Un autotransformador es un transformador eléctrico con un solo devanado . El prefijo " auto " (griego para "self") se refiere a la bobina simple que actúa sola, no a ningún tipo de mecanismo automático . En un autotransformador, partes del mismo devanado actúan como lados del devanado primario y secundario del transformador. Por el contrario, un transformador ordinario tiene devanados primario y secundario separados que no tienen un camino conductor metálico entre ellos.
El devanado del autotransformador tiene al menos tres tomas donde se realizan las conexiones eléctricas. Dado que parte del devanado tiene "doble función", los autotransformadores tienen la ventaja de ser a menudo más pequeños, más ligeros y más baratos que los típicos transformadores de doble devanado, pero la desventaja de no proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos primarios y secundarios. Otras ventajas de los autotransformadores incluyen una menor reactancia de fuga , menores pérdidas, menor corriente de excitación y una mayor clasificación de VA para un tamaño y masa determinados. [1]
Un ejemplo de una aplicación de un autotransformador es un estilo de convertidor de voltaje de viajero, que permite usar dispositivos de 230 voltios en circuitos de suministro de 120 voltios, o al revés. Se puede aplicar un autotransformador con múltiples derivaciones para ajustar el voltaje al final de un circuito de distribución largo para corregir el exceso de caída de voltaje; cuando se controla automáticamente, este es un ejemplo de un regulador de voltaje .
Operación
Un autotransformador tiene un solo devanado con dos terminales terminales y uno o más terminales en los puntos de derivación intermedios. Es un transformador en el que las bobinas primaria y secundaria tienen en común parte de sus espiras. La parte del devanado compartida por el primario y el secundario puede denominarse, y a menudo se denomina, "Sección común". La parte del devanado no compartida por el primario y el secundario puede denominarse, y a menudo, 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. [2]
Dado que los voltios por vuelta es el mismo en ambos devanados, cada uno desarrolla un voltaje en proporción 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. como requiriendo un solo devanado. [3] Sin embargo, la relación de voltaje y corriente de los autotransformadores se puede formular de la misma manera que otros transformadores de dos devanados: [1]
- (0 < V 2 < V 1 )
Los amperios-vueltas proporcionados por la sección en serie del devanado:
Los amperios-vueltas proporcionados por la sección común del devanado:
Para el balance de amperios-vuelta, F S = F C :
Por lo tanto:
Un extremo del devanado generalmente está conectado en común tanto a la fuente de voltaje 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 voltajes, medidos desde el extremo común. En un transformador reductor, la fuente generalmente está conectada a través de todo el devanado, mientras que la carga está conectada por una toma a través de solo una parte del devanado. En un transformador elevador, a la inversa, la carga se conecta a través del devanado completo mientras que la fuente está conectada a un grifo en una parte del devanado. Para un transformador elevador, los subíndices en las ecuaciones anteriores se invierten donde, en esta situación, N2 y V2 son mayores que N1 y V1, respectivamente.
Como en un transformador de dos devanados, la relación entre los voltajes secundarios y primarios es igual a la relación entre el número de vueltas del devanado al que se conectan. Por ejemplo, conectar la carga entre el medio del devanado y el extremo del terminal común del devanado del autotransformador dará como resultado que el voltaje de carga de salida sea el 50% del voltaje primario. Dependiendo de la aplicación, esa porción del devanado que se usa únicamente en la porción de voltaje más alto (corriente más baja) puede enrollarse con un cable de menor calibre, aunque todo el devanado está conectado directamente.
Si uno de los grifos centrales se usa para el suelo, entonces el autotransformador puede usarse como un balun para convertir una línea balanceada (conectada a los dos grifos finales) en una línea no balanceada (el lado con el suelo).
Limitaciones
Un autotransformador no proporciona aislamiento eléctrico entre sus devanados como lo hace un transformador ordinario; si el lado neutral de la entrada no está a voltaje de tierra, el lado neutral de la salida tampoco lo estará. Una falla en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede resultar en una tensión de entrada total aplicada a la salida. Además, una ruptura en la parte del devanado que se utiliza como primario y secundario dará como resultado que el transformador actúe como un inductor en serie con la carga (lo que, en condiciones de carga ligera, puede resultar en la aplicación de un voltaje de entrada casi total a la salida. ). Estas son consideraciones de seguridad importantes a la hora de decidir utilizar un autotransformador en una aplicación determinada. [4]
Debido a que requiere menos devanados y un núcleo más pequeño, un autotransformador para aplicaciones de energía es típicamente más liviano y menos costoso que un transformador de dos devanados, hasta una relación de voltaje de aproximadamente 3: 1; más allá de ese rango, un transformador de dos devanados suele ser más económico. [4]
En aplicaciones de transmisión de potencia trifásica , los autotransformadores tienen las limitaciones de no suprimir 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. [4]
En la práctica, las pérdidas significan que tanto los transformadores estándar como los autotransformadores no son perfectamente reversibles; uno diseñado para reducir un voltaje entregará un voltaje ligeramente menor que el requerido si se usa para aumentar. La diferencia suele ser lo suficientemente pequeña como para permitir la inversión donde el nivel de voltaje real no es crítico.
Al igual que los transformadores de devanados múltiples, los autotransformadores utilizan campos magnéticos que varían en el tiempo para transferir energía. Requieren corrientes alternas para funcionar correctamente y no funcionarán 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.
