Autotransformador

En ingeniería eléctrica, un autotransformador es un transformador eléctrico con un solo devanado . El prefijo " auto " (del griego "self", que significa "propio") se refiere a que la bobina única actúa sola. En un autotransformador, partes del mismo devanado actúan como devanado primario y secundario del transformador. En cambio, un transformador convencional tiene devanados primario y secundario separados que no están conectados por una trayectoria conductora eléctrica entre ellos. ^{[ 1 ]}

El devanado del autotransformador tiene al menos tres conexiones eléctricas. Dado que parte del devanado cumple una doble función, los autotransformadores suelen ser más pequeños, ligeros y económicos que los transformadores típicos de doble devanado, pero presentan la desventaja de no proporcionar aislamiento eléctrico entre los circuitos primario y secundario. Otras ventajas de los autotransformadores incluyen una menor reactancia de fuga , menores pérdidas, menor corriente de excitación y una mayor potencia aparente (VA) para un tamaño y masa determinados. ^{[ 2 ]}

Un ejemplo de aplicación de un autotransformador es un tipo de convertidor de voltaje portátil que permite usar dispositivos de 230 voltios en circuitos de alimentación de 120 voltios, o viceversa. Un autotransformador con múltiples tomas puede utilizarse para ajustar el voltaje al final de un circuito de distribución largo y corregir una caída de voltaje excesiva; cuando se controla automáticamente, esto constituye un ejemplo de regulador de voltaje .

Un autotransformador tiene un solo devanado con dos terminales extremos y uno o más terminales en puntos de derivación intermedios. Es un transformador en el que las bobinas primaria y secundaria comparten parte de sus espiras. La porción del devanado compartida por ambas bobinas se denomina sección común. La porción del devanado no compartida por ambas bobinas se denomina sección en serie. La tensión primaria se aplica entre dos de los terminales. La tensión secundaria se toma de dos terminales, uno de los cuales suele ser común con un terminal de tensión primaria. ^{[ 3 ]}

Dado que el voltaje por vuelta es el mismo en ambos devanados, cada uno desarrolla un voltaje proporcional a su número de vueltas. En un autotransformador, parte de la corriente de salida fluye directamente de 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, ligero y económico, además de requerir un solo devanado. ^{[ 4 ]} Sin embargo, la relación de voltaje y corriente de los autotransformadores se puede formular de la misma manera que la de otros transformadores de dos devanados: ^{[ 2 ]}

$${\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}=a}$$

dónde${\displaystyle 0<V_{2}<V_{1}}$.

Las ampervueltas proporcionadas por la sección en serie del bobinado:

$${\displaystyle F_{S}=(N_{1}-N_{2})I_{1}=\left(1-{\frac {1}{a}}\right)N_{1}I_{1}}$$

Las ampervueltas proporcionadas por la sección común del devanado:

$${\displaystyle F_{C}=N_{2}(I_{2}-I_{1})={\frac {N_{1}}{a}}(I_{2}-I_{1})}$$

Para el equilibrio de amperios-vuelta,${\displaystyle F_{S}=F_{C}}$:

$${\displaystyle \left(1-{\frac {1}{a}}\right)N_{1}I_{1}={\frac {N_{1}}{a}}(I_{2}-I_{1})}$$

Por lo tanto:

$${\displaystyle {\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\frac {1}{a}}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}}$$

Un extremo del devanado se conecta generalmente en común tanto a la fuente de tensión como a la carga eléctrica . El otro extremo de la fuente y la carga se conecta a tomas a lo largo del devanado. Diferentes tomas en el devanado corresponden a diferentes tensiones, medidas desde el extremo común. En un transformador reductor, la fuente generalmente se conecta a través de todo el devanado, mientras que la carga se conecta mediante una toma a través de solo una parte del devanado. En un transformador elevador, por el contrario, la carga se conecta a través de todo el devanado, mientras que la fuente se conecta a una toma a través de una parte del devanado. Para un transformador elevador, los subíndices en las ecuaciones anteriores se invierten donde, en esta situación,${\displaystyle N_{2}}$y${\displaystyle V_{2}}$son mayores que${\displaystyle N_{1}}$y${\displaystyle V_{1}}$, respectivamente.

Al igual que en un transformador de dos devanados, la relación entre los voltajes secundario y primario es igual a la relación entre el número de espiras del devanado al que se conectan. Por ejemplo, al conectar la carga entre el centro del devanado y el terminal común del devanado del autotransformador, el voltaje de salida de la carga será el 50 % del voltaje primario. Según la aplicación, la parte del devanado utilizada exclusivamente para el voltaje más alto (corriente más baja) puede estar bobinada con un alambre de menor calibre, aunque todo el devanado esté conectado directamente.

Si una de las tomas centrales se utiliza para la toma de tierra, el autotransformador puede utilizarse como balun para convertir una línea balanceada (conectada a las dos tomas de los extremos) en una línea desbalanceada (el lado con la toma de tierra).

