1896. Dr. F. MUMME: Ueber elektrische Kraftübertragungen.
Título: Ueber elektrische Kraftübertragungen [Sobre la transmisión de energía eléctrica].
Publicado en: Verhandlungen des Deutschen Wissenschaftlichen Vereins zu Santiago de Chile [Actas de la Asociación Científica Alemana en Santiago de Chile], Volumen III, Valparaíso: Imprenta del Universo de Guillermo Helfmann, 1895/1898.
Autor: Dr. F. Mumme.
Fecha de Creación: 20/05/1896.
Fecha de Publicación: 1898.Última edición: 31/10/24.Dr. F. Mumme: Sobre la transmisión de energía eléctrica
20 de mayo de 1896
El uso de la electricidad para los más diversos fines industriales solo fue posible desde el momento en que se logró generar corrientes fuertes mediante trabajo mecánico, en lugar de las pequeñas cantidades producidas por baterías galvánicas. La base teórica de esto fue establecida con la ley de la “inducción electromagnética”, descubierta por Faraday en 1831. Esta ley establece que, al acercar un conductor eléctrico, como un alambre de cobre, a un imán, se genera una corriente eléctrica en dicho conductor. Cuando el movimiento cesa, la corriente desaparece; si luego se aleja el conductor del imán, nuevamente se produce una corriente en el conductor, pero en dirección opuesta a la que tenía al acercarse al imán. Así, con un solo movimiento de ida y vuelta de un conductor eléctrico hacia un imán, se genera en el conductor una corriente de dirección alternada, conocida como corriente alterna.
No es difícil, entonces, diseñar una máquina que, utilizando este fenómeno, permita que un conductor eléctrico enrollado en una bobina se mueva cerca de un imán de acero y genere así una corriente alterna. De esta forma se crearon las antiguas máquinas magnetoeléctricas, en las que una serie de bobinas rotaba entre los polos de imanes que giraban uno frente al otro. Estos imanes podían ser de acero común o electroimanes, es decir, piezas de hierro que se magnetizaban mediante una corriente eléctrica proveniente de una fuente externa que pasaba alrededor de ellos.
El rendimiento de estas máquinas era limitado, y solo con las invenciones del belga Gramme y del alemán Werner Siemens fue posible construir máquinas de mayor capacidad. El mérito de Gramme radica en que, mediante un método especial de conexión de las bobinas generadoras de corriente, consiguió una corriente continua constante, es decir, una corriente que fluye en una sola dirección. Siemens demostró cómo se podían generar los electroimanes de la máquina sin necesidad de una fuente externa de corriente, utilizando simplemente la corriente generada por la misma máquina.
Las dinamos modernas, construidas a partir de estos inventos, consisten básicamente en electroimanes entre los cuales se hace girar, mediante alguna fuente de energía mecánica (como una máquina de vapor o una rueda de agua), un anillo de hierro envuelto en bobinas. Esto genera corrientes eléctricas en dichas bobinas, las cuales se conducen hacia el exterior para su uso práctico.
Este principio puede invertirse, y en ello se basa la posibilidad de transmitir energía eléctrica. Si se introduce una corriente eléctrica en el anillo estacionario de una dinamo, este comienza a girar, pudiendo así realizar trabajo mecánico, al igual que el volante de una máquina de vapor. De este modo, es fácil entender el esquema de la transmisión de energía eléctrica: en el lugar donde se dispone de una fuente de energía económica, como una cascada, esta se convierte en electricidad. Siguiendo con el ejemplo, el agua del salto fluye hacia una turbina, cuya rotación impulsa el anillo de una dinamo. La corriente generada en el anillo, como se describió antes, se transporta mediante cables de cobre, sostenidos en postes con aisladores de porcelana, hasta el lugar donde se necesita la energía.
En el destino, se hace pasar la corriente por el anillo de una segunda dinamo, llamada motor, la cual, al ponerse en movimiento, entrega el trabajo deseado. En transmisiones de gran escala, no es económico seguir este esquema tan simple. Para comprender esto, es necesario recordar lo siguiente: la capacidad de trabajo de un flujo de agua depende de su cantidad (medida en metros cúbicos o en kilogramos) y su caída (medida en metros). De manera similar, el trabajo de una corriente eléctrica se evalúa según su intensidad (llamada amperaje y medida en amperios) y su tensión (llamada voltaje y medida en voltios). El producto entre cantidad y caída es la definición técnica de trabajo, expresado en kilogramos-metros para un flujo de agua, y en voltio-amperios para una corriente eléctrica. En este sentido, 75 kilogramos-metros, o una unidad de potencia llamada caballo de fuerza, equivalen a 723 voltio-amperios de trabajo eléctrico.
Dado que el trabajo eléctrico se presenta como el producto de dos factores, la magnitud de uno de estos factores queda a elección del técnico. Por ejemplo, un trabajo de 3000 voltio-amperios puede lograrse tanto con una corriente de 30 amperios y 100 voltios de tensión como con otra de solo 3 amperios y 1000 voltios de tensión. La técnica aprovecha esta característica, ya que el principal costo en la transmisión de energía eléctrica lo representa el material de cobre para la conducción. Para corrientes de alta intensidad se requieren cables gruesos y, por lo tanto, muy costosos; en cambio, las corrientes de baja intensidad y alta tensión pueden transmitirse con cables mucho más delgados, lo cual es preferible por razones económicas.
