Un autotransformador es un transformador con un devanado continuo y una o más derivaciones, por lo que parte del devanado es común tanto a la entrada como a la salida; puede cambiar el voltaje de manera eficiente y compacta, pero normalmente no proporciona aislamiento galvánico.
Principio de bobinado compartido
La sección común transporta la diferencia entre las corrientes primaria y secundaria, mientras que la sección en serie transporta la corriente de carga según la conexión. La potencia se transfiere parcialmente por inducción y parcialmente por conducción eléctrica directa a través del devanado compartido.
Operación elevadora y reductora
Conectar la fuente a todo el devanado y la carga a una toma proporciona una operación reductora; invertir la relación proporciona una operación elevadora dentro de los valores nominales设计s. La polaridad y la conexión de la toma determinan si las tensiones se suman o se restan.
Por qué el tamaño y las pérdidas pueden ser menores
Cuando la relación de voltaje está cerca de uno, solo una parte de la potencia aparente total se transforma inductivamente. Esto puede reducir el cobre, el tamaño, la masa, las pérdidas, la caída de tensión y el costo en comparación con un transformador de dos devanados de la misma potencia pasante.
La limitación de aislamiento
La entrada y la salida están conectadas eléctricamente. Una falla, una sobretensión, un problema en el neutro o una falla de aislamiento pueden transferirse entre los lados de maneras que un transformador de aislamiento lo impediría. Nunca sustituya un autotransformador donde la seguridad, la conexión a tierra, el control de ruido o un sistema derivado por separado requieran aislamiento.
Aplicaciones típicas
Las aplicaciones incluyen el arranque de motores, la corrección modesta de voltaje, la interconexión de sistemas con voltajes similares, fuentes variables de laboratorio, sistemas ferroviarios y la regulación de voltaje de servicios públicos. Cada una requiere la revisión de la puesta a tierra, la corriente de falla, el rango de derivación y la protección.
Variac y autotransformadores variables
Un autotransformador variable utiliza un contacto móvil en un devanado expuesto o accesible para proporcionar voltaje de CA ajustable. Su salida puede seguir siendo peligrosa a un voltaje bajo indicado y puede superar la entrada nominal cerca del extremo alto. No es un dispositivo de aislamiento.
Calificaciones y protección
Especifique el rango de voltaje de entrada y salida, la frecuencia, el kVA pasante, el kVA de devanado o transformado, la corriente en cada terminal, las derivaciones (taps), la impedancia, la capacidad de cortocircuito, el nivel de aislamiento, el aumento de temperatura, el gabinete, la refrigeración y la puesta a tierra. Coordine la protección con la corriente de irrupción y de falla.
Autotransformador frente a transformador de dos devanados
Elija un autotransformador para una conversión eficiente entre tensiones cercanas cuando sea aceptable la conexión eléctrica. Elija una unidad de dos devanados cuando el aislamiento, la puesta a tierra independiente, la relación, la contención de fallas o los requisitos del sistema superen las ventajas de tamaño y eficiencia.
Un ejemplo resuelto: de 240 V a 120 V
Considere un autotransformador monofásico ideal que alimenta una carga de 120 V y 10 A desde una fuente de 240 V. La potencia aparente de la carga es 120 × 10 = 1200 VA. Ignorando las pérdidas y la corriente de excitación, la corriente de la fuente es 1200 ÷ 240 = 5 A. Una toma situada a mitad de camino de las espiras eficaces proporciona la relación de tensión requerida. Estas cifras explican el principio; no son un plano de construcción ni la potencia nominal para un bobinado arbitrario.
La sección entre el terminal de 240 V y la derivación de 120 V transporta 5 A. En la derivación, la corriente se divide entre la carga y la sección del devanado común. En este caso ideal, la corriente de la sección común tiene una magnitud de 5 A y fluye en la dirección opuesta necesaria para el equilibrio de amperios-vuelta. Por lo tanto, es incorrecto decir que cada parte del devanado de un autotransformador transporta la corriente de carga completa de 10 A.
