El transformador eléctrico en la construcción
Los avances tecnológicos son vitales para el desarrollo humano. Conocer la historia de los generadores secundarios es saber la importancia de su evolución.
Por Carlos Antonio Fernández
La electricidad es hija predilecta de la modernidad, pues nace con ella en las postrimerías del siglo XVIII y continúa avanzando al día de hoy. En el cenit de este vertiginoso proceso, a finales del siglo XIX, la ciencia y la técnica tuvieron que tomar un respiro para solucionar el problema de cómo llevar la energía eléctrica hasta las ciudades, fábricas y casas. El transformador eléctrico o generador secundario fue la respuesta con que la tecnología de entonces resolvió el problema, lo cual permitió que continuara el impetuoso desarrollo de lo que hoy se conoce como progreso. Ahora que la modernidad va llegando a su fin, cabe preguntarse hasta cuándo conservarán vigencia las máquinas más importantes que produjo la electricidad, como el generador, el motor y el transformador.
El humilde transformador que cuelga de los postes de luz es, a mi juicio, el invento que desencadenó el progreso material sin precedentes que el mundo ha conocido desde que se tiene memoria. Antes de éste, la electricidad no podía ser usada con todo su potencial debido a que su empleo estaba constreñido a zonas cercanas al lugar donde se generaba la electricidad.
La aparición del transformador eléctrico
El desarrollo sostenido de la electricidad, durante el siglo XIX, dio origen a tres nuevas ramas de la técnica: comunicaciones, iluminación y electrotecnia. Los trabajos del inventor estadunidense Joseph Henry fueron fundamentales para el surgimiento del telégrafo, en 1844, y para las investigaciones que, en 1876, Alexander Graham Bell llevó a buen término en la telefonía. Un año después, Edison inventó el fonógrafo y, en 1894, Louis Lumière, el cinematógrafo.
Las primeras aportaciones en el campo de la iluminación las llevó a cabo el alemán Heinrich Göbel, en 1850, cuando produjo la lámpara incandescente con filamento de bambú, cuya finalidad era sustituir los peligrosos quinqués de gas o keroseno. Joseph Swan, en el Reino Unido, sustituyó el bambú por hilos de papel carbonizado, pero sólo Edison logró producir el 21 de octubre de 1879 una bombilla que se mantuvo iluminada durante 45 horas continuas, debido a que concurrieron simultáneamente tres factores: i) un filamento de carbón de muy alta resistencia óhmica y baja superficie de radiación, con lo que se minimizaba el calor producido; ii) el vacío dentro de la lámpara (1 por 10-6 Atm), que evitaba la oxidación, erosión y corrosión del filamento, y iii) la forma semiesférica del vidrio, que permitía que el calor producido por el filamento radiara de manera más uniforme.
La electrotecnia es la rama de la ingeniería que se encarga de estudiar el funcionamiento de las máquinas y los dispositivos que emplean o generan electricidad, entre ellos el transformador. En medio del cúmulo de inventos y desarrollos obtenidos, en las tres ramas mencionadas, comenzaba a dirimirse una batalla conocida en los Estados Unidos de Norteamérica como “La guerra de las corrientes” y en el Reino Unido como “La batalla de los sistemas”. Inventores y científicos de ambos lados del Atlántico Norte se enfrascaron en una lucha entre dos bandos: quienes luchaban por la preeminencia de la corriente continua con Edison, Crompton, Hopkinson y Lord Kelvin a la cabeza, y los que abogaban por las ventajas de la Corriente Alterna (CA), entre ellos Westinghouse, Tesla, Thomson y Ferranti.
Thomas Alva Edison realizó proezas inventivas sólo comparables a las del legendario Arquímedes; alcanzó a patentar cerca de 1 mil 200 inventos, entre los que sobresalen la lámpara incandescente, el fonógrafo, el cinetoscopio y las plantas generadoras de electricidad de Corriente Continua (CC).
La primera planta que operó en forma comercial sirvió para iluminar el viaducto Holborn, en la ciudad de Londres, en 1882. En septiembre de ese año, en el bajo Manhattan, Edison estableció la primera planta generadora de electricidad del continente. Contaba con seis generadores Jumbo de CC de casi 1 mil kVA cada uno, acoplados a turbinas de vapor Porter and Allen. Los 59 clientes que contrataron el servicio pagaron la razón de 25 centavos de dólar el kWh.
