Diferencias entre el Transformador y el Autotransformador

Según IEC 60076-1, el transformador es un aparato estático, con dos arrollamientos o más, que por inducción electromagnética transforma un sistema de tensión y corriente en otro sistema de tensión y corriente alterna, de la misma frecuencia, generalmente de valores diferentes, con el fin de transmitir la potencia eléctrica.

Consiste en un núcleo cerrado de material con propiedades ferromagnéticas cuya función es la de canalizar el flujo magnético que se genera cuando circulan corrientes alternas por los bobinados.

Los bobinados de entrada (primario) y de salida (secundario) están formados por devanados eléctricos de hilo conductor arrollados sobre el núcleo de hierro (figura 1).

Entre el bobinado primario y el secundario no existe ninguna conexión eléctrica o acoplamiento galvánico que los una, sino que es un acoplamiento electromagnético el que transmite la potencia entre uno y otro devanado.

Figura 1: Transformador monofásico

Los transformadores son indispensables en los sistemas de distribución y transporte de energía eléctrica, porque permiten:

• Elevar la tensión de salida de las centrales eléctricas para reducir pérdidas en la transmisión de energía (Subestaciones de Central).
• Conectar diferentes redes de transporte que sean de diferentes tensiones (Subestaciones de Interconexión).
• Reducir la tensión de transporte hasta los niveles más convenientes y seguros para su distribución y el consumo (Subestaciones de Reparto, de Distribución y Centros de Transformación).
• Utilización de transformadores en sistemas de distribución (desde las centrales a los consumidores)
• Cambiar de régimen de neutro en distribuciones de BT.
• Aislar circuitos para evitar perturbaciones electromagnéticas.
• Limitar o atenuar armónicos

En su caso, un autotransformador es un transformador en el cual un solo devanado situado sobre el núcleo magnético sirve como primario y secundario (figura 2). En definitiva, no es más que un divisor de tensión.

Figura 2: Obtención del autotransformador a partir de un transformador

Ventajas e inconvenientes del autotransformador frente al transformador

Ventajas

• Ahorro en materiales, así como en tamaño y peso.

Se eliminan las N2 espiras secundarias, se reduce la sección de los N2 conductores del primario y se reduce el circuito magnético, lo que repercute en una reducción del tamaño, el peso y el precio.

•  Reducción de pérdidas y mejora de rendimientos.

Se reducen las pérdidas por efecto Joule al suprimir el secundario y también se reducen las pérdidas en el hierro por reducir la longitud y peso del núcleo. Además los flujos de dispersión son menores por la propia naturaleza del devanado.

•  Transformación con reducida caída de tensión.

Debido a su menor resistencia y reactancia (al existir menos espiras), resulta un bajo valor de la caída de tensión  e_c.

• Menor corriente de vacío de la que se requeriría en un transformador normal para conseguir el mismo flujo por el núcleo.

El empleo de autotransformadores se justifica en aquellos casos en que hay que realizar la transformación de una tensión en otra relativamente parecida (por ejemplo, discrepantes un 25%). Para estos casos, el autotransformador es notablemente más económico y eficiente que el transformador, siendo sus aplicaciones más importantes:

-    La interconexión de redes de alta tensión,
-    La compensación de caídas de tensión en grandes líneas de transmisión,
-    El arranque de motores asíncronos,
-    La transformación de un sistema bifilar en trifilar,
-    La distribución de cargas entre transformadores con impedancias o tensiones ligeramente diferentes.
-    En reactancias de puesta a tierra en conexión zig-zag
 
Inconvenientes

• No existe aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, lo cual es peligroso en según qué aplicaciones.
• Su bajo valor de la caída de tensión e_c provoca problemas en caso de cortocircuito, pues supone corrientes más elevadas que en un transformador normal.
• Si la relación de transformación fuese muy elevada (por ejemplo 10.000/220 V) tiene el inconveniente de presentar un borne común a la parte de alta y baja tensión. Si por accidente el terminal A de alta se conecta a tierra, los terminales de baja tensión (A' = a') pasarían a tener unas tensiones respecto a tierra de 10.000 y 9.780 V (figura 3). Este inconveniente se evita conectando el borne común A' = a' a tierra (figura 4).

Figura 3: Inconveniente en caso de cortocircuito a tierra en el devanado de alta tensión en un autotransformador

Figura 4: Conexión del punto común de ambos devanados a tierra

• La solución anterior no supera todos los inconvenientes, pues si se rompe el devanado entre a y a’, quedando abierto (figura 5), el punto a quedaría al potencial que tiene A respecto tierra, esto es, 10.000 V.

Figura 5: Inconveniente por rotura del devanado

• Otra desventaja de los autotransformadores estriba en su dificultad en el trabajo en paralelo. Los valores bajos de  e_c hacen difícil su ajuste. Además, inductancias externas, por ejemplo de líneas, conexiones, etc., pueden influir sensiblemente.

Debido a estos graves inconvenientes, se limita el uso de los autotransformadores a los casos en que no exista mucha diferencia entre las tensiones U1 y U2. En términos de seguridad su empleo debe restringirse a tensiones que no difieran entre sí más de un 25%, siendo obligatorio conectar a tierra el borne común de ambos devanados (RAT ITC 07). En términos generales se puede decir que las ventajas de los autotransformadores con relación a los transformadores disminuyen  cuando se aumenta la relación de transformación, por lo que en tales casos, o bien el transformador convencional de dos devanados es más compacto y económico, o bien resulta imposible construir el autotransformador.

Autor: Andrés Granero