Para este ejemplo, la tensión de la sección serie es de 120 V, por lo que su potencia aparente transformada es de 120 × 5 = 600 VA, mientras que la carga recibe 1.200 VA. El resto se transfiere a través de la conexión eléctrica directa. Esta transferencia compartida explica la ventaja material. Las unidades reales deben tener en cuenta además el calentamiento de los devanados, las capacidades nominales de los contactos, el aislamiento, las pérdidas y la capacidad ante fallos; la aritmética por sí sola no puede establecer una clasificación comercial.
¿Qué cambia cuando la relación de voltaje está cerca de uno?
Para un autotransformador reductor ideal con k = Vbajo/Valto, la fracción de potencia de paso transformada inductivamente es 1 − k. Al cambiar de 240 V a 220 V se obtiene k ≈ 0,917, por lo que la fracción es de aproximadamente 8,31 TP3T. Al cambiar de 240 V a 24 V, la fracción es de 90%. En consecuencia, la ventaja del devanado compartido es mayor cuando el cambio de tensión es moderado y se reduce a medida que aumenta la relación.
Esto no significa que se pueda sustituir un dispositivo de 240 a 220 V por una fuente de 240 a 24 V seleccionando otro terminal. El bobinado, el trayecto de la corriente y el aislamiento se diseñaron para conexiones específicas. Tampoco demuestra una eficiencia fija ni un ahorro de precio. Compare las pérdidas comprobadas y el conjunto completo ofrecido, incluidos la carcasa, la protección y el equipo de tomas, con la alternativa de dos bobinados.
Autotransformador frente a transformador de aislamiento
| Decisión | Autotransformador | Transformador de devanados separados |
|---|---|---|
| Conexión eléctrica entre fuente y carga | El devanado compartido proporciona un camino conductivo | Los bobinados están eléctricamente separados por diseño |
| Modesta corrección de voltaje | A menudo, una solución compacta en la que se acepta una base común | Posible, generalmente con más material para la misma potencia de paso |
| Referencia secundaria independiente | No se puede asumir | Puede admit una disposición derivativa independiente si se diseña correctamente |
| Salida de laboratorio variable | El grifo móvil puede ajustar el voltaje; la salida permanece conectada a la red eléctrica | El aislamiento por sí solo no implica una salida ajustable |
| Corriente de falla | A menudo de baja impedancia; el estudio del sistema sigue siendo necesario | Depende de su impedancia declarada y de la alimentación aguas arriba |
El Discusión de OpenStax sobre seguridad y aislamiento eléctrico ayuda a explicar la función de un circuito separado. Un ajuste de voltaje de salida bajo en un autotransformador variable no es prueba de que ninguno de los conductores de salida sea seguro con respecto a tierra. Una instalación que necesite separación de protección debe utilizar equipos diseñados expresamente para ese fin.
Cómo funciona un arrancador de motor por autotransformador
Un arrancador de tensión reducida aplica una fracción seleccionada de la tensión de alimentación durante la aceleración y luego transfiere el motor a su conexión de funcionamiento. En el modelo simplificado, si el motor recibe una fracción de tensión k, su corriente de rotor bloqueado es aproximadamente k veces la corriente de arranque directo, mientras que la corriente de alimentación a través de un autotransformador ideal es aproximadamente k al cuadrado veces dicha corriente. El par de arranque también disminuye aproximadamente con el cuadrado de la tensión.
El beneficio es una perturbación de la alimentación reducida, pero el par más bajo aún debe acelerar la carga real. Una cinta transportadora muy cargada o una máquina de alta inercia no pueden evaluarse únicamente mediante una reducción de corriente atractiva. El diseño debe tener en cuenta el tiempo de aceleración, el método de transición, los arranques por hora, la carga térmica y la curva de carga mecánica. Estas relaciones simplificadas son herramientas de filtrado; los datos del fabricante del motor y el diseño completo del arrancador rigen la selección.
