¿Qué es el transformador de potencia y cómo funciona?

En algunos de nuestros artículos anteriores hemos hablado sobre los conceptos básicos del transformador y sus diferentes tipos. Uno de los transformadores importantes y de uso común es el transformador de potencia. Es muy utilizado para aumentar y reducir el voltaje en la estación generadora de energía eléctrica y la estación de distribución (o subestación) respectivamente.

Por ejemplo, considere el diagrama de bloques que se muestra arriba. Aquí el transformador de potencia se usa dos veces mientras se entrega energía eléctrica a un consumidor que está lejos de la estación generadora.

La primera vez es en la estación generadora de energía para aumentar el voltaje generado por el generador eólico.
El segundo es en la estación de distribución (o subestación) para reducir el voltaje recibido al final de la línea de transmisión.

Pérdida de potencia en líneas de transmisión

Hay muchas razones para usar un transformador de potencia en sistemas de energía eléctrica. Pero una de las razones más importantes y simples para usar el transformador de potencia es reducir las pérdidas de potencia durante la transmisión de energía eléctrica.

Ahora veamos cómo se reduce considerablemente la pérdida de potencia mediante el uso de un transformador de potencia:

Primero, la ecuación de la pérdida de potencia P = I * I * R.

Aquí I = corriente a través del conductor y R = Resistencia del conductor.

Entonces, la pérdida de potencia es directamente proporcional al cuadrado de la corriente que fluye a través del conductor o la línea de transmisión. Por lo tanto, disminuya la magnitud de la corriente que atraviesa el conductor, menores las pérdidas de potencia.

Cómo aprovecharemos esta teoría se explica a continuación:

Digamos voltaje inicial = 100 V y consumo de carga = 5 A y potencia entregada = 500 vatios. Entonces, las líneas de transmisión aquí tienen que llevar una corriente de magnitud 5A desde la fuente hasta la carga. Pero si aumentamos el voltaje en la etapa inicial a 1000 V, las líneas de transmisión solo tienen que llevar 0.5 A para entregar la misma potencia de 500 vatios.
Por lo tanto, aumentaremos el voltaje al inicio de la línea de transmisión usando un transformador de potencia y usaremos otro transformador de potencia para reducir el voltaje al final de la línea de transmisión.
Con esta configuración, la magnitud del flujo de corriente a través de la línea de transmisión de más de 100 kilómetros se reduce considerablemente, lo que reduce la pérdida de potencia durante la transmisión.

Diferencia entre transformador de potencia y transformador de distribución

El transformador de potencia generalmente se opera a plena carga porque está diseñado para tener una alta eficiencia al 100% de carga. Por otro lado, el transformador de distribución tiene alta eficiencia cuando la carga se mantiene entre 50% y 70%. Por lo tanto, los transformadores de distribución no son adecuados para funcionar al 100% de carga de forma continua.
Dado que el transformador de potencia conduce a altos voltajes durante el aumento y la reducción, los devanados tienen un alto aislamiento en comparación con los transformadores de distribución y los transformadores de instrumentos.
Debido a que utilizan aislamiento de alto nivel, son de tamaño muy voluminoso y también muy pesados.
Dado que los transformadores de potencia generalmente no están conectados directamente a los hogares, experimentan menos fluctuaciones de carga, mientras que, por otro lado, los transformadores de distribución experimentan fuertes fluctuaciones de carga.
Estos se cargan completamente durante las 24 horas del día, por lo que las pérdidas de cobre y hierro se producen durante todo el día y permanecen prácticamente iguales todo el tiempo.
La densidad de flujo en el transformador de potencia es más alta que en el transformador de distribución.

Principio de funcionamiento del transformador de potencia

El transformador de potencia funciona según el principio de la "ley de inducción electromagnética de Faraday". Es la ley básica del electromagnetismo la que explica el principio de funcionamiento de inductores, motores, generadores y transformadores eléctricos.

La ley establece que " cuando un conductor en circuito cerrado o en corto se acerca a un campo magnético variable, el flujo de corriente se genera en ese circuito cerrado" .

Para comprender mejor la ley, analicémosla con más detalle. Primero, consideremos un escenario a continuación.

Considere un imán permanente y un conductor se acerca primero el uno al otro.

Luego, el conductor se cortocircuita en ambos extremos utilizando un cable como se muestra en la figura.
En este caso, no habrá flujo de corriente en el conductor o el bucle porque el campo magnético que corta el bucle es estacionario y, como se menciona en la ley, solo un campo magnético variable o cambiante puede forzar la corriente en el bucle.
Entonces, en el primer caso del campo magnético estacionario, no habrá flujo cero en el bucle conductor.

luego, el campo magnético que corta el bucle sigue cambiando. Dado que hay un campo magnético variable presente en este caso, las leyes de Faraday entrarán en juego y, por lo tanto, podemos ver un flujo de corriente en el bucle conductor.

Como puede ver en la figura, después de que el imán se mueve hacia adelante y hacia atrás, podemos ver un 'yo' de corriente fluyendo a través del conductor y el circuito cerrado.

para reemplazarlo con otras fuentes de campos magnéticos variables como a continuación.

