BACHILLER: RON JANAHINA C.I. 20772129

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA ¨ANTONIO JOSÈ DE SUCRE¨

VICERRECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÌA ELÉCTRICA

SECCIÒN N1 MAQUINAS ELÈCTRICAS I

PUERTO ORDAZ, 15/09/2011

PROFESOR: LEONARDO MILLAN

AUTOTRANSFORMADOR

INTRODUCCIÓN

El transformador tipo que hemos estado estudiando ya vimos que posee sus

arrollamientos primario y secundario aislados y separados entre sí. Existe, sin embargo, otro

tipo de unidad denominada autotransformador, el cual posee solo un devanado actuando

como primario y secundario. Un autotransformador es una bobina sobre un núcleo magnético

con una toma intermedia.

El autotransformador puede ser considerado simultáneamente como un caso

particular del transformador o del bobinado con núcleo de hierro. Este dispone de cuatro

bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en común con el transformador.

La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a

un autotransformador ocurre a través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético y

la conexión galvánica entre los dos circuitos. Por esta razón, un autotransformador resulta en

un aparato más compacto (y a menudo más económico) que un transformador de la misma

potencia y tensiones nominales. De igual manera, un transformador incrementa su capacidad

de transferir potencia al ser conectado como autotransformador.

En la práctica se emplean los autotransformadores en algunos casos en los que

presenta ventajas económicas, sea por su menor costo o su mayor eficiencia.

El siguiente informe va encaminado a la forma más sencilla de bobinar un

autotransformador, conocer su funcionamiento, sus posibles fallas, recordando que trabajar

con electricidad es de gran riesgo. Además demostrar como al conectar un transformador

como autotransformador, aumenta su capacidad para transferir potencia en una proporción

determinada por la relación de transformación de la conexión como transformador.

Recordando a continuación conceptos e incluso adquiriendo nuevos en base a la investigación

detenida que realizamos para conocer más sobre el autotransformador.

OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES

Analizar experimentalmente el comportamiento de un transformador funcionando

como un autotransformador

Analizar detenidamente su funcionamiento y las aplicaciones que se les da.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Bosquejar los respectivos diagramas fasoriales.

Realizar las mediciones necesarias para determinar los parámetros del circuito del

Autotransformador.

ELEMENTOS Y EQUIPOS REQUERIDOS

2 AMPERÍMETROS

1 VATÍMETRO

1 MULTÍMETRO

RESISTENCIA DE 10Ω

1 FUENTE DE VOLTAJE

1 TRANSFORMADOR 3KVA 110/220 V

CONDUCTORES Y AUTOTRANSFORMADORES

MARCO TEÓRICO

1. DEFINICIÓN DE AUTOTRANSFORMADOR

Un autotransformador es una máquina eléctrica, de construcción y características similares

a las de un transformador, 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).

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.

La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a

un autotransformador ocurre a través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético (como

en un transformador común) y la conexión galvánica (a través de la toma común) entre los dos

circuitos. Por esta razón, un autotransformador resulta en un aparato más compacto (y a

menudo más económico) que un transformador de la misma potencia y tensiones nominales.

De igual manera, un transformador incrementa su capacidad de transferir potencia al ser

conectado como autotransformador.

2. CONSTRUCCIÓN DE UN AUTOTRANSFORMADOR A PARTIR DE UN TRANSFORMADOR

En un transformador, las definiciones de primario y secundario son:

: Tensión en el devanado primario

: Corriente en el devanado primario

: Tensión en el devanado secundario

: Corriente en el devanado secundario

Al conectarlo como autotransformador, hay que redefinir primario y secundario como:

: Tensión en el primario (devanado serie + común)

: Tensión en el secundario (devanado común)

: Corriente en el primario (devanado serie + común)

: Corriente en el secundario (devanado común)

Comparando ambas posibilidades de conexión, se observa que se cumplen las

siguientes relaciones

:

Pero:

Despreciando la rama en paralelo:

Con respecto a la potencia, para el transformador se cumple que:

o bien, despreciando las pérdidas,

La potencia al conectarlo como autotransformador es:

o bien, despreciando las pérdidas,

si se sustituyen los valores y se agrupa correctamente, se obtiene:

Por lo tanto, al conectar un transformador como autotransformador, este aumenta su

capacidad para transferir potencia en una proporción determinada por la relación de

transformación de la conexión como transformador. La implicación directa de esta deducción

matemática es que para transferir la misma cantidad de potencia entre dos circuitos, un

autotransformador es de menor tamaño que un transformador equivalente.

3. FUNCIONAMIENTO

Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en

el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, por lo que tampoco pueden ser

utilizados en circuitos de corriente continua. Para reducir al mínimo las pérdidas en el núcleo

debidas a corrientes de Foucault y a la histéresis magnética, se suele utilizar acero eléctrico,

laminado en finas chapas que luego se apilan y compactan. Las láminas del núcleo así

construido se orientan haciendo coincidir la dirección del flujo magnético con la dirección de

laminación, donde la permeabilidad magnética es mayor.

La relación de transformación de un autotransformador es la relación entre el número de

vueltas del devanado completo (serie + común) y el número de vueltas del devanado común.

Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puede obtener una tensión de salida

(en el devanado "común") igual a la mitad del de la fuente (o viceversa). Dependiendo de la

aplicación, la porción del devanado que se utiliza sólo para el circuito de alta tensión se puede

fabricar con alambre de menor calibre (puesto que requiere menos corriente) que la porción

del devanado común a ambos circuitos; de esta manera la maquina resultante es aún más

económica.

4. 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"- 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.

5. APLICACIONES

Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia, para

interconectar circuitos que funcionan a voltajes diferentes, pero en una relación cercana a2:1

(por ejemplo, 400 kV / 230 kV ó 138 kV / 66 kV). En la industria, se utilizan para conectar

maquinaria fabricada 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 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 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, 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).

6. COMPARANDO EL AUTOTRANSFORMADOR CON EL TRANSFORMADOR DEL QUE PROCEDE

-Transfiere más potencia. - El rendimiento es mucho mejor, (con las mismas pérdidas transfiere más potencia). - Tiene una tensión de cortocircuito pequeña, lo que plantea el inconveniente de que la corriente en caso de cortocircuito es elevada. - No tiene aislados primario y secundario. - Aunque cuesta aproximadamente el mismo dinero que el transformador (ambos tienen el mismo material), puede transmitir más potencia.

7. COMPARANDO UN AUTOTRANSFORMADOR CON UN TRANSFORMADOR DE LA MISMA POTENCIA

- Tiene menores reactancias de dispersión, ya que el flujo de las primeras espiras del primario está completamente concatenado por las espiras del secundario (son comunes). - Tiene menores pérdidas de potencia, pues en las espiras en común del primario y del secundario sólo circula una intensidad, mientras que en el transformador circula por un lado Ip

y por el otro Is. - Necesita menor corriente de excitación, al poder ser el circuito magnético de menor longitud, o sea de menor reluctancia. - Es de menor tamaño, emplea menos hierro y cobre, por lo que cuesta menos dinero cuando la relación de transformación no es muy diferente de 1:1. - Presenta la desventaja de no tener aislados los devanados.

Por todo ello, el autotransformador puede ser una opción válida para relaciones de transformación próximas a la unidad cuando no sea imprescindible tener aislados galvánicamente primario y secundario. Cuando la toma intermedia del autotransformador se puede variar, se tiene un autotransformador variable, que es muy utilizado en laboratorios para la regulación de la tensión.

PROCEDIMIENTO

Montar el circuito de la figura

Aplicamos 120v de tensión en el primario.

Medimos la corriente en el primario IH (devanado serie), el voltaje en el secundario

(devanado común) Vx.

Medimos la corriente en el secundario (devanado serie + común) Ix.

Calculamos Saut.

CÁLCULOS

VALORES NOMINALES TEÓRICOS

Sn= 3KVA

AUTOTRANSFORMADOR: VH= ? IH= ? Vx= ? Ix=? Saut=?

TRANSFORMADOR:

V1= 110V

V2= 220V St= 3KVA I1= 27.27 A I2=13.63A ENTONCES:

IH=I1= 27.27 A

Ix= I1+I2 Ix= 27.27A + 13.63A= 41 A Vx= V2 = 220v VH= V1+V2= 330V VALORES REALES DE LA PRÁCTICA

TRANSFORMADOR: V2= Vx= 78V I1=IH= 4.8 A V1= VH – V2= 120V – 78V= 42V I2= Ix – I1 = 7.5A – 4.8A = 2.7 A St= V2 x I2 = 78V x 2.7A = 210.6 VA

AUTOTRANSFORMADOR: VH= 120V IH= 4.8 A (MEDIDO) Vx= 78 V (MEDIDO) Ix=7.5 A (MEDIDO) Saut=?

TRANSFORMADOR: V1= ? I1= ? V2= ? I2=? St=?

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Al calcular los valores nominales del transformador, nos dimos cuenta que el valor de Saut es más del doble que la potencia para el transformador St; logramos puntualizar que al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, por lo que tampoco pueden ser utilizados en circuitos de corriente continua. 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). Para aprovechar al máximo la capacidad del autotransformador se debe construir con los materiales especificados y con todas las indicaciones realizadas anteriormente para reducir las diversas pérdidas que afectan. la construcción de un autotransformador es relativamente sencilla en comparación al transformador por lo que es más económico; lo cual lo convierte en una buena opción para diversas aplicaciones.

Un autotransformador es de menor tamaño que un transformador equivalente, emplea menos hierro y cobre, por lo que cuesta menos dinero cuando la relación de transformación no es muy diferente de 1:1. presenta la desventaja de no tener aislados los devanados.

Por todo ello, el autotransformador puede ser una opción válida para relaciones de

transformación próximas a la unidad cuando no sea imprescindible tener aislados

galvánicamente primario y secundario. Para finalizar de acuerdo a los resultados de la práctica

un autotransformador transfiere más potencia que un transformador, y esta potencia aumenta

cuando colocamos la bobina menor en el devanado serie.

BIBLIOGRAFIA

STEPHEN J. CHAPMAN Máquinas Eléctricas. IRVING L. KOSOW Máquinas Eléctricas y Transformadores. IRVING L. KOSOW Máquinas Eléctricas y Transformadores. ENRIQUE RAS OLIVA Transformadores.

FUENTES VIRTUALES

http://es.wikipedia.org/wiki/Autotransformador http://www.unicrom.com/foro/autotransformadore

s