Per què els transformadors no es connecten mai a fonts d'alimentació de CC
Els transformadors són equips elèctrics bàsics que es basen en la inducció electromagnètica per aconseguir l'aïllament del corrent de conversió de tensió i la transmissió d'energia i el seu disseny estructural i principi de funcionament depenen completament de les característiques del corrent altern (AC) que els fa incompatibles amb les fonts d'alimentació de corrent continu (DC) amb els principals motius següents:
1. L'alimentació de corrent continu no pot activar la inducció electromagnètica que condueix a la pèrdua de la funció del transformador
El principi de funcionament fonamental d'un transformador es basa en la inducció mútua entre dos bobinatges (bobinat primari i bobinatge secundari) al voltant d'un nucli de ferro comú. Quan un corrent alterna travessa el bobinatge primari genera un flux magnètic altern al nucli de ferro (la direcció i la magnitud del flux magnètic canvien periòdicament amb el corrent alterna) i aquest flux magnètic altern talla el bobinatge secundari per induir una força electromotriu (EMF) al bobinatge secundari segons la Llei de Faraday d'inducció electromagnètica, realitzant així la conversió de tensió i transmissió de potència. Quan es connecta una font d'alimentació de CC al bobinatge primari, el corrent de CC té una magnitud i una direcció constants (sense canvis periòdics) i aquest corrent constant només pot generar un flux magnètic estàtic al nucli de ferro (el flux magnètic no canvia amb el temps). Com que la inducció electromagnètica requereix "canvis en el flux magnètic" per induir EMF, el flux magnètic estàtic no pot tallar el bobinatge secundari, donant lloc a un EMF induït zero al bobinatge secundari i el transformador perd completament la seva funció de conversió de tensió i transmissió de potència.
2. La potència de corrent continu provoca una saturació severa del nucli de ferro i un corrent de bobinatge excessiu
(1) Saturació magnètica del nucli de ferro
The iron core of a transformer is made of high-permeability silicon steel sheets which are designed to work in the linear magnetic permeability range under AC conditions. Under AC excitation the alternating magnetic flux changes periodically and the iron core magnetic density fluctuates within a safe range (usually 1.2-1.8T) to avoid saturation. When DC current is applied the static magnetic flux in the iron core will continue to increase with the DC current (following the magnetizing curve of the iron core) and since DC has no "zero-crossing" process (unlike AC which periodically resets the magnetic flux) the iron core magnetic density will quickly exceed the saturation point (typically >2T). Un cop saturat, la permeabilitat del nucli de ferro disminueix bruscament (a prop de la de l'aire) i la reactància de magnetització del bobinatge primari disminueix significativament.
(2) Corrent de bobinatge primari excessiu
En funcionament normal de CA, el bobinatge primari d'un transformador té una gran reactància de magnetització (Xₘ) que limita el corrent de magnetització a un valor petit (normalment del 2% al 8% del corrent nominal). Quan es connecta a DC, el nucli de ferro saturat fa que la reactància de magnetització Xₘ s'apropi a zero i en aquest moment el bobinatge primari és equivalent a un circuit de resistència pura (només existeix la resistència DC R del mateix bobinatge). Com que la resistència de corrent continu del bobinatge del transformador és extremadament petita (normalment uns pocs ohms o menys) segons la Llei d'Ohm (I=U/R), el corrent primari augmentarà bruscament fins a un valor extremadament alt sovint desenes o fins i tot centenars de vegades el corrent nominal. Per exemple, si un transformador de 10 kV (corrent nominal primari 57,7 A bobinat resistència DC 10 Ω) està connectat per error a una font d'alimentació de 10 kV DC, el corrent primari arribarà a I=10, 000 V / 10 Ω=1000 A (17 vegades el corrent nominal) i aquest corrent excessiu de curta durada provocarà un sobreescalfament greu.
3. Sobreescalfament i danys a l'equip causats per la connexió de CC
(1) Esgotament de l'aïllament de la bobina
El corrent continu excessiu al bobinatge primari genera una gran quantitat de calor mitjançant l'escalfament Joule (Q=I²Rt) i l'aïllament del bobinat (generalment aïllament de filferro esmaltat o aïllament de paper) té una resistència a la temperatura limitada (p. ex., aïllament de classe A: 105 graus d'aïllament de classe B: 130 graus). En poc temps (de segons a minuts) la calor generada per l'excés de corrent superarà el límit de resistència a la temperatura de l'aïllament provocant que l'aïllament es fongui carbonitzi o fins i tot s'incendi i que provoqui un curtcircuit entre les espires del bobinatge o entre el bobinatge i el nucli de ferro.
(2) Sobreescalfament del nucli de ferro
Sota l'excitació de corrent continu, el nucli de ferro saturat produirà una pèrdua anormal de corrents de Foucault i, tot i que les làmines d'acer de silici del nucli de ferro estan recobertes d'una capa aïllant per reduir la pèrdua de corrent de Foucault en condicions de corrent alterna, el flux magnètic estàtic sota DC farà que la densitat magnètica local sigui massa alta trencant la capa aïllant en algunes zones i generant grans corrents de Foucault. Aquests corrents de Foucault faran que el nucli de ferro es sobreescalfi ràpidament, provocant una deformació de les làmines d'acer al silici o danys a l'estructura del nucli.
(3) Risc d'explosió o incendi
En casos greus, la crema de l'aïllament del bobinat i el sobreescalfament del nucli de ferro poden encendre l'oli aïllant (en transformadors submergits en oli{0}) o altres materials orgànics dins del transformador, provocant una explosió o incendi que suposa una amenaça greu per a la seguretat dels sistemes elèctrics i del personal.
4. Nota especial: la conversió DC-DC es basa en "DC polsat" en lloc de DC pur
Cal aclarir que alguns dispositius electrònics de potència (com ara transformadors de CC en sistemes de transmissió d'energia de CC) poden realitzar una conversió de tensió CC, però no utilitzen el principi tradicional del transformador. Primer converteixen el CC pur en CC polsat (o CA d'alta-freqüència) mitjançant interruptors electrònics de potència (com ara IGBT) i després utilitzen un transformador d'alta-freqüència (funcionant en condicions de CA/impulsos) per ajustar el voltatge i, finalment, rectificar-lo de nou a CC. Aquest procés es basa bàsicament en l'excitació de polsos "-com a CA" i no en una connexió directa de CC a un transformador tradicional.
En conclusió, el principi de funcionament del transformador depèn intrínsecament de la naturalesa alterna de CA i connectar-lo a l'alimentació de CC no només farà que perdi la seva funció bàsica, sinó que també provocarà un sobreescalfament greu i danys permanents a l'equip. Per tant, els transformadors estan dissenyats estrictament per a fonts d'alimentació de CA i mai s'han de connectar a l'alimentació de CC