Los ingenieros de diseño deben saber cómo funcionan los transformadores para poder diseñar maquinaria que funcione de forma óptima dentro de los rangos de tensión adecuados. Dado que los equipos que diseñan estos ingenieros interactuarán con sistemas eléctricos, deben conocer los niveles correctos de tensión y corriente para evitar averías o daños y garantizar la seguridad.
Es importante que los ingenieros de diseño de máquinas entiendan cómo funcionan los transformadores para poder diseñar maquinaria que funcione de forma óptima dentro de los rangos de tensión adecuados, así como seleccionar los tipos y valores nominales de transformador adecuados para aplicaciones específicas.
Dado que los equipos que diseñan estos ingenieros interactuarán con sistemas eléctricos, también necesitan conocer los niveles correctos de tensión y corriente para evitar averías o daños. Y lo que es más importante, la ubicación de los transformadores en las redes eléctricas maximiza la eficacia y la seguridad, evitando la pérdida de vidas y recursos valiosos.
Transformadores de potencia son componentes esenciales de las redes eléctricas, ya que garantizan la transmisión y distribución fiables de electricidad a través de grandes distancias. Su posición estratégica en la red está diseñada para optimizar la eficiencia del suministro eléctrico.
Estos transformadores desempeñan un papel fundamental en el ajuste de los niveles de tensión, ya sea subiéndolos o bajándolos hasta niveles adecuados. Esto es necesario tanto para la transmisión a larga distancia de energía a altas tensiones como para reducir la tensión a niveles seguros para uso residencial e industrial.
Una inmersión profunda en un transformador de potencia
Un transformador de potencia es un dispositivo eléctrico estático que transfiere energía eléctrica entre circuitos sin piezas móviles. Funciona según el principio de inducción electromagnética, ajustando eficazmente los niveles de tensión para la distribución y transmisión de energía. Un transformador de potencia típico consta de dos o más bobinas de alambre conectadas por un núcleo magnético compartido.
El dispositivo suele contener dos bobinas de alambre: el bobinado primario y el bobinado secundario. Estas bobinas están enrolladas alrededor de un núcleo central de hierro laminado hecho de láminas de acero al silicio apiladas. El núcleo de hierro sirve para concentrar y dirigir el flujo magnético generado por la corriente que pasa por las bobinas. La parte activa del transformador, formada por el núcleo y las bobinas, se aloja en un depósito de acero lleno de aceite aislante, que enfría y aísla el aparato durante su funcionamiento.
Los componentes habituales, como casquillos, cambiadores de tomas, medidores y medidores de protección, son esenciales para el buen funcionamiento, la fiabilidad y la seguridad de la mayoría de las unidades de tamaño pequeño y mediano. Aparte de esto, los transformadores de potencia de gran tamaño pueden requerir sistemas mejorados de supervisión, refrigeración y protección en función de las necesidades del cliente y los requisitos del sistema.
El transformador de potencia sumergido en aceite de 525 kV y 525 MVA es un autotransformador trifásico de clase de tensión superalta y gran capacidad que se está instalando en Estados Unidos para mantener la red eléctrica en funcionamiento.
Funcionamiento interno de un transformador de potencia
Los transformadores de potencia funcionan según el principio de inducción electromagnética: Un campo magnético cambiante en una bobina induce una tensión en otra bobina situada cerca de ella. En concreto, cuando la corriente alterna circula por la bobina primaria, crea un campo magnético fluctuante dentro del núcleo de hierro, que induce una tensión en la bobina secundaria envuelta alrededor del mismo núcleo.
He aquí un desglose del proceso dentro de un transformador de potencia:
- Flujo de corriente. Una corriente alterna circula por la bobina primaria, generando un campo magnético cambiante alrededor del núcleo de hierro del transformador.
- Variación del campo magnético. Con los ciclos de la corriente alterna, el campo magnético del núcleo se expande y colapsa siguiendo el ritmo de la corriente alterna.
- Fuerza electromotriz inducida. Este flujo magnético fluctuante atraviesa la bobina secundaria, induciendo una fuerza electromotriz (FEM) en la bobina debido al cambio del campo magnético, según la ley de inducción de Faraday.
