Què és i com funciona el transformador de potència?

En alguns dels nostres articles anteriors hem tractat sobre els conceptes bàsics del transformador i els seus diferents tipus. Un dels transformadors importants i utilitzats habitualment és el transformador de potència. S’utilitza molt àmpliament per augmentar i reduir el voltatge a la central de generació d’energia elèctrica i a l’estació de distribució (o subestació) respectivament.

Per exemple, considerem el diagrama de blocs que es mostra més amunt. Aquí el transformador de potència s’utilitza dues vegades mentre es subministra energia elèctrica a un consumidor que es troba lluny de la central.

• La primera vegada és a la central elèctrica per augmentar la tensió generada pel generador eòlic.
• El segon és a l’estació de distribució (o subestació) per reduir la tensió rebuda al final de la línia de transmissió.

Pèrdua d'energia a les línies de transmissió

Hi ha moltes raons per utilitzar un transformador de potència en sistemes d’energia elèctrica. Però un dels motius més importants i senzills per utilitzar el transformador de potència és reduir les pèrdues de potència durant la transmissió d’energia elèctrica.

Ara anem a veure com es redueix considerablement la pèrdua d'energia mitjançant l'ús d'un transformador de potència:

En primer lloc, l’equació de la pèrdua de potència P = I * I * R.

Aquí I = corrent pel conductor i R = resistència del conductor.

Per tant, la pèrdua de potència és directament proporcional al quadrat del corrent que circula pel conductor o la línia de transmissió. Per tant, reduïu la magnitud del corrent que travessa el conductor menys les pèrdues de potència.

A continuació s’explica com aprofitarem aquesta teoria:

• Digueu tensió inicial = 100 V i càrrega absorbida = 5 A i potència subministrada = 500 watts. Aleshores, les línies de transmissió han de portar un corrent de magnitud 5A des de la font fins a la càrrega. Però si augmentem el voltatge a la fase inicial a 1000V, les línies de transmissió només hauran de portar 0,5A per proporcionar la mateixa potència de 500Watt.
• Per tant, augmentarem la tensió a l’inici de la línia de transmissió mitjançant un transformador de potència i utilitzarem un altre transformador de potència per reduir la tensió al final de la línia de transmissió.
• Amb aquesta configuració, la magnitud del flux de corrent a través de la línia de transmissió de 100 quilòmetres es redueix considerablement, reduint així la pèrdua de potència durant la transmissió.

Diferència entre transformador de potència i transformador de distribució

• El transformador de potència sol funcionar a plena càrrega perquè està dissenyat per tenir una alta eficiència al 100% de càrrega. D'altra banda, el transformador de distribució té una alta eficiència quan la càrrega es manté entre el 50% i el 70%. Per tant, els transformadors de distribució no són adequats per funcionar amb una càrrega del 100% contínua.
• Atès que el transformador de potència condueix a tensions elevades durant el pas i el descens, els bobinats tenen un aïllament elevat en comparació amb els transformadors de distribució i els transformadors d’instruments.
• Com que utilitzen un aïllament d’alt nivell, tenen una mida molt voluminosa i també són molt pesats.
• Atès que els transformadors de potència no solen estar connectats directament a les llars, experimenten menys fluctuacions de càrrega, mentre que per l'altre els transformadors de distribució experimenten fortes fluctuacions de càrrega.
• Es carreguen completament durant 24 hores al dia, de manera que es produeixen pèrdues de coure i ferro durant tot el dia i es mantenen molt iguals durant tot el temps.
• La densitat de flux del transformador de potència és superior a la del transformador de distribució.

Principi de treball del transformador de potència

El transformador de potència funciona segons el principi de la llei d’inducció electromagnètica de Faraday. És la llei bàsica de l’electromagnetisme que explica el principi de funcionament dels inductors, motors, generadors i transformadors elèctrics.

La llei estableix " Quan un conductor de circuit tancat o de curtcircuit s'apropa a un camp magnètic variable, el flux de corrent es genera en aquest circuit tancat" .

Per entendre millor la llei, parlem-ne amb més detall. En primer lloc, considerem un escenari a continuació.

Penseu en un imant permanent i que primer s’acosti un conductor.

• Aleshores, el conductor queda curtcircuitat pels dos extrems mitjançant un cable com es mostra a la figura.
• En aquest cas, no hi haurà flux de corrent al conductor ni al bucle perquè el camp magnètic que talla el bucle és estacionari i, tal com s’esmenta a la llei, només un camp magnètic variable o canviant pot forçar el corrent al bucle.
• Així doncs, en el primer cas del camp magnètic estacionari, hi haurà un flux nul al bucle conductor.

llavors el camp magnètic que talla el bucle continua canviant. Com que hi ha un camp magnètic variable present en aquest cas, les lleis de Faraday jugaran i, per tant, podem veure un flux de corrent al bucle conductor.

Com es pot veure a la figura, després que l’imant es mogui cap endavant i cap endavant, veiem un ‘jo’ corrent que circula pel conductor i el bucle tancat.

per substituir-lo per altres fonts de camp magnètic variables com les següents.