Salida variable y límites de corriente
Un autotransformador variable utiliza un contacto que se desplaza a lo largo de una superficie de bobinado preparada. La salida normalmente se puede variar en su rango especificado, y algunos diseños incluyen un rango superior a la tensión nominal de entrada. Lea la escala exacta y el manual. Los límites de corriente del contacto, del bobinado y de los terminales siguen aplicándose a tensión reducida: bajar la tensión de salida no permite necesariamente una corriente de salida proporcionalmente mayor.
Por ejemplo, una unidad limitada a 5 A no puede entregar automáticamente 50 A cuando su salida se reduce a una décima parte de la tensión nominal. El error común es tratar todo el valor de VA de la placa de características como disponible en cada posición del mando. Se deben comprobar la carga, el contacto de las escobillas y el diseño térmico. Los autotransformadores variables tampoco convierten CA en CC ni cambian la frecuencia.
Qué incluir en una especificación de compra
Distinga los kVA en los bornes de los kVA transformados internamente en cada oferta. Cotizar uno mientras el comprador espera el otro puede hacer que dos propuestas parezcan comparables cuando sus capacidades de carga reales difieren.
Indique si el servicio es corrección de tensión continua, suministro de prueba variable, arranque de motores o interconexión de redes. Identifique todas las tensiones en bornes y las capacidades de corriente, fase y frecuencia, rango de regulación, requisito de aislamiento, disposición del neutro y aumento de temperatura permisible. Incluya el perfil de carga previsto y cualquier servicio de arranque o cíclico. Una capacidad de arranque de motores no puede tratarse simplemente como kVA continuos.
Solicite el diagrama de conexión real, la impedancia, los datos de pérdidas, los requisitos de los dispositivos de protección y las instrucciones de instalación. Verifique el rango de salida bajo carga y la variación de suministro permitida. Para aplicaciones industriales, la revisión debe establecer cómo afecta una falla en el devanado o en el neutro al equipo conectado. El Requisitos de instalación eléctrica de OSHA reforzar la necesidad de utilizar el equipo dentro de sus clasificaciones e instrucciones previstas.
Guías de transformadores relacionadas y contexto del producto
Revisar el guía de fundamentos de transformers para los principios subyacentes. Para preguntas relacionadas, lea ¿Qué hace un transformador reductor? Funcionamiento y usos y ¿Qué es un transformador de aislamiento? Seguridad, usos y selección. Para las especificaciones de los equipos de distribución, consulte la transformador de potencia en baño de aceite de 35 kV; confirme el alcance real del producto y las clasificaciones antes de usarlo en un proyecto.
Vídeo: el principio subyacente del transformer
G. K. Agrawal ilustra el principio eléctrico discutido aquí. Esta explicación de antecedentes complementa el artículo; no demuestra ni autoriza trabajos de campo.
Preguntas frecuentes
¿Proporciona aislamiento un autotransformador?
Normalmente no. Su devanado compartido crea una conexión conductiva entre la fuente y la carga. Utilice un diseño adecuado de devanados separados cuando se requiera aislamiento.
¿Por qué es más pequeño un autotransformador para tensiones cercanas?
Solo una parte de la potencia pasante se transfiere inductivamente; la conexión compartida transfiere el resto. La ventaja material es mayor cuando la relación de tensión está cerca de uno.
¿Puede un autotransformador variable proporcionar corriente ilimitada a baja tensión?
No. Los límites de corriente de bobinado, escobillas y terminales siguen aplicándose. Reducir la tensión de salida no aumenta automáticamente la corriente permitida en proporción inversa.
¿Cambia un autotransformador la frecuencia?
No. Cambia el voltaje de CA según su conexión y toma, preservando normalmente la frecuencia de la fuente. No es un convertidor de CA a CC.
¿Por qué un arrancador de motor reduce tanto el par como la corriente?
La reducción de la tensión del motor reduce el par electromagnético, aproximadamente con el cuadrado de la tensión en el modelo de arranque simplificado. La carga real aún debe acelerar dentro del régimen térmico permitido.
