Autotransformadores Definición Tecnología Aplicaciones.
Autotransformadores.
Tipos y Clasificación:
Definición y Tecnologías Constructivas:
Un autotransformador es un tipo de transformador que se distingue por tener un único devanado que actúa como primario y secundario, a diferencia del transformador convencional que tiene dos devanados separados. Este diseño único permite que la energía se transfiera de dos maneras: a través de la inducción electromagnética (como en un transformador normal) y por conducción eléctrica directa.
La relación de voltaje se ajusta mediante una toma intermedia en el devanado, que permite obtener diferentes niveles de tensión. Esto hace que sean más eficientes, compactos y económicos, especialmente cuando la diferencia entre el voltaje de entrada y salida es pequeña
Diferencias clave con un transformador convencional:
|
Característica |
Autotransformador |
Transformador (convencional) |
|
Devanados |
Uno solo, con una toma intermedia. |
Dos devanados separados: primario y secundario. |
|
Aislamiento |
No proporciona aislamiento galvánico (no aísla la
entrada de la salida). |
Proporciona aislamiento completo entre los
circuitos. |
|
Eficiencia |
Generalmente más eficiente debido a que
transfiere menos energía por inducción. |
Menos eficiente comparado con el
autotransformador. |
|
Tamaño y costo |
Más compacto y ligero, y por lo tanto más
económico. |
Mayor tamaño, peso y costo debido al uso de más
materiales. |
Ventajas y desventajas:
- Ventajas:
- Mayor eficiencia y menor costo:
Requieren menos material (cobre y núcleo de hierro) y transfieren una
parte de la energía por conducción, lo que reduce las pérdidas.
- Tamaño y peso reducidos: Son más ligeros y compactos que los transformadores de potencia similar.
- Desventajas:
- Falta de aislamiento: La
conexión directa entre el primario y el secundario representa un riesgo
de seguridad en aplicaciones que requieren protección, ya que una falla
en el devanado primario afecta directamente al secundario.
- No filtra armónicos: No atenúa el ruido eléctrico o las interferencias de la misma manera que lo haría un transformador de aislamiento.
Este video explica de forma práctica qué es y cómo
funciona un autotransformador.
Tipos de
autotransformadores existentes:
Principalmente, los autotransformadores se clasifican en elevadores y reductores, según si aumentan o disminuyen el voltaje. Sin embargo, también se pueden clasificar por su construcción y la variabilidad del voltaje.
Por su función:
- Autotransformadores elevadores:
Aumentan el voltaje de salida por encima del voltaje de entrada.
- Autotransformadores reductores:
Disminuyen el voltaje de salida por debajo del voltaje de entrada. Son
comunes para conectar equipos de 120V a redes de 240V.
Por su construcción y variabilidad:
- Fijos: Tienen una o más tomas de voltaje
predefinidas en su único devanado, por lo que la relación de
transformación no puede ser cambiada una vez instalado.
- Variables (o Variacs):
Cuentan con una toma móvil que puede ser ajustada a lo largo del devanado,
lo que permite variar el voltaje de salida de manera continua. Son muy
útiles en laboratorios y en la industria para regular la tensión.
Por el tipo de fase:
- Monofásicos: Utilizados en
sistemas de una sola fase, comunes en aplicaciones de baja potencia y en
el hogar.
- Trifásicos: Utilizados en
sistemas de tres fases, ideales para aplicaciones industriales o en la
transmisión y distribución de energía eléctrica, donde se interconectan
circuitos que funcionan a tensiones diferentes, pero con una relación
cercana (por ejemplo, 400 kV a 230 kV).
.jpg "Autotransformadores Definición Tecnología Aplicaciones.")
Un autotransformador monofásico es más compacto y
económico que un transformador de dos devanados equivalente para la misma
potencia y tensión nominal.
Este video explica la diferencia entre un
transformador y un autotransformador.
Importancia en la Industria Moderna:
Los autotransformadores son cruciales para la
optimización y el rendimiento de los sistemas eléctricos industriales.
