¿Cuál es el propósito de un transformador?

La mayoría de las personas probablemente han oído hablar de los transformadores y son conscientes de que son parte de lo que es siempre evidente pero aún así. misteriosa red de energía que entrega electricidad a hogares, negocios y cualquier otro lugar donde hay "jugo" necesario. Pero la persona típica se resiste a aprender los puntos más sutiles del suministro de energía eléctrica, tal vez porque todo el proceso parece estar envuelto en peligro. Los niños aprenden desde pequeños que la electricidad puede ser muy peligrosa y todos se dan cuenta de que cualquier Los cables de la compañía eléctrica se mantienen fuera de su alcance (o, a veces, enterrados en el suelo) por una buena razón.

Pero la red eléctrica es de hecho un triunfo de la ingeniería humana, sin la cual la civilización sería irreconocible de la que habitas hoy. El transformador es un elemento clave en el control y suministro de electricidad desde el punto en el que se se produce en plantas de energía hasta justo antes de que ingrese a una casa, edificio de oficinas u otro extremo destino.

Piense en una presa que retiene millones de galones de agua para formar un lago artificial. Debido a que el río que alimenta este lago no siempre lleva la misma cantidad de agua a la zona, sus aguas tienden a subir en el primavera después de que la nieve se derrita en muchas áreas y refluya en el verano durante las épocas más secas, cualquier presa eficaz y segura debe estar equipada con dispositivos que permiten un control más fino del agua que simplemente detener su flujo hasta que el nivel sube tanto que el agua simplemente se derrama encima de eso. Por lo tanto, las presas incluyen todo tipo de compuertas y otros mecanismos que dictan cuánta agua se consumirá. pasar al lado aguas abajo de la presa, independientemente de la cantidad de presión del agua en la parte superior lado.

Así es aproximadamente como funciona un transformador, excepto que el material que fluye no es agua sino corriente eléctrica. Los transformadores sirven para manipular el nivel de voltaje que fluye a través de cualquier punto de una red eléctrica (descrito con gran detalle a continuación) de una manera que equilibre la eficiencia de la transmisión con la seguridad básica. Claramente, es económicamente y prácticamente ventajoso tanto para los consumidores como para los propietarios de la central eléctrica y red eléctrica para evitar pérdidas de energía entre la electricidad que sale de la planta de energía y su llegada a los hogares u otros destinos. Por otro lado, si la cantidad de voltaje que circula a través de un cable de alta tensión típico no disminuyó antes de ingresar a su hogar, se produciría el caos y el desastre.

El voltaje es una medida de la diferencia de potencial eléctrico. La nomenclatura puede resultar confusa porque muchos estudiantes han escuchado el término "energía potencial", lo que facilita confundir voltaje con energía. De hecho, el voltaje es energía potencial eléctrica por unidad de carga, o julios por culombio (J / C). El culombio es la unidad estándar de carga eléctrica en física. A un solo electrón se le asigna -1,609 × 10^-19 culombios, mientras que un protón lleva una carga de igual magnitud pero en dirección opuesta (es decir, una carga positiva).

La palabra clave aquí, en realidad, es "diferencia". La razón por la que los electrones fluyen de un lugar a otro es la diferencia de voltaje entre los dos puntos de referencia. El voltaje representa la cantidad de trabajo que se requeriría por unidad de carga para mover la carga contra un campo eléctrico desde el primer punto al segundo. Para tener una idea de la escala, sepa que los cables de transmisión de larga distancia generalmente transportan de 155,000 a 765,000 voltios, mientras que el voltaje que ingresa a una casa suele ser de 240 voltios.

En la década de 1880, los proveedores de servicios eléctricos utilizaban corriente continua (CC). Esto estaba plagado de responsabilidades, incluido el hecho de que la CC no se podía usar para iluminación y era muy peligrosa, ya que requería capas gruesas de aislamiento. Durante este tiempo, un inventor llamado William Stanley produjo la bobina de inducción, un dispositivo capaz de crear corriente alterna (CA). En el momento en que Stanley ideó este invento, los físicos conocían el fenómeno de la CA y las ventajas que ofrece. en términos de suministro de energía, pero nadie había podido encontrar un medio para suministrar CA en un gran escala. La bobina de inducción de Stanley serviría como plantilla para todas las variaciones futuras del dispositivo.

Stanley estuvo a punto de convertirse en abogado antes de decidirse a trabajar como electricista. Comenzó en la ciudad de Nueva York antes de mudarse a Pittsburgh, donde comenzó a trabajar en su transformador. Construyó el primer sistema de energía de CA municipal en 1886 en la ciudad de Great Barrington, Massachusetts. Después del cambio de siglo, General Electric compró su compañía eléctrica.

Un transformador puede aumentar (aumentar) o disminuir (reducir) el voltaje que viaja a través de los cables de alimentación. Esto es ligeramente análogo a la forma en que el sistema circulatorio puede aumentar o disminuir el suministro de sangre a ciertas partes del cuerpo según la demanda. Después de que la sangre ("energía") sale del corazón (la "planta de energía"), para alcanzar una serie de puntos de ramificación, puede terminar viajando hacia la parte inferior del cuerpo en lugar de la parte superior del cuerpo, y luego a la pierna derecha en lugar de la izquierda, y luego a la pantorrilla en lugar del muslo, etc. Esto se rige por la dilatación o constricción de los vasos sanguíneos en los órganos y tejidos diana. Cuando se genera electricidad en una planta de energía, los transformadores aumentan el voltaje desde unos pocos miles hasta cientos de miles para fines de transmisión a larga distancia. A medida que estos cables llegan a puntos llamados subestaciones eléctricas, los transformadores reducen el voltaje a menos de 10,000 voltios. Probablemente haya visto estas subestaciones y sus transformadores de nivel intermedio en sus viajes; los transformadores suelen estar alojados en cajas y se parecen un poco a los refrigeradores colocados al costado de la carretera.

