueltas del devanado común. Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puede obtener una tensión de salida (en el devanado “común”) igual a la mitad del de la fuente (o viceversa). Dependiendo de la aplicación, la porción del devanado que se utiliza sólo para el circuito de alta tensión se puede fabricar con alambre de menor calibre (puesto que requiere menos corriente) que la porción del devanado común a ambos circuitos.

En un transformador, las definiciones de primario y secundario son:

V 1: Tensión en el devanado primario i 1: Corriente en el devanado primario V 2: Tensión en el devanado secundario i 2 : Corriente en el devanado secundario

Al conectarlo como autotransformador, hay que redefinir primario y secundario como: V H : Tensión en el primario (devanado serie + común) V X : Tensión en el secundario (devanado común) i H : Corriente en el primario (devanado serie + común) i X : Corriente en el secundario (devanado común) Comparando ambas posibilidades de conexión, se observa que se cumplen las siguientes relaciones: VH=V1+V2 VX=V2 iX=i1+i2 iH=i1 Pero: V 1 = ( N 1/ N 2 ) *V 2 V H = ( N 1/ N 2 + 1 )* V 2 V H = ( (N 1 + N 2)/ N 2 ) *V X Despreciando la rama en paralelo: i H = i 1 = ( N 2 /N 1 )* i 2

i X = i H + i 2 = ( N 2/ N 1 )* i 2 + i 2 = ( N 2/ N 1 + 1 )* i 2 i H = ( N 2/( N 1 + N 2 ))* i X Con respecto a la potencia, para el transformador se cumple que: S = V 1* i 1 o bien, despreciando las pérdidas,

S = V 2* i 2

La potencia al conectarlo como autotransformador es: S ′ = V H* i H o bien, despreciando las pérdidas, S ′ = V X* i X si se sustituyen los valores y se agrupa correctamente, se obtiene: S ′ = ( N 2 /N 1 + 1 ) *S

Por lo tanto, al conectar un transformador como autotransformador, este aumenta su capacidad para transferir potencia en una proporción determinada por la relación de transformación de la conexión como transformador. La implicación directa de esta deducción matemática es que para transferir la misma cantidad de potencia entre dos circuitos, un autotransformador es de menor tamaño que un transformador equivalente. Otras ventajas son: menor corriente magnetizante y mejor factor de potencia.

3. FUNCIONAMIENTO Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, por lo que no pueden ser utilizados en circuitos de corriente continua. Para reducir al mínimo las pérdidas en el núcleo debidas a corrientes de Foucault y a la histéresis magnética, se suele utilizar acero eléctrico, laminado en finas chapas que luego se apilan y compactan. Las láminas del núcleo así construido se orientan haciendo coincidir la dirección del flujo magnético con la dirección de laminación, donde la permeabilidad magnética es mayor. La relación de transformación de un autotransformador es la relación entre el número de vueltas del devanado completo (serie + común) y el número de vueltas del devanado común. Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puede obtener una tensión de salida (en el devanado "común") igual a la mitad del de la fuente (o viceversa). Dependiendo de la aplicación, la porción del devanado que se utiliza solo para el circuito de alta tensión se puede fabricar con alambre de menor calibre (puesto que requiere menos

corriente) que la porción del devanado común a ambos circuitos; de esta manera la máquina resultante es aún más económica.

4. TIPOS 

AUTOTRANSFORMADOR REDUCTOR

Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de salida entre los puntos C y D, se dice que el autotransformador es reductor de tensión.

Fig. Autotransformador reductor Relación de vueltas Ns / Np < 1 

AUTOTRANSFORMADOR ELEVADOR

Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de salida entre los puntos A y B, se dice que el autotransformador es elevador de tensión.

Fig. Autotransformador Elevador Relación de vueltas Ns / Np > 1

5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 

VENTAJAS:

 Entre sus ventajas tenemos que destacar el bajo precio económico frente a un transformador normal con idénticas especificaciones técnicas. Esto en lo que se refiere a lo económico, en cuanto al rendimiento propiamente dicho, hay que reseñar las siguientes ventajas:  Menos corriente. El autotransformador necesita menos cantidad de corriente para generar el flujo en el núcleo.  La potencia. El autotransformador genera más potencia que un transformador normal de especificaciones similares.  Eficiencia. El autotransformador es más eficiente (mejor rendimiento) que un transformador normal, con potencias parecidas.