Su importancia radica en:
- Eficiencia: Son más eficientes
que los transformadores de doble devanado, ya que tienen menos pérdidas de
energía (pérdidas de cobre y núcleo) debido a su menor tamaño y peso. Esta
característica es especialmente notable cuando la relación de tensión
entre el devanado primario y secundario es cercana a 1.
- Menor tamaño y costo:
Requieren menos material, como cobre y acero, lo que los hace más
compactos, ligeros y económicos de fabricar. Esto es ventajoso en
aplicaciones donde el espacio es limitado.
- Arranque de motores: Son muy utilizados para arrancar motores de inducción de gran potencia. Reducen la tensión de arranque para limitar la corriente inicial, evitando picos que podrían dañar el motor o la red eléctrica.
Tecnologías Aplicadas en su Construcción:
La construcción de los autotransformadores se
enfoca en la eficiencia y la durabilidad, y se centra en:
- Núcleo magnético: Se
usan núcleos de acero al silicio de grano orientado para reducir las
pérdidas de energía. El diseño del núcleo se optimiza para minimizar las
fugas de flujo magnético.
- Devanados: El uso de un solo devanado simplifica
la construcción. En los autotransformadores
variables o variacs, se
utiliza un contacto deslizante para permitir el ajuste continuo del
voltaje de salida.
- Sistemas de enfriamiento: Al
igual que los transformadores convencionales, pueden ser secos (enfriados por aire) o sumergidos en aceite dieléctrico para disipar el calor generado.
La elección depende de la potencia y el entorno de la aplicación.
Comunicación y Protocolos en la Industria 4.0:
La integración de los autotransformadores en la Industria 4.0 implica la monitorización y el control remoto para optimizar su rendimiento y prever fallos.
Los protocolos de comunicación industrial permiten esta conectividad:
- Modbus y Modbus TCP: Estos protocolos son esenciales para lacomunicación con PLCs (Controladores Lógicos Programables) y sistemas de SCADA (Control de Supervisión y Adquisición de Datos).
- OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture): Es un protocolo de interoperabilidad seguro y robusto que permite que dispositivos de diferentes fabricantes se comuniquen entre sí, facilitando la integración en entornos industriales complejos.
- EtherNet/IP: Permite la comunicación en tiempo real y es ampliamente utilizado en redes industriales que requieren alta velocidad.
Estos protocolos facilitan la recopilación de datos de sensores que miden la temperatura, el voltaje, la corriente y otros parámetros, permitiendo el mantenimiento predictivo con la ayuda de la Inteligencia Artificial (IA). La IA puede analizar estos datos para detectar anomalías y predecir cuándo un autotransformador podría necesitar mantenimiento, lo que reduce el tiempo de inactividad y los costos operativos.
Aplicaciones Destacadas en la Industria:
Los autotransformadores se utilizan en diversas
aplicaciones donde su eficiencia y diseño compacto son ventajosos:
- Arranque de motores: Son
la aplicación más común. Reducen el voltaje para limitar la corriente de
arranque en motores de gran potencia, protegiéndolos y
estabilizando la red.
- Sistemas de transmisión y distribución de energía: Se usan para interconectar sistemas que operan a diferentes
voltajes, especialmente cuando la diferencia de tensión es pequeña, como
en las subestaciones de energía.
- Control de iluminación: Los
autotransformadores variables (variacs) se utilizan para regular la
intensidad de la luz en escenarios, teatros y estudios de grabación.
- Laboratorios y bancos de pruebas: Los variacs son indispensables para probar equipos eléctricos a diferentes voltajes, ya que permiten un control preciso y continuo del voltaje de salida.
Autotransformadores
monofásicos y trifásicos:
Modelos de
autotransformadores monofásicos:
Los autotransformadores monofásicos se
utilizan comúnmente en aplicaciones residenciales y comerciales pequeñas para
ajustar voltajes. Los modelos se clasifican principalmente por su potencia (VA
o kVA) y el rango de voltaje que manejan.
Autotransformadores elevadores/reductores:
Estos modelos están diseñados para cambiar un
voltaje a otro, ya sea para aumentar o disminuir el nivel de voltaje. Son muy
utilizados para adaptar equipos que funcionan con 220V a redes de 110V, y
viceversa. Los más comunes son:
500 VA: Adecuados
para electrodomésticos pequeños como licuadoras, televisores o equipos de
sonido.
