Transformador

De Viquip??dia

Un transformador sobre un pal el??ctric

Alguns transformadors de mida petita

Imatge d'un gran transformador

Un transformador ??s una m??quina el??ctrica est??tica (sense parts en moviment) d'inducci?? electromagn??tica que permet convertir els valors de tensi?? i d'intensitat de corrent subministrat per una font de corrent altern en un o m??s sistemes de corrent altern amb valors de tensi?? i intensitat de corrent diferents per?? de la mateixa freq????ncia. En resum, els transformadors s??n uns aparells que converteixen energia el??ctrica d'unes caracter??stiques en energia el??ctrica amb d'altres caracter??stiques, essent una de les m??quines el??ctriques m??s eficients que existeixen.

Un transformador acostuma a constar de tres parts:

Un nucli de material ferromagn??tic que forma un circuit magn??tic tancat.
Un enrotllament o debanament primari al qual s'aplica un corrent el??ctric.
Un enrotllament o debanament secundari que proporcionar?? un corrent el??ctric de sortida. En alguns casos pot haver m??s d'un secundari.

El corrent altern aplicat al primer circuit, el primari, crea un camp magn??tic variable; aquest camp magn??tic indueix una for??a electromotriu al segon circuit, el secundari. Entre el circuit primari i el secundari no hi ha cap connexi??, l'energia es transmet a trav??s del flux magn??tic que es crea dins del nucli.

El voltatge indu??t al secundari V_S ??s proporcional al que s'ha aplicat al primari V_P segons una ra?? relacionada amb el nombre de voltes de fil el??ctric (espires) en cada bobinat, idealment seria:

$\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$

El nombre d'espires que composen les bobines determinar?? la relaci?? de variaci?? entre les tensions d'entrada i de sortida. Aix?? implica que fent una selecci?? adequada del nombre de voltes o espires que composen els bobinats primari i secundari podrem determinar el voltatge que ens proporcionar?? el secundari.

Els transformadors tenen una import??ncia cabdal a la nostra societat, sense ells no es podria fer el transport d'energia a grans dist??ncies com les que que hi ha entre les centrals el??ctriques productores d'electricitat i els consumidors. I, a una altra escala, s??n imprescindibles per al funcionament de la majoria dels aparells que funcionen amb electricitat at??s que en necessiten voltatges molt m??s petits que els que ens arriben a casa, un ordinador o un televisor disposen d'un transformador per poder funcionar. Paral??lelament a la varietat d'utilitzacions, dom??stiques o industrials, hi ha una gran variaci?? de tipus, formes, mides i prestacions, poden anar de pocs mil??l??metres i pocs grams de pes fins a metres i centenars de tones, per?? tots els transformadors es basen en els mateixos principis de funcionament.

Taula de continguts

1 Hist??ria
2 Principi de funcionament
- 2.1 La llei de la inducci??
3 Vegeu tamb??
4 Notes

[edita] Hist??ria

El principi sobre el que es fonamenta el funcionament del transformador va ser demostrat per Michael Faraday el 1831, l'anell d'inducci?? que va crear va ser el primer transformador, per?? es va limitar a utilitzar-lo per a demostrar el fenomen de la inducci?? electromagn??tica i mai li va donar cap aplicaci?? pr??ctica.

El 1876, l'enginyer rus Pavel Yablochkov va inventar un sistema d'il??luminaci?? basat en un conjunt de bobines d'inducci?? i unes l??mpades de la seva invenci?? (L??mpada Yablochkov), les bobines funcionaven com un transformador. Aquest sistema va tenir for??a ??xit comercial i fins i tot es va utilitzar als carrers de Par??s el 1881.

Lucien Gaulard i John Dixon Gibbs van desenvolupar entre 1881 i 1884 un ginys que anomenaren generador secundari que no era altra cosa que un transformador. El primer prototip utilitzava un nucli de ferro obert i era poc eficient. El 1883 van utilitzar un nucli de barres per a transportar corrent altern de 2000 volts a una dist??ncia de 40 Km. El darrer model patentat per Gaulard el 1886, ja amb un circuit magn??tic tancat, t?? poc a envejar als dissenys actuals. El 1885 la companyia nord-americana "Westinghouse Electric Corporation" es va interessar pels transformadors de Gaulard i va comprar-ne els drets per als Estats Units.

Despr??s que George Westinghouse va comprar les patents de Gaulard, l'enginyer William Stanley, un enginyer de la companyia Westinghouse, va dissenyar el primer transformador comercial el 1886 amb un nucli fet amb plaques de ferro en forma de E.

El 1885 els enginyers hogaresos Zipernowsky, Bl??thy i D??ri de la companyia Ganz de Budapest van crear a partir dels dissenys de Gaulard i Gibbs un transformador molt eficient anomenat "ZBD" amb un nucli tancat. La seva patent va ser la primera que va utilitzar el mot "transformador".

El 1889 l'enginyer rus Mikhail Dolivo-Dobrovolsky va desenvolupar el primer transformador trif??sic.

