¿Cuál es el propósito de un transformador?

la mayoría de las personas probablemente han oído hablar de transformadores y son conscientes de que forman parte de la siempre misteriosa y misteriosa red eléctrica que suministra electricidad a los hogares, las empresas y cualquier otro lugar donde se necesita "jugo". pero la persona típica se resiste a aprender los puntos más finos de la entrega de energía eléctrica, tal vez porque todo el proceso parece encubierto en peligro. los niños aprenden desde una edad temprana que la electricidad puede ser muy peligrosa, y todos se dan cuenta de que los cables de cualquier compañía eléctrica se mantienen fuera del 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 habitamos hoy. El transformador es un elemento clave en el control y suministro de electricidad desde el punto en que se produce en las centrales eléctricas hasta justo antes de que ingrese a una casa, edificio de oficinas u otro destino final.

piense en una represa que retiene millones de galones de agua para formar un lago artificial. Debido a que el río que alimenta este lago no siempre transporta la misma cantidad de agua al área, ya que sus aguas tienden a aumentar en la primavera después de que la nieve se derrite en muchas áreas y disminuya en el verano durante los tiempos más secos, se debe contar con cualquier presa efectiva y segura. equipados con dispositivos que permiten un control más preciso del agua que simplemente evitar que fluya hasta que el nivel suba tanto que el agua simplemente se derrame. por lo tanto, las represas incluyen todo tipo de compuertas y otros mecanismos que determinan la cantidad de agua que pasará al lado corriente abajo de la presa, independientemente de la cantidad de presión de agua en el lado corriente arriba.

esto es más o menos 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 (que se describe detalladamente a continuación) de una manera que equilibra la eficiencia de la transmisión con la seguridad básica. claramente, es una ventaja económica y práctica tanto para los consumidores como para los propietarios de la planta de energía y la red para evitar pérdidas de energía entre la electricidad que sale de la planta y sus hogares u otros destinos. por otro lado, si la cantidad de voltaje que recorre un cable de alimentación de alta tensión típica no disminuyó antes de ingresar a su hogar, se produciría un caos y un desastre.

El voltaje es una medida de la diferencia de potencial eléctrico. La nomenclatura puede ser confusa porque muchos estudiantes han escuchado el término "energía potencial", lo que facilita la confusión del voltaje con la energía. de hecho, el voltaje es energía potencial eléctrica por unidad de carga, o julios por coulomb (j / c). El coulomb es la unidad estándar de carga eléctrica en física. a un solo electrón se le asignan -1,609 × 10 ^-19 coulombs, mientras que un protón tiene una carga de igual magnitud pero 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 llevan de 155,000 a 765,000 voltios, mientras que el voltaje que ingresa a una casa generalmente es de 240 voltios.

en la década de 1880, los proveedores de servicios eléctricos hicieron uso de la corriente continua (dc). esto estaba plagado de responsabilidades, incluido el hecho de que el dc no podía utilizarse para la iluminación y era muy peligroso, 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 una corriente alterna (CA). En el momento en que Stanley inventó este invento, los físicos conocían el fenómeno de la CA y las ventajas que tendría en términos de suministro de energía, pero nadie había podido encontrar un medio para proporcionar CA a gran escala. la bobina de inducción de stanley serviría como plantilla para todas las variaciones futuras del dispositivo.

Stanley casi se convirtió en abogado antes de decidir trabajar como electricista. comenzó en la ciudad de Nueva York antes de mudarse a Pittsburgh, donde comenzó a trabajar en su transformador. Él construyó el primer sistema de energía de ca municipal en 1886 en la ciudad de Great Barrington, Massachusetts. Después del cambio de siglo, su compañía eléctrica fue comprada por General Electric.

un transformador puede aumentar (aumentar) o disminuir (reducir) el voltaje que viaja a través de los cables de alimentación. esto es aproximadamente análogo a la manera en que el sistema circulatorio puede aumentar o disminuir el suministro de sangre a ciertas partes del cuerpo dependiendo de la demanda. Después de que la sangre ("poder") sale del corazón (la "planta de energía"), para alcanzar una serie de puntos de ramificación, puede terminar viajando a la parte inferior del cuerpo en lugar de a la parte superior del cuerpo, y luego a la pierna derecha en lugar de a la pierna derecha. a 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 de unos pocos miles a cientos de miles para fines de transmisión a larga distancia. A medida que estos cables llegan a puntos llamados subestaciones de energía, 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 generalmente se encuentran en cajas y se parecen un poco a los refrigeradores colocados en la carretera.

Cuando la electricidad sale de estas estaciones, lo que generalmente puede hacerse en diferentes direcciones, encuentra otros transformadores más cerca de su punto final en subdivisiones, vecindarios y hogares individuales. estos transformadores reducen el voltaje de menos de 10,000 voltios a cerca de 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 usa en última instancia.

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 centrales nucleares y otros generadores de energía "limpia", como las centrales hidroeléctricas y los parques eólicos, también pueden aprovechar o producir la energía necesaria para impulsar el generador. En cualquier caso, la electricidad que se genera en estas plantas se llama energía trifásica. esto se debe a que estos generadores de CA crean electricidad que oscila entre un nivel de voltaje mínimo y máximo establecido, y cada una de las tres fases está compensada en 120 grados con respecto a las que están adelante y detrás de ella a tiempo. (Imagine caminar de un lado a otro por una calle de 12 metros mientras otras dos personas hacen lo mismo, haciendo un viaje redondo de 24 metros, excepto que una de las otras dos personas siempre está a 8 metros por delante de usted y la otra a 8 metros por detrás de usted. algunas veces, dos de ustedes caminarán en una dirección, mientras que otras dos caminarán en la otra dirección, variando la suma de sus movimientos, pero de una manera predecible. esto es, en términos generales, cómo funciona la alimentación de CA trifásica.)

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

en algún momento, la electricidad se encuentra con una subestación eléctrica, donde los transformadores reducen el voltaje a un nivel adecuado para las líneas eléctricas más discretas que se ven en los vecindarios o que se ejecutan a lo largo de las carreteras rurales. aquí es donde se produce la fase de distribución (en oposición a la transmisión) del suministro de electricidad, ya que las líneas generalmente dejan las subestaciones eléctricas en varias direcciones, al igual que varias arterias que se ramifican de un vaso sanguíneo principal en más o menos la misma unión.

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

Los transformadores no solo tienen que hacer el trabajo de manipular el voltaje, sino que también deben ser resistentes al daño, ya sea por actos de la naturaleza como tormentas de viento o ataques intencionados diseñados por humanos. No es factible mantener la red eléctrica fuera del alcance de los elementos o los malhechores humanos, pero al mismo tiempo, 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 interesarse por los transformadores más grandes de la red eléctrica estadounidense, denominados transformadores de gran 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 un área amplia. .

a partir de 2012, la edad media de un ppt en los Estados Unidos era de unos 40 años. algunos de los transformadores de alto voltaje superior (ehv) de hoy en día tienen una potencia de 345,000 voltios, y la demanda de transformadores está aumentando tanto en los Estados Unidos como en todo el mundo, lo que obliga al gobierno estadounidense a buscar formas de reemplazar los lpts existentes según sea necesario y Desarrollar nuevos a un costo comparativamente bajo.

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. el ingreso de electricidad induce un campo magnético en el transformador, que a su vez induce un campo eléctrico en los otros cables, que luego llevan la energía lejos del transformador.

a nivel de 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 un voltaje reducido en un transformador, la segunda bobina (saliente) contiene menos giros que la bobina primaria (entrante).