1000 VA: Usados
para equipos de mayor potencia como microondas o neveras pequeñas.
2000 VA: Ideales
para equipos de aire acondicionado de ventana o herramientas eléctricas.
3000 VA y superiores: Usados en entornos industriales ligeros o para equipos muy potentes.
Autotransformador Reductor:
Si se aplica una tensión alterna entre los puntos E1, y se mide la tensión de salida entre los puntos E2, se dice que el autotransformador es reductor de tensión.
Relación de vueltas Vh / Vc
< 1
Autotransformador Elevador:
Si se aplica una tensión alterna entre los puntos
Vh, y se mide la tensión de salida entre los puntos Vc, se dice que el
autotransformador es elevador de tesión.
Relación de vueltas Vh / Vc > 1
Autotransformadores de arranque de motores:
Estos modelos se usan para reducir el voltaje
de arranque en motores de inducción, lo que limita la corriente de irrupción y
reduce el estrés mecánico en el motor y la red eléctrica. Vienen en diferentes
potencias adaptadas a la potencia del motor (HP o kW).
Autotransformadores variables (Variac):
Estos permiten ajustar el voltaje de salida de
manera continua dentro de un rango determinado. Son muy útiles en laboratorios,
talleres de reparación y pruebas donde se requiere una fuente de voltaje
variable.
Modelos de
autotransformadores trifásicos:
Los autotransformadores trifásicos se usan en
aplicaciones industriales de mayor envergadura donde se manejan grandes
potencias y voltajes.
- Autotransformadores elevadores/reductores: Similar a los monofásicos, pero para sistemas de tres fases. Se
usan para adaptar maquinaria trifásica a diferentes voltajes de red, como
pasar de 480V a 400V o de 220V a 380V. Su potencia se mide en kVA.
- Autotransformadores de arranque de motores: Al igual que en los monofásicos, estos modelos trifásicos son
esenciales para arrancar grandes motores de inducción. Reducen el voltaje
de entrada al motor en etapas (por ejemplo, 50%, 65% o 80%) para limitar
el pico de corriente inicial.
- Autotransformadores de puesta a tierra (zig-zag): Se utilizan para crear un punto neutro artificial en sistemas
trifásicos que carecen de él. Esto permite la conexión de cargas
monofásicas o la instalación de un sistema de protección de falla a
tierra.
- Autotransformadores reguladores de voltaje: Se instalan en subestaciones eléctricas para regular y mantener
el voltaje dentro de un rango aceptable, especialmente en redes de
distribución largas donde las caídas de voltaje son comunes.
Autotransformadores
elevadores/reductores trifásicos:
Los autotransformadores trifásicos elevadores/reductores son equipos eléctricos diseñados para cambiar el nivel de voltaje en sistemas de tres fases. A diferencia de un transformador convencional, tienen un solo devanado con tomas intermedias, lo que los hace más eficientes y económicos para aplicaciones donde la diferencia entre el voltaje de entrada y salida es pequeña.
Características generales:
- Eficiencia y tamaño: Su
diseño de un solo devanado reduce las pérdidas, lo que los hace más
eficientes. Además, al requerir menos cobre y tener un diseño más
compacto, son más pequeños y ligeros que los transformadores tradicionales
de la misma potencia.
- Aislamiento: Una desventaja
importante es la falta de aislamiento galvánico entre los devanados
primario y secundario, ya que están conectados eléctricamente. Esto puede
ser un riesgo en ciertas aplicaciones.
- Potencia: Se clasifican por su potencia aparente en kVA (kilovoltamperios), que puede variar desde pequeñas unidades hasta grandes equipos de distribución o uso industrial.
Tipos y aplicaciones:
Los autotransformadores trifásicos
elevadores/reductores tienen diversas aplicaciones, principalmente en la
industria, donde la maquinaria y los sistemas eléctricos operan a voltajes
específicos.
Elevadores/Reductores de voltaje:
Estos autotransformadores ajustan el voltaje para
adaptar la maquinaria a la red eléctrica disponible. Por ejemplo:
- Reductores: Se utilizan para
bajar el voltaje de una red industrial (ej. 480V) a un voltaje menor (ej.
