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UNIDAD 7
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TEMA: AUTOTRANSFORMADOR
DOCENTE: ING. CARLOS TANCA
ALUMNOS:
MARTÍNEZ VERA, CARLOS ANTONIO
SÁNCHEZ PAREDES, ANÍBAL MARINO
AREQUIPA-PERU
2015
DOCENTE: ING. CARLOS TANCA
ALUMNOS:
MARTÍNEZ VERA, CARLOS ANTONIO
SÁNCHEZ PAREDES, ANÍBAL MARINO
AREQUIPA-PERU
2015
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN
FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELÉCTRICA
MÁQUINAS ELÉCTRICAS I
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EL AUTOTRANSFORMADOR
UNIDAD VII
EL AUTOTRANSFORMADOR
1.-DEFINICION .-
Un autotransformador es una máquina eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, como se muestra en la Figura.1, pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanado alrededor de un núcleo ferromagnético. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos eléctricos (fuente y carga). Cada toma corresponde a una tensión diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso).Como se muestra en la Figura.2.
Figura.1.Transformador
En un autotransformador, la porción común (llamada por ello "devanado común") del devanado único actúa como parte tanto del devanado "primario" como del "secundario". La porción restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la que proporciona la diferencia de tensión entre ambos circuitos, mediante la adición en serie (de allí su nombre) con la tensión del devanado común.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
Figura.2.Autotransformador
Donde:
Up: Tensión de entrada (fuente) (Voltios).
U1: Tensión en el primer devanado (Voltios).
U2: Tensión en el segundo devanado (Voltios).
UL: Tensión de salida (Carga) (Voltios).
Ip: Corriente de entrada (Amperios).
I1: Corriente en el primer devanado (Amperios).
I2: Corriente en el segundo devanado (Amperios).
N1: Número de vueltas en el primer devanado (vueltas).
N2: Número de vueltas en el segundo devanado (vueltas).
ZL: Impedancia de salida (Ω).
2.-VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL AUTOTRANSFORMADOR
2.1. VENTAJAS
Solo un porcentaje de la energía se trasmite por inducción.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
El autotransformador por sus características se viene a ser de menor tamaño por lo que ocuparía menor espacio.
Existe menor flujo del campo y menor tamaño del núcleo de hierro.
Se obtienen autotransformadores más livianos.
El autotransformador lleva un solo bobinado.
Menores caídas de tensión.
Menor intensidad de vacío.
Es más fácil de construir y requiere menos cobre.
En consecuencia es más económico.
Parte de la energía del autotransformador se transmite eléctricamente.
Las perdidas eléctricas siempre son menores que las perdidas magnéticas
El autotransformador tiene mayor rendimiento.
El autotransformador genera más potencia que un transformador normal de especificaciones similares.
Tiene una tensión de cortocircuito pequeña lo que plantea el inconveniente de que la corriente en caso de corto circuito es elevada.
Transfiere más potencia que un transformador normal.
2.2.- DESVENTAJAS
La principal desventaja de los autotransformadores es que a diferencia de los transformadores ordinarios hay una conexión física directa entre el circuito primario y el secundario, por lo que se pierde el aislamiento eléctrico en ambos lados.
Peligro del corte de una espira, lo que produciría que el secundario quede sometida a la tensión del primario.
Conducción galvánica entre el primario y secundario.
Baja regulación de tensión debido a su baja impedancia equivalente.
Debido a la construcción eléctrica del dispositivos, la impedancia de entrada del autotransformador es menor que de un transformador común Esto no es ningún problema durante el funcionamiento normal de la máquina, pero si por alguna razón se produce un cortocircuito a la salida.
La salida del transformador no está aislada con la entrada, este se vuelve inseguro para la persona que lo opera.
No tienen aislamientos en los primarios y secundario.
3.-AUTOTRANSFORMADOR IDEAL.-
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EL AUTOTRANSFORMADOR
3.1.- CONDICIONES
a) La resistencia activa de los devanados despreciables como se muestra en la
Ecuación 7.1:
(Ecuación 7.1)
b) El flujo magnético atraviesa por todas las espiras; no hay flujos de dispersión,
como se muestra en la Ecuación 7.2.
