Universidad Tecnológica MetropolitanaIngeniería en electrónica21036

Laboratorio de Conversión de la Energía ElectromagnéticaExperiencia nº 3

“Autotransformador”

Profesor: Héctor ContrerasIntegrantes: Carlos Cofre

Geovanny VillasecaClaudio Correa

Introducción:

El autotransformador es un tipo de transformador que transmite potencia por conducción eléctrica e inducción magnética.

En esencia se caracteriza el autotransformador por poseer un solo circuito eléctrico, del cual parten cuatro salidas, dos primarias A y B y dos secundarias C y B, como se puede ver en la siguiente figura.

Figura 1

Entre las bornas A y B, el bobinado tiene N1 espiras, cuyo número corresponde a la alta tensión. En este bobinado se ha efectuado una derivación en el punto C distante, N2 espiras del extremo B, de forma que el trozo BC corresponde a la baja tensión. Así pues, en este bobinado se distinguen dos partes distintas, una CB común a los circuitos de alta y baja tensión y otra AC conectada en serie con la anterior, que pertenece sólo a la alta tensión.

El autotransformador posee ventajas y desventajas respecto al transformador. La principal ventaja es que ocupa un menor espacio, esto se debe a que se necesitan menos materiales para su construcción, ya que por ejemplo se necesitan menos bornes y un solo bobinado, entre muchos otros materiales que disminuyen en cantidad respecto a un transformador. Esto permite optimizar espacios, lo que en algunos casos se puede convertir en una gran ventaja. En tanto la desventaja principal, será que no dispone de aislación galvánica entre los bobinados, (ya que se encuentran unidos en uno solo), por lo que si sube el potencial en uno de éstos, subirá también en el otro. Además si se genera un cortocircuito en el primario, el secundario se verá muy afectado también por él, entonces esto provocará una gran cantidad de problemas. Todo lo anterior se puede apreciar analizando el siguiente esquemático que corresponde a un autotransformador:

Como podemos notar en el circuito tenemos un solo bobinado, desde el cual salen los bornes secundarios en la parte que sería la segunda bobina de un transformador monofásico normal y los bornes de entrada están en los extremos de las bobinas. Dependiendo de cuál bobinado se asigne como entrada es que se tratará de un elevador o un reductor.

Del circuito anterior podemos desprender las siguientes ecuaciones, que son las que regirán el funcionamiento de los autotransformadores (dejando en claro que esto será para el caso reductor, en el caso del elevador se deberá cambiar A por B):

Suponiendo que es ideal:

Sustituyendo ec.1 en ec.3:

Utilizando el mismo razonamiento para las corrientes, tenemos:

Con respecto a las potencias, debemos recordar lo que dijimos con respecto a que tiene un solo bobinado, por ende no presenta aislamiento galvánico entre primario y secundario. Esto es una desventaja desde el punto de vista de los riesgos, pero una ventaja por otro lado, ya que permite manejar potencias mayores. Tendremos que suponer un caso ideal para mostrar las siguientes ecuaciones de potencia:

La potencia en cada devanado es:

Obteniéndose:

De esta última ecuación se puede desprender que un transformador conectado como autotransformador puede manejar una potencia mayor, que conectando ese mismo transformado de la forma normal.

Como último punto se debe decir que al conectar un transformador normal como autotransformador, su razón de transformación es igual a sumarle 1 a la razón como transformador. Esto lo demostraremos en el trabajo de laboratorio.

Un ejemplo de autotransformador sería el Variac que usamos en el laboratorio:

Tal como vemos en la segunda imagen, alrededor del núcleo de hierro solamente hay un bobinado, con lo cual podemos comprobar que el variac se trata de un autotransformador.

Objetivos:

-Estudiar experimentalmente el comportamiento de un transformador como autotransformador.

-Determinar los parámetros de su modelo matemático

-Concluir las ventajas y desventajas del autotransformador con respecto al transformador.

Instrumentos a utilizar:

-1 transformador monofásico 220/2 x 110 V

-2 voltímetros de c.a.

-3 amperímetros de c.a.

-2 wáttmetro monofásico (o digitales)

-1 resistencia de jaula

-16 cables de conexiones

-1 pila de 1,5 V

-1 polímetro

Trabajo de laboratorio:

1.-Lo primero que hicimos fue conectar el transformador monofásico como autotransformador, para esto seguimos el siguiente esquema:

Esto se hizo para poder determinar la relación de transformación del transformador conectado como autotransformador, los datos obtenidos son los que están en la siguiente tabla:

Vin Vout50 25

100 48150 72200 94220 102

Para determinar la relación de transformación hacemos:

-Con Vin=50V y Vout=25V:

a=2550

=0,5

-Con Vin=100V y Vout=48V:

a= 48100

=0,48

-Con Vin=150V y Vout=72V:

a= 72150

=0,48

-Con Vin=200V y Vout=94V:

a= 94200

=0,47

-Con Vin=220V y Vout=102V:

a=102220

=0,0,4636

Ahora hacemos:

a=∑i=1

5

ai

5=0,5+0,48+0,48+0,47+0,4636

5=0,47872

Por lo tanto el valor de la razón de transformación es ɑ=0,47872.

El gráfico de la razón de transformación será:

2.-El segundo punto fue hacer las mediciones para determinar el rendimiento, acá se obtuvieron los siguientes datos, pero solamente se midió el voltaje de entrada y no la corriente ni potencia de entrada, la tabla de datos es:

Vin Vout Iout Pout212 107,4 1,7 184211 107,0 1,92 209213 106,7 2,39 258210 106,5 2,87 311209 104,3 6,98 732

Para la obtención de estos datos, se conectó el autotransformador directamente a los 220 voltios, y se puso en serie con la resistencia de jaula, ya que a través de ésta pudimos ir variando la corriente que circulaba por el autotransformador.

La gráfica del rendimiento será:

3.-En este punto medimos voltajes de entrada y salida, para esto, realizamos la siguiente conexión, buscando llegar a 440V:

Al realizar las mediciones de los voltajes, conforme íbamos variando lo que se entregaba con el variac, los datos obtenidos fueron:

Vin Vout60 13075 150

100 200150 300175 350200 400220 440

Podemos notar que el circuito funciona como un elevador perfecto, ya que solamente en la primera medida de 60V-130V no es el doble el voltaje de salida que el de entrada, mientras que en todas las medidas siguientes se cumple que el voltaje de entrada se aumenta al doble en la salida. Esto depende también de la ubicación de los voltímetros, ya que debe respetarse como están en la figura, ya que si se colocan en otro lugar, esto no se cumplirá. Además si se cambia la polaridad de éstos, no marcarán nada, ya que los voltajes en la salida se restarán.

Gráfico Vin vs Vout:

Conclusiones:

Beneficios y ventajas:

Solo un porcentaje de la energía se trasmite por inducción, esto significa menor flujo del campo y menor tamaño del núcleo de hierro. Por lo tanto se obtienen transformadores más livianos.

El transformador lleva un solo bobinado, por lo tanto es más fácil de construir y requiere menos cobre. En consecuencia es más económico.

Parte de la energía del transformador se transmite eléctricamente. Las perdidas eléctricas siempre son menores que las perdidas magnéticas, por lo tanto, el autotransformador tiene mayor rendimiento

Desventajas del autotransformador:

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 maquina, pero si por alguna

razón se produce un cortocircuito a la salida, la corriente que circulara por la entrada será mayor que en un transformador común. Y esto representa un mayor riesgo en la instalación eléctrica.

Y si de riesgos hablamos, el hecho de que la salida del transformador no está aislada con la entrada, este se vuelve inseguro para la persona que lo operando