Por su parte, George Westinghouse se dio a conocer por haber inventado los frenos neumáticos o de aire comprimido, que permitieron, en 1868, hacer del ferrocarril un transporte rápido, seguro y masivo. Luego, decidió atacar otro problema de transportación, el del gas empleado en la industria y en los hogares, ya que eran comunes los accidentes por fugas en las tuberías, de modo que en 1883 desarrolló un sistema presurizado que consistía en elevar la presión del fluido por medio del cambio de área de los tubos por los que viajaba. Esa experiencia lo preparó para una rápida y mejor comprensión de los conceptos de transformador elevador y reductor, así como distribución en alta y baja tensión, que los inventores franceses Gaulard y Gibss le expusieron en la visita que hizo a Europa, en 1885, con objeto de comercializar sus frenos de aire. En esa entrevista, Westinghouse escuchó hablar por primera vez de los generadores secundarios. Se entusiasmó con el nuevo invento y compró la patente.
En efecto, un poco antes, durante la exposición técnica de Turín de 1883, el ingeniero francés Lucien Gaulard había presentado un dispositivo mediante el cual la Corriente Alterna podía ser transmitida a altas tensiones a través de alambres muy delgados y, simultáneamente, ser reducida por medio de los generadores secundarios para su distribución local.
El generador secundario de Gaulard, renombrado transformador por los colaboradores de Westinghouse, consistía de un núcleo de hierro dulce alrededor del cual se devanaban las bobinas de alta y baja tensión. De inmediato, Westinghouse compró la patente de Gaulard y se llevó dos ejemplares a su laboratorio de Pittsburgh, en donde encomendó a los ingenieros William Stanley, Albert Schmid y Oliver B. Shallenberger el trabajo de mejorarlos. Con ello, cimentaron las bases de un sistema que reemplazaría al de Edison para la generación, distribución y consumo de la electricidad.
Durante las tres últimas semanas de 1885, la Westinghouse Electric Company construyó un transformador monofásico, cuya principal diferencia con el de Gaulard fue el circuito magnético, elaborado con un núcleo acorazado en lugar del núcleo simple del francés. Pero cuando el sistema CA estuvo listo, se realizó la primera ejecución en una silla eléctrica mediante el uso de dicha corriente. Ello, aunado a una campaña de desprestigio público encabezada por Edison, se logró la prohibicicón del uso de la CA en la mayor parte de los Estados Unidos.
Mientras Edison y Westinghouse se enfrentaban, otro inventor anglo-americano, Elihu Thomson rediseñó el transformador de Gaulard. Llevó a cabo las siguientes mejoras: optimizó el sistema de enfriamiento de los transformadores mediante su inmersión en una cuba de aceite, lo que permitió el incremento vertiginoso de la potencia de los transformadores, e ideó el sistema de protección por medio del cual quedaban aterrizadas las bobinas del circuito de carga de los transformadores, evitando de ese modo que algún cortocircuito en la línea dañara al usuario. De manera independiente a Tesla, desarrolló un sistema completo para generar y transmitir energía eléctrica en CA, tal como Edison lo había hecho con la corriente continua.
Nikola Tesla, el último gran participante de esta historia, era un ingeniero croata que había inventado en Europa el motor de inducción que trabajaba con CA y recién había ideado los sistemas de transmisión polifásicos (de dos o tres fases). Al llegar a Estados Unidos, se contrató con Edison, pero cuando éste no le respetó el pago de ciertas regalías, se marchó de la Edison General Electric Company. En 1888, conoció a Westinghouse, quien le compró en un millón de dólares, de aquellos años, sus patentes para la generación y distribución de electricidad, así como la del motor de inducción, además de pagarle regalías por la fabricación de esos equipos. Adicionalmente, lo invitó a colaborar en su empresa.
Todo lo anterior permitió que Westinghouse tomara la delantera en la guerra de las corrientes. El 23 de mayo de 1886 se emplearon por primera vez transformadores para iluminar la ciudad de Great Barrington, Massachusetts, de manera experimental. En 1893, Westinghouse ganó el concurso para el suministro de electricidad durante la Expo Columbia de Chicago, Illinois; cotizó 5.25 dólares por cada lámpara iluminada, contra los 13.98 que pretendía Edison con su sistema de Corriente Continua.
En esa exposición se estrenó el sistema aéreo de distribución trifásica ideado por Tesla para suministrar energía eléctrica a las 250 mil lámparas que iluminaron el evento. Unas semanas después, Westinghouse se anotó otro triunfo al ganarle a Edison el contrato para el suministro de una planta generadora en las Cataratas del Niágara.