• Ara es fa servir una font de tensió alterna i un conductor per generar un camp magnètic variable.
• Després d’acostar el bucle del conductor al camp del camp magnètic, podem veure una CEM generada a través del conductor. A causa d'aquesta CEM induïda, tindrem un flux de corrent "I".
• La magnitud de la tensió induïda és proporcional a la intensitat del camp experimentada pel segon bucle, de manera que com més gran sigui la intensitat del camp magnètic, major serà el flux de corrent al bucle tancat.

Tot i que és possible utilitzar un sol conductor configurat per entendre la llei de Faraday. Però per a un millor rendiment pràctic es prefereix utilitzar una bobina per ambdues cares.

Aquí, un corrent altern flueix a través de la bobina primària1 que genera el camp magnètic variable al voltant de les bobines conductores. I quan la bobina2 entra en el camp del camp magnètic generat per la bobina1, es genera un voltatge CEM a través de la bobina2 a causa de la llei d’inducció electromagnètica de Faraday. I a causa d'aquest voltatge a la bobina2, un corrent "I" flueix pel circuit tancat secundari.

Ara cal recordar que les dues bobines estan suspeses a l’aire, de manera que el medi de conducció que utilitza el camp magnètic és l’aire. I l’aire té una resistència més alta en comparació amb els metalls en el cas de la conducció del camp magnètic, de manera que si fem servir un nucli metàl·lic o de ferrita per actuar com a mitjà del camp electromagnètic, podem experimentar la inducció electromagnètica més a fons.

Per tant, substituïm el medi d’aire pel de ferro per entendre-ho millor.

Com es mostra a la figura, podem utilitzar nucli de ferro o ferrita per reduir la pèrdua de flux magnètic durant la transmissió de potència d’una bobina a una altra. Durant aquest temps, el flux magnètic filtrat a l'atmosfera serà considerablement menor que el temps en què utilitzem el medi d'aire, ja que un nucli és un molt bon conductor del camp magnètic.

Un cop el camp és generat per bobina1, fluirà a través del nucli de ferro fins arribar a la bobina2 i, a causa de la llei actual, bobina2 genera un CEM que serà llegit pel galvanòmetre connectat a la bobina2.

Ara, si observeu detingudament, trobareu aquesta configuració similar a un transformador monofàsic. I sí, tots els transformadors actuals funcionen sobre el mateix principi.

Vegem ara la construcció simplificada del transformador trifàsic.

Transformador de tres fases

• L’esquelet del transformador es dissenya mitjançant estacades de làmines de metall laminades que s’utilitzen per transportar el flux magnètic. Al diagrama es pot veure que l’esquelet està pintat de gris. L’esquelet té tres columnes sobre les quals s’enrotllen bobinatges de tres fases.
• El bobinatge de baixa tensió s’enrotlla primer i s’enrotlla més a prop del nucli mentre que el bobinat de major tensió s’enrotlla a sobre del bobinat de baixa tensió. Recordeu que tots dos bobinatges estan separats per una capa d’aïllament.
• Aquí cada columna representa una fase, de manera que per a tres columnes tenim un bobinat trifàsic.
• Tota aquesta configuració d’esquelet i bobinatge està immersa en un tanc tancat ple d’oli industrial per a una millor conductivitat i aïllament de la calor.
• Després del bobinat, els terminals finals de les sis bobines es van treure del tanc tancat mitjançant un aïllant de tensió alta.
• Els terminals es fixen a una distància justa l’un de l’altre per evitar salts d’espurna.

Característiques del transformador de potència

Potència nominal	3 MVA fins a 200 MVA
Tensions primàries normalment	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Tensions secundàries normalment	3,3, 6,6, 11, 33, 66, 132 kV o especificacions personalitzades
Fases	Transformadors monofàsics o trifàsics
Freqüència nominal	50 o 60 Hz
Tocant	Canviadors d’aixetes en càrrega o descàrrega
Augment de la temperatura	60 / 65C o especificació personalitzada
Tipus de refrigeració	ONAN (oil natural air natural) o altres tipus de refrigeració com KNAN (màx 33kV) a petició
Radiadors	Panells de radiadors de refrigeració muntats en tanc
Grups de vectors	Dyn11 o qualsevol altre grup de vectors segons IEC 60076
Regulació de la tensió	Mitjançant un canviador d’aixetes carregat (amb relé AVR de sèrie)
Terminals BT i BT	Tipus de caixa de cables d’aire (33kV màxim) o casquets oberts
Instal·lacions	Interior o exterior
Nivell sonor	Segons ENATS 35 o NEMA TR1

Aplicacions de la transferència d'energia

• El transformador de potència s’utilitza principalment en la generació d’energia elèctrica i en les estacions de distribució.
• També s’utilitza en transformadors d’aïllament, transformadors de terra, transformadors de rectificadors de sis polsos i dotze impulsors, transformadors solars fotovoltaics, transformadors de parcs eòlics i en l’arrencador d’autotransformadors Korndörfer.
• S'utilitza per reduir les pèrdues de potència durant la transmissió d'energia elèctrica.
• S'utilitza per augmentar i reduir alta tensió.
• Es prefereix en casos de consumidors de llarga distància.
• I preferible en els casos en què la càrrega s'executa a plena capacitat 24x7.