Aplicaciones
Transmisión y distribución de energía
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 maquinaria construida (por ejemplo) para suministros de 480 V para operar con un suministro de 600 V. También se utilizan a menudo para proporcionar conversiones entre las dos bandas de voltaje de la 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 son normalmente autotransformadores trifásicos con tomas en el extremo neutro común.
En líneas largas de distribución de energía rural, 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 que están más cerca de la fuente. La relación variable del autotransformador compensa la caída de voltaje a lo largo de la línea.
Se utiliza una forma especial de autotransformador llamado zigzag para proporcionar conexión a tierra en sistemas trifásicos que de otra manera no tienen conexión a tierra. Un transformador en zig-zag proporciona una ruta para la corriente que es común a las tres fases (la llamada corriente de secuencia cero ).
Sistema de audio
En aplicaciones de audio, los autotransformadores con tomas se utilizan para adaptar los altavoces a sistemas de distribución de audio de voltaje constante y para igualar la impedancia , como entre un micrófono de baja impedancia y una entrada de amplificador de alta impedancia.
Vias ferreas
En aplicaciones ferroviarias, es común alimentar los trenes a 25 kV de CA. Para aumentar la distancia entre los puntos de alimentación de la red eléctrica, pueden disponerse para suministrar una alimentación de fase dividida de 25-0-25 kV con el tercer cable (fase opuesta) fuera del alcance del pantógrafo colector aéreo del tren. El punto de 0 V del suministro está conectado al riel mientras que un punto de 25 kV está conectado al cable de contacto aéreo. A intervalos frecuentes (alrededor de 10 km), un autotransformador une el cable de contacto al riel y al segundo conductor de suministro (antifase). Este sistema aumenta la distancia de transmisión utilizable, reduce la interferencia inducida en el equipo externo y reduce los costos. Ocasionalmente se ve una variante en la que el conductor de suministro tiene un voltaje diferente al cable de contacto con la relación del autotransformador modificada para adaptarse. [5]
Arrancador de autotransformador
Los autotransformadores se pueden utilizar como método de motores de inducción de arranque suave . Uno de los diseños más conocidos de estos arrancadores es el arrancador y los detectores de rayos X de Korndörfer .
Autotransformadores variables
Al exponer parte de las bobinas y hacer 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 se limita 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. [6] La resistencia relativamente alta del cepillo también evita que actúe como una vuelta en cortocircuito cuando entra en contacto con dos vueltas adyacentes. Por lo general, la conexión primaria se conecta solo a 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 utilice para probar equipos eléctricos en los límites de su rango de voltaje especificado.
El ajuste del voltaje de salida puede ser manual o automático. El tipo manual es aplicable solo para voltaje relativamente bajo y se conoce como un transformador de CA variable (a menudo denominado por el nombre comercial Variac). Estos se utilizan a menudo en talleres de reparación para probar dispositivos con diferentes voltajes o para simular voltajes 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 atenuador de iluminación que no produce la EMI típica de la mayoría de atenuadores de tiristores .
Marca comercial Variac
De 1934 a 2002, Variac fue una marca comercial estadounidense de General Radio para un autotransformador variable destinado a variar convenientemente el voltaje de salida para un voltaje de entrada de CA constante. En 2004, Instrument Service Equipment solicitó y obtuvo la marca comercial Variac para el mismo tipo de producto. [7]
Ver también
- Balun
- Electromagnetismo
- Ley de inducción de Faraday
- Bobina de encendido
- Inductor
- Campo magnético
Referencias
- ↑ a b Sen, PC (1997). Principios de máquinas eléctricas y electrónica de potencia . John Wiley e hijos. pag. 64. ISBN 0471022950.
- ^ Pansini, Anthony J. (1999). Transformadores eléctricos y equipos de potencia (3ª ed.). Fairmont Press. págs. 89–91. ISBN 9780881733112.
- ^ "Sitio comercial que explica por qué los autotransformadores son más pequeños" . Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2013 . Consultado el 19 de septiembre de 2013 .
- ^ a b c Fink, Donald G .; Beaty, H. Wayne (1978). Manual estándar para ingenieros eléctricos (undécima ed.). Nueva York: McGraw-Hill. págs. 10-44, 10-45, 17-39. ISBN 0-07-020974-X.
- ^ Fahrleitungen elektrischer Bahnen [ Líneas de contacto para ferrocarriles eléctricos ] (en alemán). Stuttgart: BG Teubner-Verlag. 1997. p. 672. ISBN 9783519061779.Una edición en inglés "Líneas de contacto para ferrocarriles eléctricos" parece estar agotada. Este texto estándar de la industria describe los diversos principios de electrificación europeos. Consulte el sitio web de la UIC en París para conocer los estándares ferroviarios internacionales relevantes, en inglés. No parece que existan publicaciones comparables para los ferrocarriles estadounidenses, probablemente debido a la escasez de instalaciones electrificadas allí.
- ^ Bakshi, MV; Bakshi, UA Máquinas Eléctricas - I . Pune: Publicaciones técnicas. pag. 330. ISBN 81-8431-009-9.
- ^ http://tsdr.uspto.gov/#caseNumber=76573123&caseType=SERIAL_NO&searchType=documentSearch
Otras lecturas
- Croft, Terrell; Summers, Wilford, eds. (1987). Manual de electricistas estadounidenses (undécima ed.). Nueva York: McGraw Hill. ISBN 0-07-013932-6.