A partir de ese momento, la CA consiguió la victoria en la batalla de las corrientes. De ese modo, Edison fue perdiendo mercados hasta que su principal socio, el banquero J. P. Morgan, lo obligó a que fusionara su compañía con la Thomson-Houston Electric Company, del inventor Elihu Thomson. El resultado fue el nacimiento, en 1892, de la famosa General Electric Company.
La producción de transformadores eléctricos fue una actividad tan rentable durante sus primeros 50 años que permitió, por ejemplo, que las dos empresas norteamericanas líderes del ramo, Westinghouse y General Electric, invirtieran en el establecimiento de las cadenas de televisión CBS y NBC.
Sin embargo, en los años recientes, el centro de gravedad de los grandes negocios de los países desarrollados ha ido desplazándose hacia otras áreas menos competidas, más rentables y de mayor requerimiento tecnológico, como son la industria aeroespacial, las comunicaciones, el internet, la bioingeniería, la inteligencia artificial…
En consecuencia, la fabricación de transformadores industriales se ha trasladado a países medianamente desarrollados, como China, India, Brasil, México, Indonesia, Chile, Argentina, Tailandia y Sudáfrica. La fábrica tailandesa de transformadores Ekarat Engineering es el ejemplo de una reubicación ideal de los nuevos centros de producción de transformadores que, en su caso, ha entrado en la lucha por la conquista del mercado asiático, desplazando a empresas japonesas, coreanas y taiwanesas.
Otro caso es el de la empresa Prolec, del grupo mexicano AXA. Una buena parte de la producción de transformadores de distribución se exporta a los Estados Unidos, Canadá y Sudamérica bajo el esquema join-venture, con la firma General Electric.
Prospectiva
En un futuro cercano, todas las redes de distribución de México —en particular para fines comerciales y residenciales— serán sustituidas por redes subterráneas para minimizar los riesgos que las instalaciones aéreas significan para peatones y vecinos, así como para reducir las fallas en el suministro a causa de fenómenos climáticos y accidentes y para eliminar la contaminación visual que provocan los postes y alambres de las redes aéreas.
Lo anterior está dando lugar a la sustitución del actual transformador de distribución tipo poste por el tipo pedestal. Estos equipos que operan en México desde hace más de 50 años (transformadores Jardín) y que fueron la evolución del transformador tipo suburbano, ideado en los Estados Unidos, son elaborados prácticamente por todos los fabricantes de transformadores, en potencias cada vez mayores.
Así, mientras no se desarrolle ningún dispositivo que releve al transformador, las perspectivas para su fabricación en el país siguen siendo favorables.
En cuanto a los materiales utilizados en la construcción de las bobinas, es difícil considerar que en una fecha cercana se emplee otro conductor distinto del cobre o aluminio. Los nuevos aislamientos utilizados soportan mayores temperaturas, de modo que podrán fabricase bobinas con conductores de menor sección, lo cual redundará en la disminución del circuito eléctrico.
En relación con el núcleo ferromagnético, se han experimentado diversas opciones que pudieran sustituir al acero, al silicio grano orientado, entre otras.
Los cambios en la maquinaria empleada en el proceso de producción de los transformadores ha ido a la par de los cambios tecnológicos, en particular los sistemas automatizados de manufactura, de modo que los nuevos modelos de bobinadoras y cizallas-armadoras cuentan con dispositivos de control numérico y servomecanismos.
Finalmente, por lo que respecta a los procesos de fabricación, se prevé que se automaticen más, con excepción del proceso de ensamble bobinas-núcleo, el cual no puede llevarse a cabo sin el concurso de la destreza humana, ya que este proceso es susceptible de automatizarse sólo en producciones a gran escala que, en el caso de los equipos grandes y medianos, es muy difícil de alcanzar.
Así, en tanto la electricidad continúe siendo la principal fuente de suministro de energía para el desarrollo de las actividades humanas y la manera de hacerla llegar hasta donde trabajan, habitan y conviven los seres humanos no sea sustituida por otra mejor, el transformador eléctrico seguirá presente en la vida de las sociedades.
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Carlos Antonio Fernández
Ingeniero Mecánico, egresado de la Universidad Tecnológica de México. Director, hasta 2003, de Transformadores Eléctricos Camefe, empresa dedicada a la fabricación de transformadores eléctricos. Director, desde 2003, de Radiadores Camefe, empresa pionera en la fabricación de radiadores de oblea y tubo para transformadores eléctricos.
