Autotransformadores

Un autotransformador es un transformador especial que para cada fase tiene un único devanado que actúa a la vez de primario y secundario, esto se debe a su pequeño valor de tensión relativa de cortocircuito Ecc . El autotransformador utiliza un solo bobinado por fase, por lo tanto se pierde el aislamiento eléctrico entre los circuitos primario y secundario

Fig. 1 ESQUEMA DE UN AUTOTRANSFORMADOR

Donde U1 es la tensión primaria y U2 es la tensión secundaria.

En esencia el autotransformador se caracteriza por poseer un solo circuito eléctrico, del cual parten cuatro salidas, dos primarias A y B y dos secundarias C y B (Fig. 2). Entre las bornas 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 trozo 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.

Fig. 2 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 bornas 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 (Fig. 2). 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 salidas, 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.

Principio de Funcionamiento

Aprovechar el devanado del primario como base para elevar la referencia de voltaje del devanado secundario es el principio del autotransformador. La única conexión entre el devanado primario y el secundario de un transformador convencional es el campo magnético que los enlaza, entre ellos no existe conexión galvánica. En la transformación por variación del flujo lo que se obtiene es una “diferencia de potencial” entre los extremos de la bobina inducida. En ningún momento las ecuaciones hablan de una diferencia de potencial entre cualquiera de los bornes y algún otro punto, en particular, con referencia al planeta tierra.

Una simple diferencia de potencial entre los extremos de una bobina se puede emplear del modo en que más convenga. Por ejemplo, un transformador de aislamiento es uno que tiene relación uno-a-uno (ambos lados tienen el mismo voltaje nominal), pero ninguno de los extremos del secundario está conectado a referencia alguna, por lo que el voltaje inducido está “flotando” respecto a tierra. Otro ejemplo lo veremos en los transformadores trifásicos con el secundario conectado en “delta”, donde no se establece claramente una diferencia de potencial de las fases, respecto a tierra y por lo tanto pudiera permitirse el contacto de cualquiera de los conductores (fases) con tierra y no habría falla eléctrica (hay consideraciones adicionales, pero el principio general es válido).

Volviendo al caso del autotransformador, sabiendo que la bobina del secundario está “flotando”, se conecta uno de sus extremos (bobina secundaria) al voltaje de fase del primario. De este modo, el voltaje Vsec que se obtiene en el otro extremo del secundario será el voltaje del primario  V1 (referencia de voltaje para la bobina del secundario) más el voltaje inducido en el secundario V2 (producido por el enlace entre los flujos), es decir  Vsec = V1 + V2. Ver la conexión en la gráfica siguiente:

La conveniencia obvia de estos aparatos es que reducen apreciablemente la cantidad de hierro requerido en el núcleo, ya que sólo hace falta flujo magnético para producir un voltaje inducido en el secundario: el grueso de la potencia pasa a través de la conexión galvánica. Debe quedar claro además que la relación de transformación debe ser grande (el efecto es aprovechable sólo con un gran valor de relación de voltajes, para N1/N2 > 5 o más), justamente porque un núcleo reducido se saturaría si se utilizara para conducir toda la potencia a través del flujo magnético, tal cual ocurriría entre bobinas de un transformador convencional. Lo que se maneja en un autotransformador es la posibilidad de elevar o reducir el voltaje, no de transmitir la potencia.

La aplicación típica de estos equipos es para “modificar un poco” el voltaje por tramos en sistemas de transmisión muy largos, en donde la caída debido a las grandes distancias pudiera ser un problema de diseño (también se utilizan como elevadores o reductores en los extremos de las líneas). La línea de transmisión se divide en secciones con un autotransformador al final que compensa la caída de cada tramo (≈ 5%), en lugar de tener que utilizar un conductor de mayor calibre para lograr el mismo efecto cuando se cubre la distancia en un solo tramo (costo por calibre del conductor versus costo de los autotransformadores). Otra ventaja es que se puede extraer parte de la potencia que se transmite por un sistema troncal de transmisión con solo añadir un devanado “terciario”, de poca potencia, que sirva para alimentar cargas cercanas a la línea, locales, sin los costos asociados a un sistema de transformación tradicional.

Funcionamiiento del Autotransformador

Funcionamiento en Vacío: Un autotransformador funciona en vacío cuando, estando abierto el circuito secundario, existe la tensión  nominal entre las bornas primarias. Así en el autotransformador monofásico de la Fig. 2, funciona en vacío y entre las bornas 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. 

m = N1 /N2

Se da el nombre de relación de transformación de un autotransformador, al cociente de los números de espiras, total y secundario. También es interesante saber qué número de voltios por espira de un transformador o de un autotransformador:

Vesp = (V1 / N1) = (V2 / N2) 

Funcionamiento en Carga: Un autotransformador monofásico funciona en carga, cuando se conecta entre las bornas secundarias B  y C un circuito exterior (Fig. 3). 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.

Fig. 3 AUTOTRANSFORMADOR EN CARGA

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 bornas 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. I1 = N1. I1

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.

Diferencias entre un Transformador y un Autotransformador

La principal diferencia entre ambos es que en un transformador normal los dos devanados de una fase están aislados entre sí, son circuitos que están ligados a través de un campo magnético, pero eléctricamente están separados; mientras que un autotransformador no existe aislamiento entre los circuitos primario y secundario de cada fase, es decir no existe separación galvánica.

Ventajas y Desventajas de un Autotransformador

La  gran  ventaja  que   se    consigue     con    el     empleo    de  los 
autoransformadores, que consiste en que su núcleo es más pequeño que el de un transformador de igual potencia. Esta ventaja es tanto mayor cuanto más próximos son los valores de las tensiones primaria y secundaria.

El mayor inconveniente del autotransformador consiste en el hecho de que ambos circuitos, primario y secundario, tienen un punto común (el puente de conexión), lo que entraña la posibilidad de que, por error o avería en la línea de alta tensión, el valor de ésta se comunique a la línea de baja tensión, con los peligros subsiguientes, si los aislamientos de la red de baja no están previstos para la alta tensión.

Aplicaciones de los Autotransformadores

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 o 138 kV / 66 kV). En la industria, se utilizan para conectar maquinaria fabricada para tensiones nominales diferentes a la de la fuente (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 autotransformadores 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.

Se utilizan también como método de arranque suave para motores de inducción tipo jaula de ardilla, las 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, hasta llegar al voltaje de la red (cuando la relación de tomas es 1:1).

Linitaciones de un Autotransformador

Una falla en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede producir que la carga quede expuesta a recibir plena tensión (la de la fuente). Se debe tener en cuenta esta situación al decidir utilizar un autotransformador para una determinada aplicación. Las ventajas en ahorro de material (tanto en los devanados como en el núcleo) tienen una limitación física, que en la práctica es una relación de voltajes de 3:1. Para relaciones de tensión mayores a ésta, o bien el transformador convencional de dos devanados es más compacto y económico, o bien resulta imposible construir el autotransformador. 

En sistemas de transmisión de energía eléctrica, los auto transformadores tienen la desventaja de no filtrar el contenido armónico de las corrientes y de actuar como otra fuente de corrientes de falla a tierra. Sin embargo, existe una conexión especial, llamada “conexión en Zigzag”, que se emplea en sistemas trifásicos para abrir el camino de retorno a la corriente de tierra que de otra manera no sería posible lograr, manteniendo la referencia de tierra del sistema.