Un cambiador de tomas en un transformador es un mecanismo esencial que permite variar la relación de tensión por medio de pasos discretos. Su función principal es ajustar la relación de transformación, lo que se logra instalando tomas en uno de los devanados del transformador. Gracias a estas tomas, se modifica el número de espiras y, de este modo, se puede regular la tensión en el devanado secundario.
En los sistemas eléctricos modernos, los cambiadores de tomas de transformadores son fundamentales para mantener la estabilidad de la tensión en las redes de distribución, garantizar la fiabilidad y proteger los equipos.
Ubicación y Principio de Funcionamiento
El cambiador de tomas se encuentra generalmente en el bobinado de alta tensión de los transformadores, como los transformadores secos Resiglas. Esta ubicación se elige porque en el lado de alta tensión la corriente es menor, lo que minimiza los requisitos de los contactos y hace que la instalación sea menos costosa.
Configurar una toma implica simplemente cambiar el orden de las conexiones entre los puntos particulares del devanado, de forma idéntica en todos los bobinados de alta tensión. Los ajustes individuales, es decir, el orden de conexión de las tomas, se suelen presentar como un diagrama en una pegatina en la barra del cabezal del transformador.
Regulación de Tensión
La capacidad de un cambiador de tomas para modificar el número de espiras permite la regulación del voltaje. Los sensores monitorean la tensión de salida para detectar variaciones. Por ejemplo, en un parque solar, la nubosidad repentina puede reducir la producción, provocando caídas de tensión. En una planta eólica, las ráfagas de viento pueden generar sobretensiones.
- Si la tensión baja es demasiado baja, significa que la tensión alta también es insuficiente. En este caso, el cambiador de tomas debe configurarse para una tensión alta inferior (por ejemplo, entre 21.000 y 20.475 V) para compensar.
- Si la tensión baja es excesiva, indica que la tensión alta también es demasiado elevada. Por lo tanto, el cambiador de tomas debe configurarse para una tensión alta superior (por ejemplo, entre 21.000 y 21.525 V) para corregir el exceso.
Que son los TAP'S en los transformadores eléctricos.
Historia del Cambiador de Tomas
El cambiador de tomas fue inventado en 1926 por el Dr. Bernhard Jansen. Sin embargo, no fue hasta cuatro años más tarde, en 1930, que se instalaron los primeros cambiadores de tomas en la historia de la ingeniería eléctrica.
Tipos de Cambiadores de Tomas
Existen dos tipos principales de cambiadores de tomas, cada uno adaptado a diferentes necesidades operativas:
Cambiador de Tomas Sin Carga (NLTC)
El cambiador de tomas sin carga, conocido por sus siglas NLTC (No-Load Tap Changer), también es llamado OCTC (Off-Circuit Tap Changer) o DETC (De-Energized Tap Changer). Este tipo de cambiador requiere que el transformador sea desenergizado para su uso, lo que implica una interrupción del suministro eléctrico.
Se utiliza en situaciones donde no se necesita un cambio frecuente en la relación de transformación, y la desenergización del transformador no representa un problema significativo o un alto costo. Es común en transformadores de baja potencia y bajo voltaje, donde la toma puede ser simplemente una terminal de conexión que se ajusta manualmente.
En transformadores de distribución de alta tensión, los NLTC se emplean para ajustar variaciones del sistema de transmisión dentro de un rango estrecho respecto al valor nominal. Generalmente, la tensión del transformador se fija en el momento de la instalación y se modifica una o dos veces a lo largo de su vida útil, por ejemplo, ante una modificación permanente de la tensión de la red.
Cambiador de Tomas Bajo Carga (OLTC)
El cambiador de tomas bajo carga, o OLTC (On-Load Tap Changer), se utiliza en escenarios donde la interrupción del suministro de energía es inaceptable. Estos dispositivos pueden ajustar la toma del transformador en condiciones de carga, sin necesidad de desconectar el sistema.
En la versión mecánica de un OLTC, la nueva conexión se establece antes de desconectar la antigua para evitar interrupciones. Para ello, se introduce una impedancia de gran valor (resistiva o inductiva) en serie con las espiras cortocircuitadas antes de realizar la nueva conexión. Esta técnica supera los problemas de circuito abierto o cortocircuito en las tomas, aunque el cambio debe realizarse rápidamente para evitar el sobrecalentamiento del conmutador.
Para anular los arcos eléctricos en las tomas, el cambiador suele estar lleno de aceite de transformador. Algunos diseños modernos emplean tiristores, que toman la corriente en caliente mientras los contactos principales cambian de toma. Esto previene los arcos eléctricos en los contactos principales y prolonga la vida útil entre servicios de mantenimiento. Sin embargo, una desventaja de los tiristores es que los conectados a las tomas no seleccionadas, que no están conduciendo, continúan disipando potencia debido a su corriente de fuga, lo que aumenta las pérdidas del transformador.
Un motor de baja potencia es usualmente el encargado de contraer grandes resortes y luego liberarlos para efectuar la operación de cambio de toma.
Consideraciones Adicionales
Usualmente, las tomas se realizan en el devanado de alto voltaje o baja corriente del transformador para minimizar los requerimientos de los contactos en el manejo de niveles de corriente. Sin embargo, los requisitos de aislamiento pueden ubicar a las tomas en el devanado de bajo voltaje en ciertos casos.
Para minimizar el número de espiras y el tamaño físico del transformador, se puede utilizar el devanado reverso, que es una porción del devanado principal enrollada en la dirección opuesta.
Las empresas de servicios públicos y las industrias recurren con frecuencia a servicios especializados de pruebas de transformadores de potencia para garantizar el correcto funcionamiento de los cambiadores de tomas, asegurando así la estabilidad y fiabilidad de la red.