- Ajuste de tensión. La tensión inducida en la bobina secundaria depende de factores como la velocidad de cambio del flujo magnético y el número de espiras de las bobinas. Variando el número de espiras de las bobinas, la tensión puede aumentar o disminuir en función de la relación de espiras del transformador.
- Transmisión. Después de pasar por el devanado secundario, la tensión transformada está lista para su distribución o transmisión.
Potentes aplicaciones
Los transformadores de potencia se utilizan en diversos escenarios en función de los requisitos de tensión. Desempeñan un papel importante a la hora de garantizar un suministro eléctrico eficaz a largas distancias. Algunas aplicaciones comunes son:
- Subestaciones. Los transformadores de las subestaciones son cruciales para regular la tensión. Los transformadores elevadores aumentan la tensión para la transmisión a larga distancia, mientras que los transformadores reductores, situados en las subestaciones primarias-secundarias, la reducen para la distribución local a hogares y empresas. Además, aíslan eléctricamente los distintos niveles de tensión para aumentar la fiabilidad del sistema.
- Minas de cobre. En las minas de cobre se utilizan transformadores especializados para evitar explosiones en entornos subterráneos peligrosos. Suelen ser robustos y estar diseñados para funcionar en condiciones ambientales adversas, como humedad elevada, polvo y variaciones de temperatura. Estos transformadores disponen de carcasas de protección para evitar que los arcos eléctricos enciendan gases potencialmente explosivos.
- Centrales eléctricas. En las centrales térmicas e hidroeléctricas, la energía se genera a una tensión que puede no ajustarse a las normas de transmisión. Los transformadores elevadores de generador ajustan estas tensiones a los niveles adecuados para una transmisión eficiente a través de las líneas eléctricas. Estas unidades de gran tamaño son equipos sofisticados para manejar grandes cargas y garantizar que la energía generada se transfiera a la red de transmisión sin sobrecargas ni inestabilidades de tensión.
La central fotovoltaica de Puerto Peñasco, en la Empresa Nacional de Energía Eléctrica de México, suministra equipos de apoyo a la nueva energía con transformadores de 115 KV, módulos fotovoltaicos de 158 MW y ESS de 12MW/24MWh.
Rangos de tensión
Los transformadores de potencia están disponibles en distintos niveles de tensión, de media a muy alta, en función de las necesidades específicas del sistema eléctrico al que sirven.
- Transformadores de potencia de 36 kV ~ 750 kV, hasta 1.000 MVA de éster natural rellenos de aceite. Para líneas de transmisión de gran capacidad y larga distancia, que a menudo abarcan países o continentes para un suministro eléctrico eficiente.
- Transformadores de potencia de 36kV ~ 1000kV, hasta 1.200MVA rellenos de aceite mineral. Para capacidades ultraelevadas, ideales para centrales de generación eléctrica, subestaciones, instalaciones industriales e instalaciones de energías renovables.
Los transformadores de potencia son necesarios para la transmisión eficaz y segura de electricidad en todo el mundo. Su capacidad para aumentar o disminuir la tensión permite el suministro de energía a larga distancia y garantiza que la energía eléctrica llegue a los usuarios finales a los niveles adecuados. Entender su funcionamiento, aplicaciones y especificaciones es esencial para los profesionales del sector energético.
Sobre el autor
Koray Yavuz | Ingeniero jefe de aplicaciones, NOARK Electric
Koray Yavuz, ingeniero jefe de aplicaciones de NOARK Electric, es ingeniero eléctrico con 14 años de experiencia en diversas perspectivas del negocio de los transformadores con fabricantes líderes. El área de especialización de Koray se centra en la amplia gama de transformadores sumergidos en aceite que se utilizan para diferentes fines, como la transmisión y la distribución de energía. En NOARK Electric, Yavuz ha colaborado con los departamentos de marketing de productos, ingeniería e I+D para desarrollar y lanzar productos de MT y AT en el mercado norteamericano.