Cuando la electricidad sale de estas estaciones, lo que generalmente puede hacer en varias direcciones diferentes, encuentra otros transformadores más cerca de su punto final en subdivisiones, vecindarios e individuos hogares. Estos transformadores reducen el voltaje de menos de 10,000 voltios a aproximadamente 240, más de 1,000 veces menos que los niveles máximos típicos observados en cables de alta tensión de larga distancia.

Los transformadores son, por supuesto, solo un componente de la llamada red eléctrica, el nombre del sistema de cables, interruptores y otros dispositivos que producen, envían y controlan la electricidad desde donde se genera hasta donde se produce finalmente utilizado.

El primer paso para crear energía eléctrica es hacer girar el eje de un generador. A partir de 2018, la mayoría de las veces esto se hace utilizando vapor liberado en la combustión de un combustible fósil, como carbón, petróleo o gas natural. Las plantas de energía nuclear y otros generadores de energía "limpia", como las plantas hidroeléctricas y las granjas de molinos de viento, también pueden aprovechar o producir la energía necesaria para impulsar el generador. En cualquier caso, la electricidad que se genera en estas plantas se denomina energía trifásica. Esto se debe a que estos generadores de CA crean electricidad que oscila entre un mínimo y un máximo establecidos. nivel de voltaje, y cada una de las tres fases está compensada en 120 grados con respecto a las que están delante y detrás en hora. (Imagínese caminando de un lado a otro a través de una calle de 12 metros mientras otras dos personas hacen lo mismo, haciendo una ida y vuelta, excepto que una de las otras dos personas siempre está 8 metros por delante de usted y la otra está 8 metros por detrás usted. En algunos momentos, dos de ustedes caminarán en una dirección, mientras que en otras ocasiones dos de ustedes caminarán en la otra dirección, variando la suma de sus movimientos, pero de una manera predecible. Así es como funciona la energía de CA trifásica de manera vaga).

Antes de que la electricidad salga de la planta de energía, se encuentra con un transformador por primera vez. Este es el único punto en el que los transformadores de una red eléctrica aumentan notablemente el voltaje en lugar de reducirlo. Este paso es necesario porque la electricidad ingresa a grandes líneas de transmisión en grupos de tres, uno para cada fase de la energía, y parte de ella puede tener que viajar hasta 300 millas más o menos.

En algún momento, la electricidad se encuentra con una subestación de energía, donde los transformadores reducen el voltaje a un nivel adecuado para las líneas eléctricas más discretas que ve en los vecindarios o que corren por zonas carreteras. Aquí es donde ocurre la fase de distribución (a diferencia de la de transmisión) de la entrega de electricidad, ya que las líneas generalmente dejan la energía. subestaciones en varias direcciones, al igual que una serie de arterias que se ramifican de un vaso sanguíneo principal en más o menos el mismo unión.

Desde la subestación eléctrica, la electricidad pasa a los vecindarios y sale de las líneas eléctricas locales (que generalmente están en "postes telefónicos") para ingresar a las residencias individuales. Los transformadores más pequeños (muchos de los cuales parecen pequeños botes de basura de metal) reducen el voltaje a aproximadamente 240 voltios para que pueda ingresar a las casas sin un gran riesgo de causar un incendio o algún otro percance grave.

Los transformadores no solo necesitan hacer el trabajo de manipular el voltaje, sino que también deben ser resistentes a los daños, ya sea por actos de la naturaleza, como tormentas de viento o ataques intencionados creados por humanos. No es factible mantener la red eléctrica fuera del alcance de los elementos o de los malhechores humanos, pero lo mismo, la red eléctrica es absolutamente vital para la vida moderna. Esta combinación de vulnerabilidad y necesidad ha llevado al Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. A tomar un interés en los transformadores más grandes de la red eléctrica estadounidense, llamados grandes transformadores de potencia, o LPT. La función de estos transformadores masivos, que se encuentran dentro de las centrales eléctricas y pueden pesar de 100 a 400 toneladas y costar millones de dólares, es esencial para el mantenimiento de la vida cotidiana, ya que la falla de uno solo puede provocar cortes de energía en una amplia variedad de área. Estos son los transformadores que aumentan drásticamente el voltaje antes de que la electricidad ingrese a los cables de alta tensión de larga distancia.

En 2012, la edad media de un LPT en los EE. UU. Era de unos 40 años. Algunos de los transformadores de voltaje extra alto (EHV) de gama alta de hoy en día tienen una capacidad nominal de 345,000 voltios, y la demanda de transformadores está aumentando tanto en el Estados Unidos y a nivel mundial, obligando al gobierno de los Estados Unidos a buscar formas de reemplazar los LPT existentes según sea necesario y desarrollar nuevos a un nivel comparativamente bajo. costo.

Un transformador es básicamente un imán cuadrado grande con un agujero en el medio. La electricidad entra por un lado a través de cables enrollados varias veces alrededor del transformador y sale por el lado opuesto a través de cables enrollados un número diferente de veces alrededor del transformador. La electricidad que ingresa induce un campo magnético en el transformador, que a su vez induce un campo eléctrico en los otros cables, que luego alejan la energía del transformador.

A nivel de la física, un transformador funciona aprovechando la ley de Faraday, que establece que la relación de voltaje de dos bobinas es igual a la relación del número de vueltas en las bobinas respectivas. Por lo tanto, si se requiere voltaje reducido en un transformador, la segunda bobina (saliente) contiene menos vueltas que la bobina primaria (entrante).