Sin embargo, en el lugar donde se va a utilizar la energía eléctrica, no se pueden usar tensiones altas por motivos de seguridad y requisitos técnicos (por ejemplo, una lámpara incandescente necesita alrededor de 100 voltios y una lámpara de arco alrededor de 60 voltios). Por lo tanto, si se quiere aprovechar la ventaja de transmitir corrientes de alta tensión y baja intensidad, es necesario convertir esa corriente en una de baja tensión (aproximadamente 100 voltios) y alta intensidad antes de su uso final. En esta conversión, como se explicó anteriormente, el producto de tensión e intensidad debe mantenerse constante.
La conversión se realiza en los llamados transformadores. Estos dispositivos consisten, en principio, en dos bobinas: una bobina primaria con pocas vueltas de alambre muy grueso y una bobina secundaria con muchas vueltas de alambre muy delgado. Si se introduce en la bobina primaria una corriente alterna de baja tensión y alta intensidad, esta genera, según la ley de la inducción, una corriente alterna de alta tensión y baja intensidad en la bobina secundaria. De manera inversa, se pueden introducir corrientes de alta tensión en la bobina secundaria y obtener corrientes de baja tensión en la bobina primaria.
Dado que la corriente alterna puede transformarse de esta manera tan sencilla, se utiliza en todas las transmisiones de energía a gran escala, y actualmente, por razones técnicas, en una forma especial conocida como corriente multifásica o corriente trifásica. Su principio es el siguiente: si se enrollan dos bobinas aisladas una de otra alrededor de un anillo de hierro y se envían corrientes alternas a través de cada bobina, de tal manera que la corriente en la primera bobina alcanza su máxima intensidad en un momento distinto al de la segunda (es decir, que las dos corrientes están “desfasadas”, de ahí el nombre de corriente multifásica), el anillo de hierro en el que están enrolladas las bobinas se magnetiza, provocando que un imán suspendido dentro del anillo comience a girar. Es como si un polo magnético rotara en el anillo, forzando al imán a seguir ese movimiento por atracción.
Gracias a esta propiedad de generar movimiento de rotación de manera directa, la corriente multifásica también recibe el nombre de corriente de rotación. Este principio puede aplicarse de forma inversa: si se tiene un anillo de hierro con dos bobinas aisladas y se hace girar un imán en su interior mediante un dispositivo mecánico, se generan corrientes alternas de diferente fase en las dos bobinas.
El esquema de una transmisión de energía eléctrica mediante corriente trifásica es el siguiente: en el lugar donde se dispone de la energía a transmitir, se utiliza para impulsar un eje giratorio en el cual está fijado un imán. Este imán rota dentro de un anillo de hierro, y en las bobinas de este anillo se generan, como se describió anteriormente, corrientes alternas multifásicas. Estas corrientes, que tienen una tensión no muy alta, se transforman a una tensión elevada y se envían en este estado hacia el lugar donde se aprovechará la energía. Allí, se convierten a una tensión adecuada para usos industriales y se conducen a bobinas como las descritas anteriormente, generando la rotación de un imán colocado dentro del anillo de bobinas, lo que significa que se realiza trabajo mecánico.
El primer ejemplo de una transmisión de energía a gran escala en Sudamérica será el proyecto de la Compañía Explotadora de Lota y Coronel, que consiste en la transmisión de la energía hidráulica de Chivilingo a una distancia de aproximadamente 7 kilómetros. Este proyecto está siendo ejecutado por la casa Saavedra, Benard & Co. de Valparaíso, en su calidad de representante de la Deutsche Elektrizitäts-Gesellschaft, anteriormente Schuckert & Co., de Núremberg, que ha desarrollado los detalles del amplio proyecto y suministra las máquinas y materiales.
El proyecto es el siguiente: en el lugar de la fuente hidráulica (que genera aproximadamente 800 caballos de fuerza y se aprovecha mediante ruedas Pelton) se han instalado dos dinamos de corriente trifásica, que generan corrientes eléctricas con una tensión de 400 voltios. Cada máquina envía su corriente a un transformador que convierte la tensión de 400 voltios a una de 10,000 voltios. Estas corrientes de alta tensión, provenientes de ambos transformadores, se combinan en una sola línea y se transmiten a través de cables de cobre de 5,5 mm de diámetro a una distancia de 6,300 metros hasta un punto de distribución.
Desde aquí, la corriente eléctrica se divide en tres líneas de transmisión, que recorren 1300, 600 y 800 metros respectivamente, y al final de cada una se transforma nuevamente a baja tensión para alimentar los motores eléctricos instalados en esos puntos, los cuales se ponen en funcionamiento y realizan una variedad de trabajos. Para ilustrar esto, se describe brevemente el uso de la línea de transmisión intermedia. Su corriente se transforma a 500 voltios y se dirige a un panel de distribución; desde este panel parten diferentes ramales, uno de los cuales impulsa las máquinas para trituración de carbón, las máquinas de transporte y las bombas, mientras que otro, subdividido en varias líneas, abastece a la mina con iluminación eléctrica y un tren eléctrico.
Es de esperar que esta gran obra inspire numerosas imitaciones en nuestro país, ya que Chile posee, como pocos países, un inmenso potencial de energía hidráulica fácil de aprovechar en los cauces de sus montañas. También en esta ocasión, ha sido la industria alemana la que ha abierto el camino, marcando una pauta innovadora.