400V) requerido por un equipo.
- Elevadores: Se usan para aumentar el voltaje, por ejemplo, para alimentar maquinaria importada que requiere un voltaje más alto que el de la red local.
Autotransformadores de arranque de motores:
Son una de las aplicaciones más comunes. Se usan para arrancar grandes motores trifásicos de inducción. El objetivo es reducir la corriente de arranque inicial, que puede ser varias veces mayor que la corriente nominal del motor, para evitar sobrecargas en la red eléctrica y proteger el motor y sus componentes. El autotransformador reduce el voltaje aplicado al motor en etapas (típicamente 50%, 65% o 80%), lo que a su vez limita la corriente de irrupción.
Autotransformadores de puesta a tierra (Zig-Zag):
Aunque no son estrictamente elevadores o reductores
de voltaje para carga, estos autotransformadores trifásicos se utilizan para
crear un punto neutro artificial en sistemas de distribución de 3
hilos que no tienen conexión a tierra. La configuración especial de sus
bobinados (en zig-zag) permite limitar las corrientes de falla a tierra y
proteger el sistema contra sobretensiones transitorias.
Los autotransformadores trifásicos
elevadores/reductores ofrecen una solución eficiente y compacta para el ajuste
de voltaje en aplicaciones de alta potencia.
Un transformador elevador tiene más vueltas en la bobina secundaria que
en la primaria, mientras que un transformador reductor tiene menos vueltas en
la bobina secundaria.
Transformador REDUCTOR y ELEVADOR, video:
Autotransformadores de arranque de motores trifásico:
Los autotransformadores de arranque de motores trifásicos son dispositivos diseñados para reducir el voltaje que se aplica a un motor de inducción durante el arranque. Esto es crucial porque al arrancar, un motor trifásico puede consumir una corriente que es entre 6 y 8 veces su corriente nominal, lo que se conoce como corriente de irrupción.
·
Aplicación: Estos autotransformadores se usan para ajustar el
voltaje en un sistema trifásico, generalmente en pequeños pasos, para compensar
caídas de voltaje en líneas largas o para mantener un voltaje constante en una
carga.
·
Conexión en Y
(Estrella) o Delta: Aunque los
autotransformadores pueden conectarse de varias maneras, una configuración
común para regulación de voltaje trifásico es la conexión en Y (estrella) para
las bobinas principales, donde el punto neutro puede o no estar conectado a
tierra.
· Taps
(Derivaciones): La característica
distintiva de un regulador de voltaje es la presencia de "taps" o
derivaciones en los devanados. Estos puntos de conexión adicionales permiten
cambiar la relación de vueltas del autotransformador y, por lo tanto, ajustar
el voltaje de salida.
· Mecanismo de
Cambio de Tap: En la práctica, estos
taps se conectan a un conmutador (tap changer) que puede ser manual o
automático. Para simplificar el diagrama, se muestran los taps, pero el
conmutador no se detalla.
· Rango de
Regulación: Los taps permiten
"sumar" o "restar" vueltas al devanado secundario (o común
en un autotransformador) para aumentar o disminuir el voltaje de salida
respecto al voltaje de entrada.
Funcionamiento y Principio:
El sistema de arranque con autotransformador consiste en alimentar el motor a una tensión reducida a través de tomas en el autotransformador. Estas tomas generalmente ofrecen entre el 50% y el 85% de la tensión nominal de la red. Al reducir el voltaje, se logra una reducción significativa de la corriente de arranque y, en la misma proporción, del par motor.
El proceso de arranque típicamente se realiza en
dos etapas:
1. Arranque a
tensión reducida: Se activa un temporizador y se
energiza el autotransformador. Esto conecta el motor a las tomas del
autotransformador, que le suministra la tensión reducida. El motor comienza a
girar lentamente.
2. Arranque a tensión nominal: Después de un tiempo preestablecido, el temporizador cambia la configuración. El autotransformador se desconecta y el motor se conecta directamente a la tensión nominal de la red. Esto permite que el motor acelere hasta su velocidad de operación normal.