Ahora se utilizan una fuente de voltaje alterno y un conductor para generar un campo magnético variable.
Después de que el bucle del conductor se acercó al rango del campo magnético, podemos ver un EMF generado a través del conductor. Debido a este EMF inducido, tendremos un flujo de corriente 'I'.
La magnitud del voltaje inducido es proporcional a la intensidad del campo experimentada por el segundo bucle, por lo que cuanto mayor es la intensidad del campo magnético, mayor es el flujo de corriente en el bucle cerrado.

Aunque es posible utilizar un solo conductor configurado para comprender la ley de Faraday. Pero para un mejor rendimiento práctico se prefiere utilizar una bobina en ambos lados.

Aquí, una corriente alterna fluye a través de la bobina primaria1 que genera el campo magnético variable alrededor de las bobinas conductoras. Y cuando la bobina2 entra en el rango del campo magnético generado por la bobina1, se genera un voltaje EMF a través de la bobina2 debido a la ley de inducción electromagnética de Faraday. Y debido a ese voltaje en la bobina2, una corriente 'I' fluye a través del circuito cerrado secundario.

Ahora hay que recordar que ambas bobinas están suspendidas en el aire por lo que el medio de conducción que utiliza el campo magnético es el aire. Y el aire tiene una mayor resistencia en comparación con los metales en el caso de la conducción del campo magnético, por lo que si usamos un núcleo de metal o ferrita para actuar como medio para el campo electromagnético, entonces podemos experimentar la inducción electromagnética más a fondo.

Así que ahora reemplacemos el medio de aire con el medio de hierro para una mayor comprensión.

Como se muestra en la figura, podemos usar un núcleo de hierro o ferrita para reducir la pérdida de flujo magnético durante la transmisión de potencia de una bobina a otra. Durante este tiempo, el flujo magnético filtrado a la atmósfera será considerablemente menor que el tiempo que usamos el medio de aire como núcleo es un muy buen conductor del campo magnético.

Una vez que el campo es generado por la bobina1, fluirá a través del núcleo de hierro hasta llegar a la bobina2 y, debido a la ley de Faraday, la bobina2 genera un EMF que será leído por el galvanómetro conectado a través de la bobina2.

Ahora, si observa con atención, encontrará esta configuración similar a un transformador monofásico. Y sí, todos los transformadores presentes en la actualidad funcionan según el mismo principio.

Ahora veamos la construcción simplificada del transformador trifásico.

Transformador trifásico

El esqueleto del transformador está diseñado colocando láminas de metal laminadas que se utilizan para transportar el flujo magnético. En el diagrama, puede ver que el esqueleto está pintado de gris. El esqueleto tiene tres columnas en las que se enrollan devanados de tres fases.
El devanado de voltaje más bajo se enrolla primero y se arrolla más cerca del núcleo, mientras que el devanado de voltaje más alto se arrolla encima del devanado de voltaje más bajo. Recuerde, ambos devanados están separados por una capa de aislamiento.
Aquí cada columna representa una fase, por lo que para tres columnas, tenemos devanado trifásico.
Toda esta configuración de esqueleto y bobinado se sumerge en un tanque sellado lleno de aceite industrial para una mejor conductividad térmica y aislamiento.
Después del bobinado, los terminales de los extremos de las seis bobinas se sacaron del tanque sellado a través de un aislante de alta tensión.
Los terminales están fijados a una distancia considerable entre sí para evitar saltos de chispas.

Características del transformador de potencia

Potencia nominal	3 MVA hasta 200 MVA
Los voltajes primarios normalmente	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Voltajes secundarios típicamente	3.3, 6.6, 11, 33, 66, 132 kV o especificación personalizada
Etapas	Transformadores monofásicos o trifásicos
Frecuencia nominal	50 o 60 Hz
Tapping	Cambiadores de tomas con o sin carga
Aumento de la temperatura	60 / 65C o especificación personalizada
Tipo de enfriamiento	ONAN (aceite natural aire natural) u otros tipos de refrigeración como KNAN (máx 33kV) bajo pedido
Radiadores	Paneles de radiador de refrigeración montados en depósito
Grupos de vectores	Dyn11 o cualquier otro grupo de vectores según IEC 60076
Regulacion de voltaje	Mediante cambiador de tomas bajo carga (con relé AVR de serie)
Terminales de AT y BT	Tipo de caja de cable de aire (33 kV máx.) O bujes abiertos
Instalaciones	Interior o exterior
Nivel de sonido	Según ENATS 35 o NEMA TR1

Aplicaciones de la transferencia de energía

El transformador de potencia se utiliza principalmente en la generación de energía eléctrica y en las estaciones de distribución.
También se utiliza en transformadores de aislamiento, transformadores de puesta a tierra, transformadores rectificadores de seis y doce pulsos, transformadores de parques solares fotovoltaicos, transformadores de parques eólicos y en el arrancador de autotransformador Korndörfer.
Se utiliza para reducir las pérdidas de potencia durante la transmisión de energía eléctrica.
Se utiliza para el aumento y la reducción de alto voltaje.
Se prefiere en casos de consumidores de larga distancia.
Y se prefiere en los casos en que la carga funciona a plena capacidad 24x7.