DESVENTAJAS:

 En cuanto a los inconvenientes, cabe reseñar la pérdida de aislamiento eléctrico entre la tensión del primario y la tensión del secundario.  Los autotransformadores se pueden utilizar del mismo modo que los transformadores convencionales, es decir, tienen las mismas utilidades. Asimismo, los transformadores convencionales o de dos bobinas se pueden convertir en autotransformadores si se conectan de determinadas formas. 6. APLICACIONES:  Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia, para interconectar circuitos que funcionan a voltajes diferentes, pero en una relación cercana a 2:1 (por ejemplo, 400 kV / 230 kV ó 138 kV/66 kV).

Fig autotrasnformador  En la industria, se utilizan para conectar maquinaria fabricada para tensiones nominales diferentes a la de la fuente de alimentación (por ejemplo, motores de 480 V conectados a una alimentación de 600 V). Se utilizan también para conectar aparatos electrodomésticos y cargas menores en cualquiera de las dos alimentaciones más comunes a nivel mundial (100-130 V a 200-250 V).

En sistemas de distribución rural, donde las distancias son largas, se pueden utilizar auto transformadores especiales con relaciones alrededor de 1:1, aprovechando la multiplicidad de tomas para variar el voltaje de alimentación y así compensar las apreciables caídas de tensión en los extremos de la línea.

Fig autotransformador de distribucion  Se utilizan autotransformadores también como método de arranque suave para motores de inducción tipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandar una alta corriente durante el arranque. Si se alimenta el motor conectándolo a la toma menor de un autotransformador, el voltaje reducido de la alimentación resultará en una menor corriente de arranque y por lo tanto en condiciones más seguras de operación, tanto para el motor como para la instalación eléctrica. Una vez que el motor ha alcanzado suficiente velocidad, se puede ir aumentando el voltaje de alimentación (en tantos pasos como tomas posea el autotransformador) gradualmente, en forma manual o automática, hasta llegar al voltaje de la red (cuando la relación de tomas es 1:1)

Fig autotransformador de arranque suave para motores  En sistemas ferroviarios de Alta velocidad existen métodos de alimentación duales tales como el conocido por 2x25 kV. En este, los transformadores de las subestaciones alimentan a +25 kV a la catenaria, a -25 kV (en realidad 25 kV desfasados 180º) al alimentador negativo y con la toma intermedia o neutra puesta al carril. Cada cierto tiempo, 10 km típicamente, se conectan auto transformadores con 50 kV en el primario y 25 kV en el secundario. De esta manera, la carga se encuentra alimentada a 25 kV entre catenaria y carril, pero la energía se transporta a 50 kV, reduciendo las pérdidas

Fig Autotransformador para sistema ferroviarios 7. PLACA CARACTERISTICA DE UN TRANSFORMADOR La placa de características de un transformador es un documento de identidad donde se encuentran los datos o variables que la identifican. Cada máquina eléctrica debe estar provista de una placa de características. Las placas deben estar hechas de un material durable y montadas con la seguridad suficiente para soportar las condiciones a las que se verá sometida durante el funcionamiento.

7.1 COMPONENTES DE UNA PLACA CARACTERISTICA





Fases: Se refiere a la fase que está estructurado el transformador, pudiendo ser por ejemplo de 3 fases(trifásico). KVA o Potencia Nominal: Es la potencia a la que se encuentra diseñado el transformador para trabajar a plena carga. Sin embargo, es conveniente recordar que se recomienda operar los transformadores entre un 70% y 80% de su capacidad nominal.



Frecuencia: Es la frecuencia para la cual está diseñado el equipo, su operación óptima se realizará solamente a este valor. El conectar un transformador a una frecuencia distinta a la de diseño ocasionara que este trabaje en forma inapropiada.