Una ventaja clave de este método es que el motor no se desconecta de la fuente de alimentación durante la transición, lo que evita un segundo pico de corriente.
Ventajas y Desventajas:
Ventajas:
- Reducción de corriente:
Limita la corriente de irrupción, protegiendo tanto el motor como la red
eléctrica de sobrecargas y caídas de voltaje.
- Arranque suave: El proceso gradual de
aumento de voltaje reduce el estrés mecánico en el motor, prolongando su
vida útil y la de la maquinaria conectada.
- Control de par: A diferencia de otros
métodos, el autotransformador mantiene un par de arranque relativamente
alto en comparación con la corriente de arranque.
- Eficiencia: La construcción con menos material (menos cobre) lo hace más eficiente y de menor tamaño que un transformador convencional de la misma potencia.
Desventajas:
- Costo y complejidad: Es
un sistema más caro y complejo que un arranque directo. Requiere de
contactores, un temporizador y el autotransformador en sí.
- Falta de aislamiento: Al
ser un solo devanado, no ofrece un aislamiento eléctrico entre la entrada
y la salida, lo que puede ser un riesgo en ciertas aplicaciones.
- Limitación de arranques: El número de arranques por hora puede estar limitado para evitar el sobrecalentamiento del autotransformador
Este video explica el funcionamiento paso a paso de
un sistema de arranque por autotransformador trifásico y muestra un diagrama de
conexión.
Autotransformadores de puesta a tierra (zig-zag)
trifásico:
Los autotransformadores de puesta a
tierra con conexión en zig-zag son dispositivos
eléctricos especializados diseñados para sistemas trifásicos que no tienen un
punto neutro con conexión a tierra. Su función principal es crear un punto neutro artificial para estabilizar el
sistema y permitir la protección contra fallas a tierra.
Características del Diagrama:
· Fases de
entrada (R, S, T): Representan las
tres fases del sistema trifásico al que se conecta el autotransformador.
· Devanados del
autotransformador: Cada fase del
autotransformador tiene dos secciones o bobinas idénticas (por ejemplo, R1 y R2
para la fase R).
· Conexión
Zig-Zag: Se muestra cómo las bobinas
de una fase están conectadas en serie y en oposición con las bobinas de otra
fase. Por ejemplo, el final de R1 se conecta con el principio de S2, el final
de S1 con el principio de T2, y el final de T1 con el principio de R2.
· Punto Neutro
(N): El punto donde se unen los
extremos restantes de las bobinas se convierte en el neutro del sistema, el
cual se conecta a tierra.
· Conexión a
tierra: Se indica claramente la
conexión del neutro a tierra. A menudo, se intercala una resistencia limitadora
de corriente de falla (conocida como NGR - Neutral Grounding Resistor) entre el
neutro y la tierra, aunque en este diagrama simplificado se muestra la conexión
directa para mayor claridad
Funcionamiento:
En su estado normal, con el sistema eléctrico
equilibrado, el autotransformador de puesta a tierra casi no consume corriente.
Su diseño único, con devanados divididos en secciones y conectados de manera
cruzada entre fases, permite que las corrientes de las fases se cancelen
mutuamente.
Sin embargo, cuando se produce una falla a tierra (por ejemplo, un conductor de fase que toca
el suelo), el transformador entra en acción:
1.
El autotransformador presenta
una baja impedancia a las corrientes de falla a tierra
(corrientes de secuencia cero). Esto le permite proporcionar un camino de
retorno para que la corriente de falla fluya a tierra.
2.
Este flujo de corriente a tierra
es detectado por los dispositivos de protección (relés y disyuntores), que
activan la desconexión del circuito defectuoso.
3.
Simultáneamente, el
autotransformador limita las sobretensiones transitorias
en las fases no afectadas por la falla, evitando daños en los equipos y
garantizando la seguridad del personal.
Ventajas:
- Punto neutro artificial:
Permite conectar a tierra sistemas trifásicos que carecen de un neutro.
- Gestión de fallas:
Ofrece un camino de baja impedancia para las corrientes de falla, lo que
facilita su detección y desconexión por parte de los sistemas de
protección.