El 1891 Nikola Tesla va inventar la bobina Tesla, un transformador amb nucli d'aire composat per una s??rie de circuits ressonants acoblats que pot generar corrents a molt alta tensi?? i freq????ncia. La idea inicial de Tesla era aconseguir de transmetre l'energia el??ctrica sense necessitat de conductors, per?? no va reeixir perqu?? la transmissi?? es feia en totes direccions. Aquesta idea ha estat represa el 2006 per un equip d'investigadors del Massachusetts Institute of Technology sota el nom de witricity^[1].

Tot i les noves tecnologies han substitu??t la utilitzaci?? dels transformadors en algunes aplicacions electr??niques, encara s??n utilitzats en moltes d'altres i jugant un paper essencial en el transport d'energia el??ctrica, fent-la possible i econ??micament rendible. Els transformadors van ser un factor essencial en l'adopci?? del corrent altern front el corrent continu en fer possible el transport a grans dist??ncies.

[edita] Principi de funcionament

El corrent d'intensitat I₁ i voltatge U₁) aplicat al primari N₁ crea un camp magn??tic variable, el flux magn??tic ?? al llarg del circuit magn??tic indueix un corrent el??ctric a l'enrotllament secundari N₂ d'intensitat I₂ i voltatge U₂.

El funcionament del transformador es basa en dos principis:

un corrent el??ctric pot produir un camp magn??tic
un camp magn??tic canviant a un bobinat de fil el??ctric indueix un corrent el??ctric als seus extrems

En canviar el corrent de l'enrotllament primari canvia la for??a del camp magn??tic, quan el camp magn??tic variable afecta l'enrotllament secundari s'hi indueix una difer??ncia de potencial el??ctric.

La imatge de la dreta representa l'esquema del funcionament d'un transformador simplificat. El marc quadrangular representa un nucli ferromagn??tic d'alta permeabilitat magn??tica, com el ferro, sobre el qual hi ha dos enrotllaments o bobinats de fil esmaltat, el de l'esquerra ??s el primari perqu?? ??s el que rebr?? l'aplicaci?? d'un corrent el??ctric; el de l'esquerra ??s el secundari perqu?? ??s al que s'induir?? una difer??ncia de potencial als seus extrems. Noti's que no hi ha connexi?? entre el primari i el secundari, l'esmalt que cobreix el fil el??ctric utilitzat fa que no hagi contacte entre les diferents voltes o espires ni amb el material del nucli

El corrent d'intensitat I₁ i voltatge U₁ aplicat passa pel bobinat primari (N₁, a l'esquerra) genera un camp magn??tic (que ser?? variable perqu?? apliquem un corrent altern) i s'estableix un flux magn??tic ?? al llarg del circuit magn??tic que es crea dins del nucli que transporta energia del primari al secundari de manera que s'indueix un corrent al secundari (N₂, a la dreta) d'intensitat I₂ i voltatge U₂.

[edita] La llei de la inducci??

El voltatge indu??t pot ser calculat amb la llei de Faraday, que estableix que

$\mathcal{E}=-N{d \Phi_B \over d t}$

?? ??s la for??a electromotriu (fem) indu??da
N ??s en nombre de voltes del bobinat
d??/dt ??s la taxa de canvi al llarg del temps del flux magn??tic ??.

Si les voltes o espires del bobinat s??n orientades de manera perpendicular a les l??nies del camp magn??tic, el flux ser?? igual al producte de la for??a del camp magn??tic B i l'??rea que talla. L'??rea ??s constant, essent igual a la secci?? del nucli magn??tic del transformador, per tant el camp magn??tic canviar?? amb el temps d'acord amb la variaci?? del corrent. El signe negatiu de la f??rmula, la direcci?? de la for??a electromotriu, va ser introdu??t per la llei de Lenz i indica que ??s contr??ria a la causa que crea la fem.

Seguint l'exemple de l'esquema, tindrem que el corrent altern aplicat (U₁) produir?? en el circuit primari una intensitat que generar?? un flux magn??tic tancat (??) a trav??s del nucli magn??tic. Al seu torn aquest flux magn??tic ?? induir?? una fem ??₁ a l'enrotllament primari

$\mathcal{E}_{1}= - N_{1} \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}$

i una altra fem ??₂en el secundari:

$\mathcal{E}_{2}= - N_{2} \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}$

Si dividim les dues expressions anteriors arribarem a l'equaci?? que relaciona les tensions d'entrada i sortida amb el nombre de voltes del primari i del secundari:

$\frac{\mathcal{E}_{1}}{\mathcal{E}_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$

Si $\frac{\mathcal{E}_{1}}{\mathcal{E}_{2}} > 1$ es tractar?? d'un transformador que redueix la tensi?? d'entrada. Si $\frac{\mathcal{E}_{1}}{\mathcal{E}_{2}} < 1$ es tractar?? d'un transformador que augmenta la tensi?? d'entrada. Podem tenir transformadors que redueixin la tensi?? d'entrada i d'altres que l'augmentin.