Número de Serie:

Este dato lo proporciona el fabricante para identificarlo en sus registros. Se utiliza en casos de garantías o para llevar un control del equipo en planta. Este dato es el identificador único del transformador. 

Tensión Nominal:

Es el voltaje nominal de diseño del transformador. Podrás encontrar dos voltajes en una placa de datos. El voltaje en alta tensión y el voltaje en baja tensión. Si en baja tensión encuentras dos valores del tipo 220/127, significa que entre dos líneas tendrás 220 Volts. Además, entre una fase y neutro obtendrás 127 Volts. Este es uno de los datos más importantes en la placa de datos de transformadores. 

Corriente Nominal:

Es la corriente con la que podrás cargar al transformador. Tiene también su corriente en baja tensión y su corriente en el lado de alta tensión. Siempre la corriente de alta tensión será menor que la corriente en baja tensión. Este es otro de los parámetros indispensables dentro de los datos de placa de transformadores. 

Masa:

Se refiere comúnmente al peso total del conjunto transformador, es decir, es la suma del peso del núcleo más las bobinas más el tanque más el aceite o liquido aislante. 

Porcentaje de Impedancia:

Es el porcentaje de impedancia del transformador. Es utilizado en cálculos de corto circuito. Mientras más grande sea la impedancia significa que las pérdidas del transformador serán mayores. 

Elevación de Temperatura:

Es el valor de diseño de temperatura del transformador. Mientras este valor se encuentre dentro del dato especificado el transformador debería operar normalmente dentro de su ciclo de vida estándar. 

Altitud:

Es la mayor altura en metros sobre el nivel del mar para la cual se ha diseñado el transformador. Este dato debería ser especificado al fabricante al momento de solicitar su equipo, sobre todo para zonas muy elevadas. 

Cantidad de Líquido Aislante:

Es la cantidad de litros de aceite con que debe llenarse el transformador para un adecuado funcionamiento. 

N.B.A.I.

Nivel básico de aislamiento al impulso. Las normativas de fabricación marcan los valores de voltaje que deben soportar los transformadores en fenómenos de transitorios según su tipo. Este dato puede encontrarse en alta tensión y en baja tensión.



Tipo de Refrigeración:

Es el método de refrigeración que utiliza el transformador para mantener la temperatura dentro de su límite permitido. El OA es el tipo de enfriamiento más común, significa aceite enfriado por convección natural. Es decir, por medio del aire circundante. 

Derivaciones:

Se refiere al cambiador de taps del transformador. Comúnmente se tienen cinco pasos y se encuentran instalados en el devanado de alta tensión. El número del paso seleccionado define el voltaje que ha de recibir el transformador en el lado de alta tensión para entregar el voltaje de diseño en la baja tensión. 

Diagrama vectorial o Diagrama de conexiones:

Es el tipo de conexión que se tiene internamente n el transformador. 

Fecha de Fabricación:

Es la fecha de manufactura del transformador. 

Norma de Diseño:

Nos indica bajo cuales especificaciones nacionales o internacionales se ha fabricado el transformador. 

Eficiencia:

Es la cantidad de energía activa aprovechada en el transformador. La diferencia de la unidad menos la eficiencia nos dará las pérdidas totales del transformador.

7.2 EJEMPLOS DE PLACAS CARACTERISTICAS DE UN TRANSFORMADOR:  Placa de un Transformador Monofásico:

 Placa de un Transformador Trifásico:

 Placa de un autotransformador:

8 Referencias bibliográficas: https://es.scribd.com/document/357874536/Informe-Final-AutotransformadorMonofasico https://unicrom.com/autotransformador/ https://www.trafomex.com.mx/placa-de-datos-de-transformadores/ http://ingenieriaelectricafravedsa.blogspot.com/2014/12/placa-de-caracteristicas-delas.html https://www.clubensayos.com/Ciencia/Placa-de-caracteristica-de-un-transformadortrifasico/4213201.html http://ensaio.org/universidade-tecnolgica-federal-do-paran.html?page=4