- Mitigación de armónicos: La
conexión en zig-zag ayuda a eliminar las tripletas armónicas (múltiplos de
3), mejorando la calidad de la energía.
- Equilibrio de cargas: Permite distribuir el neutro y manejar cargas desequilibradas sin producir desequilibrios en el lado primario.
Este video explica en detalle el funcionamiento de
los transformadores en zig-zag y su uso en parques eólicos y fotovoltaicos. v72
Transformador ZigZag y su uso en Parques Eolico & Fotovoltaico.
Autotransformadores reguladores de voltaje trifásico:
Los autotransformadores reguladores
de voltaje trifásicos son dispositivos diseñados para mantener un voltaje de salida constante en sistemas
eléctricos de tres fases, incluso cuando el voltaje de entrada experimenta
fluctuaciones. Estos equipos son cruciales en entornos industriales,
comerciales y de distribución de energía, donde la estabilidad del voltaje es
esencial para el buen funcionamiento de la maquinaria y para prevenir daños.
Consideraciones del Diagrama:
· Aplicación: Estos autotransformadores se usan para ajustar el
voltaje en un sistema trifásico, generalmente en pequeños pasos, para compensar
caídas de voltaje en líneas largas o para mantener un voltaje constante en una
carga.
· Conexión en Y
(Estrella) o Delta: Aunque los
autotransformadores pueden conectarse de varias maneras, una configuración
común para regulación de voltaje trifásico es la conexión en Y (estrella) para
las bobinas principales, donde el punto neutro puede o no estar conectado a
tierra.
· Taps
(Derivaciones): La característica
distintiva de un regulador de voltaje es la presencia de "taps" o
derivaciones en los devanados. Estos puntos de conexión adicionales permiten
cambiar la relación de vueltas del autotransformador y, por lo tanto, ajustar
el voltaje de salida.
· Mecanismo de
Cambio de Tap: En la práctica, estos
taps se conectan a un conmutador (tap changer) que puede ser manual o
automático. Para simplificar el diagrama, se muestran los taps, pero el
conmutador no se detalla.
· Rango de
Regulación: Los taps permiten
"sumar" o "restar" vueltas al devanado secundario (o común
en un autotransformador) para aumentar o disminuir el voltaje de salida
respecto al voltaje de entrada.
Funcionamiento:
El principio de funcionamiento se basa en la
capacidad del autotransformador para ajustar la relación de espiras
entre la entrada y la salida. A diferencia de los autotransformadores
elevadores/reductores fijos, los reguladores de voltaje cuentan con mecanismos
automáticos que les permiten modificar el voltaje en tiempo real.
- Monitoreo constante: El
regulador monitorea continuamente el voltaje de las tres fases de la red
eléctrica.
- Detección de fluctuaciones:
Cuando detecta una caída o un pico de voltaje, un circuito de control
envía una señal para activar un cambiador de tomas (tap changer).
- Ajuste automático: El cambiador de tomas se mueve a lo largo de las bobinas del autotransformador, seleccionando una nueva toma para modificar la relación de transformación. Esto ajusta el voltaje de salida para que vuelva a su nivel nominal y deseado.
Estos ajustes se realizan de forma automática y continua para garantizar que el voltaje de los equipos conectados se mantenga dentro de un rango seguro y estable.
Usos y Aplicaciones:
Los autotransformadores reguladores de voltaje
trifásicos son esenciales en una variedad de aplicaciones donde la calidad de
la energía es crítica.
- Protección de equipos sensibles:
Protegen equipos costosos y delicados, como servidores de datos, equipos
médicos, sistemas de control industrial y maquinaria de producción, de
daños causados por picos y caídas de voltaje.
- Distribución de energía: Se
instalan en las redes de distribución para compensar las caídas de voltaje
en líneas de transmisión largas, asegurando que los usuarios finales
reciban un suministro estable.
- Eficiencia energética: Al mantener el voltaje en niveles óptimos, contribuyen a la eficiencia energética de las instalaciones y reducen los costos operativos.
Este video profundiza en la estructura y el
funcionamiento de los transformadores trifásicos y su papel en la distribución
eléctrica.