, (Ecuación 7.2)
c) La pérdida de potencia en el hierro son despreciables como se muestra en la
Ecuación 7.3.
(Ecuación 7.3)
d) el coeficiente de acoplamiento es K=1.0.
e) La capacitancia de los devanados son despreciables.
3.2.-RELACIONES BÁSICAS DEL AUTOTRANSFORMADOR IDEAL.-
Sabemos que del transformador, la relación de transformación es:
(Ecuación 7.4)
Como se ve en la Ecuación 7.4.
La tensión en los bornes del primario del Autotransformador es:
(Ecuación 7.5)
Como se ve en la Figura.2.
La tensión en los bornes del secundario es:
(Ecuación 7.6)
Como se muestra en la Figura.2.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
Relacionando las tensiones de los bornes del primario y el secundario obtenemos
la relación de transformación del Autotransformador, como se muestra en la
ecuación 7.7.
(Ecuación 7.7)
Dónde: para transformadores reductores de tensión; para
transformadores elevadores de tensión.
La relación de corrientes es la inversa a la relación de transformación del
autotransformador como se ve en la Ecuación 7.8.
(Ecuación 7.8)
4.- IMPEDANCIA EQUIVALENTE VISTA DESDE LOS TERMINALES DEL
PRIMARIO.-
Teniendo en cuenta las relaciones anteriores la impedancia resulta ser la
impedancia referida al lado primario como se ve en la Ecuación 7.9:
(Ecuación 7.9)
Con este mismo procedimiento podemos escribir la tensión y la corriente del
primario referido al lado secundario.
5.- CIRCUITOS EQUIVALENTES DEL AUTOTRANSFORMADOR
5.1.- REFERIDO AL PRIMARIO.-
Es la impedancia vista desde el primario del autotransformador. Esta impedancia es
obtenida de acuerdo al teorema de Thévenin. Como se muestra en la Figura.3.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
Figura.3.Autotransformador referido al Primario.
La impedancia es prácticamente igual ala impedancia del transformador.
La ecuación de corriente y tensiones despreciando la admitancia de excitación se
muestra en las ecuaciones (7.8) y (7.9) respectivamente.
(Ecuación 7.10)
(Ecuació
n 7.11)
5.2.- REFERIDO AL SECUNDARIO.-
Con las condiciones anteriores podemos referir los parámetros del
autotransformador referido al secundario, como se muestra en la figura.4.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
Figura.4.Autotransformador referido al Secundario
Las ecuaciones referidas al secundario son:
(Ecuación 7.12)
(Ecuación 7.13)
La ecuación de tensión del transformador referido al secundario es:
(Ecuación 7.14)
6.-REGULACION DEL AUTOTRANSFORMADOR.-
Puede ser determinado por las siguientes formas:
6.1.- Una regulación aproximada:
(Ecuación 7.15)
6.2.- Teniendo en cuenta el factor de potencia de la carga:
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EL AUTOTRANSFORMADOR
(
Ecuación 7.16)
6.3.-Conociendo el factor de potencia el de la prueba de corto circuito y de la carga.
(Ecuación 7.17)
7.- EFICIENCIA DEL AUTOTRANSFORMADOR.-
Teniendo en cuenta la eficiencia convencional:
(Ecuación 7.18)
(Ecuación 7.19)
Potencia en la carga estará aumentada por una componente más por la corriente de
los devanados; las perdidas estará reducida por tener los devanados en serie; y , la
perdidas en el hierro también ya que está en función al volumen del núcleo del
autotransformador ; por tanto la eficiencia del autotransformador será mucho mayor
por tener mayor potencia de transferencia.