Un autotransformador no proporciona aislamiento eléctrico entre sus devanados como lo hace un transformador convencional; si el lado neutro de la entrada no está a tensión de tierra, el lado neutro de la salida tampoco lo estará. Un fallo en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede provocar que se aplique la tensión de entrada completa a la salida. Asimismo, una rotura en la parte del devanado que se utiliza como primario y secundario hará que el transformador actúe como un inductor en serie con la carga (lo que, en condiciones de carga ligera, puede provocar que se aplique casi la tensión de entrada completa a la salida). Estas son consideraciones de seguridad importantes a la hora de decidir utilizar un autotransformador en una aplicación determinada. ^{[ 5 ]}

Debido a que requiere menos bobinados y un núcleo más pequeño, un autotransformador para aplicaciones de potencia suele ser más ligero y menos costoso que un transformador de dos bobinados, hasta una relación de voltaje de aproximadamente 3:1; más allá de ese rango, un transformador de dos bobinados suele ser más económico. ^{[ 5 ]}

En aplicaciones de transmisión de energía trifásica , los autotransformadores presentan la limitación de no suprimir las corrientes armónicas y de actuar como fuente adicional de corrientes de falla a tierra . Un autotransformador trifásico de gran tamaño puede tener un devanado delta "enterrado", no conectado al exterior del tanque, para absorber algunas corrientes armónicas. ^{[ 5 ]}

En la práctica, las pérdidas implican que tanto los transformadores estándar como los autotransformadores no son perfectamente reversibles; uno diseñado para reducir un voltaje suministrará un voltaje ligeramente inferior al requerido si se utiliza para aumentarlo. La diferencia suele ser lo suficientemente pequeña como para permitir la inversión cuando el nivel de voltaje real no es crítico.

Al igual que los transformadores de múltiples devanados, los autotransformadores utilizan campos magnéticos variables en el tiempo para transferir energía. Requieren corriente alterna para funcionar correctamente y no funcionan con corriente continua . Debido a que los devanados primario y secundario están conectados eléctricamente, un autotransformador permite que la corriente fluya entre ellos y, por lo tanto, no proporciona aislamiento entre corriente alterna y continua.

El arrancador con autotransformador fue inventado en 1908 por Max Korndorfer, de Berlín. Presentó la solicitud ante la Oficina de Patentes de los Estados Unidos en mayo de 1908 y obtuvo la patente US 1,096,922 en mayo de 1914. Max Korndorfer cedió su patente a General Electric Company.

Un motor de inducción consume una corriente de arranque muy elevada durante su aceleración hasta la velocidad nominal máxima, típicamente de 6 a 10 veces la corriente a plena carga. Es deseable reducir la corriente de arranque cuando la red eléctrica no tiene la capacidad suficiente o cuando la carga accionada no puede soportar un par de arranque elevado. Un método básico para reducir la corriente de arranque consiste en utilizar un autotransformador de tensión reducida con tomas al 50%, 65% y 80% de la tensión de línea aplicada; una vez que el motor arranca, el autotransformador se desconecta del circuito.

Al exponer parte de las bobinas y realizar la conexión secundaria mediante una escobilla deslizante , se puede obtener una relación de espiras continuamente variable, lo que permite un control muy suave de la tensión de salida. La tensión de salida no se limita a las tensiones discretas representadas por el número real de espiras. La tensión se puede variar suavemente entre espiras, ya que la escobilla tiene una resistencia relativamente alta (en comparación con un contacto metálico) y la tensión de salida real es función del área relativa de la escobilla en contacto con las bobinas adyacentes. ^{[ 7 ]} La resistencia relativamente alta de la escobilla también evita que actúe como una espira en cortocircuito cuando entra en contacto con dos espiras adyacentes. Normalmente, la conexión primaria se conecta solo a una parte de la bobina, lo que permite variar suavemente la tensión de salida desde cero hasta por encima de la tensión de entrada y, por lo tanto, permite que el dispositivo se utilice para probar equipos eléctricos en los límites de su rango de tensión especificado.

El ajuste de la tensión de salida puede ser manual o automático. El tipo manual solo es aplicable a tensiones relativamente bajas y se conoce como transformador de CA variable (a menudo denominado por la marca Variac). Estos transformadores se utilizan con frecuencia en talleres de reparación para probar dispositivos bajo diferentes tensiones o para simular tensiones de línea anómalas.

El modelo con ajuste automático de voltaje puede utilizarse como regulador automático de voltaje para mantener un voltaje constante en el servicio del cliente en un amplio rango de condiciones de línea y carga. Otra aplicación es como atenuador de iluminación , ya que no produce la interferencia electromagnética típica de la mayoría de los atenuadores de tiristores .

• divisor de voltaje
• Balún
• Electromagnetismo
• Ley de inducción de Faraday
• Bobina de encendido
• Inductor
• Campo magnético

• Croft, Terrell; Summers, Wilford, eds. (1987). Manual del electricista estadounidense (Undécima  ed.). Nueva York: McGraw Hill. ISBN 0-07-013932-6.