Com funcionen els transformadors?

Què són les instal·lacions HVAC i per a què serveixen?

Els transformadors elèctrics són dispositius que permeten augmentar o reduir el nivell de tensió del corrent altern mitjançant inducció electromagnètica, sense modificar-ne la freqüència.

Gràcies a ells, l’electricitat es pot transportar a llargues distàncies amb pèrdues d'energia menors i distribuir-se a nivells de tensió segurs i adequats per utilitzar-se en llars, comerços i indústries.

Com funcionen els transformadors?

El funcionament dels transformadors es basa en un principi físic fonamental: la inducció electromagnètica, descoberta per Michael Faraday.

Un transformador està format per dues bobines de cable enrotllades sobre un nucli magnètic, la funció del qual és concentrar i guiar el flux del camp magnètic:

• Bobina primària: per on entra el corrent.
• Bobina secundària: per on surt el corrent transformat.

La relació entre la tensió d'entrada i la de sortida depèn del nombre de voltes de cable de cada bobina. Si la bobina secundària té més espires que la primària, la tensió augmenta; si en té menys, la tensió es redueix.

En un transformador ideal es compleix:

• V2/V1 = N2/N1 (la tensió és proporcional al nombre de voltes).
• I2/I1 = N1/N2 (si puja la tensió, baixa la intensitat, i viceversa).

A la pràctica, hi ha petites pèrdues energètiques, de manera que les relacions són aproximades.

Gràcies a aquest funcionament, els transformadors permeten elevar la tensió per transportar l'electricitat a llargues distàncies, des de les centrals de generació fins a casa nostra, reduint les pèrdues en forma de calor.

Comprendre per què es produeixen aquestes pèrdues i com influeixen en l‟eficiència del sistema elèctric ens porta a un fenomen físic clau: l’efecte Joule.

L'efecte Joule: per què l'electricitat es transporta a alta tensió

Un dels dubtes més habituals és: Per què l'electricitat no es transporta a la mateixa tensió que fem servir a casa? La resposta es troba a l’efecte Joule, un fenomen físic pel qual part de l'energia elèctrica que circula per un conductor es dissipa en forma de calor a causa de la seva resistència.

Com més gran és la intensitat del corrent que circula per un conductor, més gran és la pèrdua d'energia en forma de calor. Això implica que transportar grans quantitats d’electricitat a baixa tensió generaria pèrdues enormes.

Aquí entren en joc els transformadors elevadors. En augmentar la tensió, es redueix la intensitat necessària per transportar la mateixa potència elèctrica i, com a conseqüència, es minimitzen les pèrdues associades a aquest efecte Joule. Per aquest motiu, l’electricitat es transporta a alta tensió i aquesta es redueix posteriorment, mitjançant altres transformadors, abans d’arribar als punts de consum.

Components principals d’un transformador

A nivell intern, un transformador està format per elements que treballen conjuntament. Els més importants són:

• Nucli magnètic: canalitza el flux magnètic.
• Bobines o debanats: condueixen el corrent elèctric.
• Aïllament: evita curtcircuits entre bobines.
• Oli dielèctric o sistemes de refrigeració: extreuen la calor generada.
• Tanc metàl·lic: protegeix de la humitat, la pols i els cops.
• Bujes o passaparets (bushings): permeten connectar l’interior del transformador amb l’exterior mantenint l’aïllament.
• Radiadors i, en alguns casos, ventiladors: ajuden a evacuar la calor.
• Canviador de preses: ajusta la tensió de sortida en petits passos (pot ser en càrrega o en buit, segons el disseny).
• Elements de protecció en transformadors d’oli, com el relé Buchholz i la vàlvula d’alleujament de pressió (segons el tipus i la mida).
• Segons l’aplicació, poden ser transformadors immersos en oli o transformadors secs (per exemple, de resina).

Com van néixer els transformadors elèctrics?

La història dels transformadors també és la història de l'electricitat moderna. El 1831, Michael Faraday va descriure el principi d'inducció electromagnètica, establint les bases teòriques que en farien possible el funcionament.

A finals del segle XIX, Lucien Gaulard i John Dixon Gibbs van desenvolupar els primers transformadors pràctics, capaços d'elevar i reduir la tensió en sistemes de corrent altern. Més tard van ser perfeccionats per Károl Zipernowsky, Déri i Miksa Otto Bláthy (Ganz) que també van impulsar dissenys clau com ara el nucli tancat i sistemes de corrent altern més pràctics i eficients.

En paral·lel Nikola Tesla i George Westinghouse van impulsar l'adopció industrial del corrent altern, demostrant la seva viabilitat davant d'altres sistemes.

Gràcies a aquests avenços, els transformadors es van convertir en una peça essencial per al transport d’electricitat a llargues distàncies i la consolidació de les xarxes elèctriques modernes.

Tipus de transformadors i aplicacions més habituals

Transformadors de potència

S'utilitzen per a elevar o reduir la tensió a les xarxes elèctriques, facilitant tant el transport com la distribució de l’electricitat.

• Elevadors: augmenten la tensió. S'utilitzen principalment a centrals de generació per enviar l'energia elèctrica a llarga distància amb menys pèrdues.
• Reductors: disminueixen la tensió. Són els que permeten que l'electricitat arribi a casa amb nivells de tensió segurs.
• Autotransformadors: canvien la tensió, quan la diferència entre el nivell d’entrada i el de sortida és relativament petita. Són més compactes i eficients perquè usen una sola bobina.
• Trifàsics: empleats en xarxes transport elèctric i entorns industrials. Estan dissenyats per treballar amb sistemes trifàsics i són més compactes i eficients que l'ús de diversos transformadors monofàsics independents.

Transformadors de mesura

Serveixen per mesurar corrents i tensions altes de forma segura.

• Transformadors d'intensitat: redueixen corrents molt alts a valors normalitzats perquè els instruments puguin mesurar-los sense risc.
• Transformadors de potencial: redueixen les tensions molt elevades a nivells segurs i manejables per a mesurar-les i controlar-les.

Per què es fan servir en el dia a dia

A la xarxa elèctrica, els transformadors permeten transportar l'energia a llargues distàncies i adaptar-la perquè la puguem utilitzar de forma segura. A més, gairebé tots els dispositius electrònics incorporen sistemes que ajusten la tensió de la xarxa als valors que necessiten per funcionar correctament. També són presents en elements de seguretat de la llar. Per exemple, l'interruptor diferencial utilitza un transformador de mesura per detectar fugues de corrent i tallar el subministrament abans que es puguin produir danys.

Del sistema elèctric als carregadors del mòbil

Encara que solem associar-los a grans infraestructures, els transformadors són presents en molts objectes quotidians: electrodomèstics, equips electrònics, sistemes de climatització, instal·lacions solars, vehicles elèctrics i, per descomptat, als carregadors de mòbil.

La mateixa lògica que permet transportar electricitat a llargues distàncies també és present en molts dispositius d'ús quotidià.