8.-ENSAYOS DEL AUTOTRANSFORMADOR.-
8.1.-ENSAYO DE VACIO.-
Se realiza alimentando por el lado de Baja tensión nominal y frecuencia nominal
y se deja en circuito abierto el lado de A.T. o conectando un voltímetro, para
medir la fem inducida como se muestra en la figura.5.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
Figura.5.Ensayo de Vacío
Donde los instrumentos del ensayo nos darán los valores eficaces:
A: Corriente de excitación
V: Tensión de alimentación
W: Perdidas de potencia en el hierro
Hz: Frecuencia de la tensión aplicada
V2: Tensión de vacío
Con estos valores podemos determinar:
, y (Ecuación 7.20)
8.2.- ENSAYO DE CORTO CIRCUITO.-
Se realiza alimentando por el lado del devanado de A.T. a corriente
nominal y frecuencia de funcionamiento; y corto circuitando por B.T como
se muestra en la figura.6.
Donde los instrumentos del ensayo nos darán los valores eficaces de:
A: Corriente de corto circuito (nominal).
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EL AUTOTRANSFORMADOR
V: Tensión de corto circuito.
W: Perdidas de potencia en el cobre.
Hz: Frecuencia de la tensión aplicada.
Figura.6.Circuito en corto Circuito
Con estos valores podemos determinar la impedancia equivalente vista desde el
lado de alimentación:
; y (Ecuación 7.21)
(Ecuación 7.22)
9.-CONEXIONES DE UN TRANSFORMADOR COMO
AUTOTRANSFORMADOR.-
Un transformador podemos conectar como autotransformador con la finalidad de
aumentar su potencia de transferencia y de esta manera mejorar la regulación y
eficiencia.
Tenemos las siguientes alternativas de conexiones, como se muestra en la figura.7.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
Figura.7.Conexiones de un transformador como Autotransformador
a) La relación de transformación del autotransformador con respecto al
transformador:
(Ecuación 7.23)
Potencia aparente de transferencia del autotransformador está formado por una
potencia de ganancia por el enlace eléctrico y la otra por la potencia propia
del transformador por el enlace electromagnético:
(Ecuación 7.24)
Con respecto al transformador.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
(Ecuación 7.25)
La potencia nominal de autotransformador es mayor:
(Ecuación 7.26)
b) La regulación del autotransformador es menor que del transformador
(Ecuación 7.27)
c) La eficiencia del autotransformador es mayor que del transformador por la
mayor potencia de transferencia.
(Ecuación 7.28)
10.-APLICACIONES
Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia, para interconectar circuitos que funcionan a tensiones diferentes, pero en una relación cercana a 2:1 (por ejemplo, 400kV / 230kV ó 138kV / 66kV). En la industria, se utilizan para conectar máquinas fabricadas 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 enormes 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 la tensión de alimentación y así compensar las apreciables caídas de tensión en los extremos de la línea.
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, la tensión reducida 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 la tensión de alimentación (en tantos pasos como tomas posea el autotransformador) gradualmente, hasta llegar a la tensión de la red (cuando la relación de tomas es 1:1).
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EL AUTOTRANSFORMADOR
En sistemas ferroviarios de Alta velocidad existen métodos de alimentación
duales tales como el conocido como 2x25kV. En este, los transformadores de las
subestaciones alimentan a +25kV a la catenaria, a -25kV (en realidad 25kV
desfasados 180º) al feeder o alimentador negativo y con la toma intermedia o
neutro puesta al carril. Cada cierto tiempo, 10 km típicamente, se conectan
autotransformadores con 50kV en el primario (entre catenaria y feeder negativo)
y 25kV en el secundario (entre feeder negativo y carril). De esta manera, la
carga (trenes) se encuentra alimentada a 25kV entre catenaria y carril pero la
energía se transporta a 50kV, reduciendo las pérdidas.
11.-LIMITACIONES
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 tensiones 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 autotransformadores 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 zig-zag", como se muestra en la figura. 8, y su diagrama fasorial se ve en la figura.9, que se emplea en sistemas trifásicos para abrir un camino de retorno a la corriente de tierra que de otra manera no sería posible lograr, manteniendo la referencia de tierra.
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EL AUTOTRANSFORMADOR
Figura.8.Conexión Zig-Zag
Figura.9.Diagrama Fasorial de la Conexión Zig-Zag
