Noções básicas de transformador

Os transformadores geralmente são dispositivos capazes de converter quantidades de um valor para outro. Para este artigo, nos concentraremos no transformador de tensão, que é um componente elétrico estático capaz de converter a tensão CA de um valor para outro sem alterar a frequência usando os princípios da indução eletromagnética.

Em um de nossos artigos anteriores sobre corrente alternada, mencionamos a importância do transformador na história da corrente alternada. Foi o principal facilitador que tornou possível a corrente alternada. Inicialmente, quando os sistemas baseados em CC estavam sendo usados, eles não podiam ser transferidos por longas distâncias devido à perda de energia nas linhas conforme a distância (comprimento) aumenta, o que significa que as estações de energia CC tinham que ser colocadas em todos os lugares, portanto, o objetivo principal do CA era para resolver o problema da transmissão e sem o transformador, isso não teria sido possível pois as perdas ainda existiriam mesmo com AC.

Com o transformador instalado, a CA poderia ser transmitida das estações geradoras em uma tensão muito alta, mas baixa corrente, o que elimina as perdas na linha (fios) devido ao valor de I ² R (que dá a perda de energia em uma linha). O transformador é então usado para converter a energia de alta tensão e corrente baixa em energia de baixa tensão e alta corrente para distribuição final dentro de uma comunidade, sem alterar a frequência e com a mesma potência que foi transmitida da estação geradora (P = IV).

Para entender melhor o transformador de potencial, é melhor usar seu modelo mais simplificado, que é o transformador monofásico.

Transformador Monofásico

O transformador monofásico é o tipo mais comum (em termos de números em uso) de transformadores de potencial. Ele está presente na maioria dos aparelhos “plugados” que usamos em casa e em qualquer lugar.

É usado para descrever o princípio de operação, construção, etc. de um transformador porque outros transformadores são como uma variação ou modificação do transformador monofásico. Por exemplo, certas pessoas referem-se ao transformador trifásico como sendo composto por 3 transformadores monofásicos.

O transformador monofásico é composto por duas bobinas / enrolamento (a primária e a secundária). Esses dois enrolamentos são dispostos de forma que não exista nenhuma conexão elétrica entre eles, portanto, eles são enrolados em torno de um ferro magnético comum, geralmente denominado núcleo do transformador, portanto, as duas bobinas têm apenas uma conexão magnética entre si. Isso garante que a energia seja transmitida apenas por indução eletromagnética e também torna os transformadores úteis para conexões de isolamento.

Princípio operacional do transformador:

Como mencionado anteriormente, o transformador consiste em duas bobinas; as bobinas primária e secundária. A bobina primária sempre representa a entrada para o transformador, enquanto a bobina secundária, a saída do transformador.

Dois efeitos principais definem o funcionamento do transformador:

A primeira é que uma corrente fluindo através de um fio cria um campo magnético ao redor do fio. A magnitude do campo magnético resultante é sempre diretamente proporcional à quantidade de corrente que passa pelo fio. A magnitude do campo magnético é aumentada, se o fio for enrolado em forma de bobina. Este é o princípio com o qual o magnetismo é induzido pela bobina primária. Ao aplicar uma tensão à bobina primária, ele induz um campo magnético em torno do núcleo do transformador.

O segundo efeito que quando combinado com o primeiro explica o princípio operacional do transformador que se baseia no fato de que, se um condutor for enrolado em torno de um pedaço de ímã e o campo magnético mudar, a mudança no campo magnético irá induzir uma corrente em o condutor, cuja magnitude será determinada pelo número de voltas da bobina do condutor. Este é o princípio com o qual a bobina secundária é energizada.

Quando uma tensão é aplicada à bobina primária, ela cria um campo magnético ao redor do núcleo, cuja intensidade depende da corrente aplicada. O campo magnético criado induz assim uma corrente na bobina secundária que é uma função da magnitude do campo magnético e do número de voltas da bobina secundária.

Este princípio de funcionamento do transformador também explica por que a CA teve que ser inventada, pois o transformador só funcionará quando houver uma alternância na tensão ou corrente aplicada, pois só então os princípios de indução eletromagnética funcionarão. Portanto, o transformador não poderia ser usado para DC.

Construção do transformador

Basicamente, um transformador é composto de duas partes que incluem; duas bobinas indutivas e um núcleo de aço laminado. As bobinas são isoladas umas das outras e também isoladas para evitar o contato com o núcleo.

A construção do transformador será então examinada sob a construção da bobina e do núcleo.

Núcleo do Transformer

O núcleo do transformador é sempre construído empilhando folhas laminadas de aço, garantindo um espaço de ar mínimo entre elas. O núcleo do transformador nos últimos tempos é sempre feito de núcleo de aço laminado em vez de núcleos de ferro para reduzir as perdas devido a correntes parasitas.

Existem três formatos principais de chapas de aço laminado para escolher, que são E, I e L.

Ao empilhar as laminações para formar o núcleo, elas são sempre empilhadas de forma que os lados da junta se alternem. Por exemplo, se as folhas forem montadas com a face frontal durante a primeira montagem, elas serão voltadas para trás na próxima montagem, conforme mostrado na imagem abaixo. Isso é feito para evitar alta relutância nas articulações.

Bobina

Ao construir um transformador, torna-se muito importante especificar o tipo de transformador como incremento ou redução, pois isso determina o número de voltas que existirão na bobina primária ou secundária.

Tipos de transformadores:

Principalmente, existem três tipos de transformadores de potencial;

1. Transformadores abaixadores

2. Transformadores Step Up

3. Transformadores de isolamento

Os transformadores abaixadores são transformadores que fornecem um valor reduzido da tensão aplicada à bobina primária na bobina secundária, enquanto para um transformador abaixador, o transformador dá um valor aumentado da tensão aplicada à bobina primária, no secundário bobina.

Os transformadores de isolamento são transformadores que fornecem a mesma tensão aplicada ao primário no secundário e, portanto, usados ​​basicamente para isolar circuitos elétricos.

A partir da explicação acima, a criação de um determinado tipo de transformador só pode ser alcançada projetando o número de voltas em cada uma das bobinas primária e secundária para dar a saída necessária; isso pode ser determinado pela relação de espiras. Você pode ler o tutorial vinculado para aprender mais sobre os diferentes tipos de transformadores.

Relação de giros do transformador e equação EMF:

A relação de espiras do transformador (n) é dada pela equação;

n = Np / Ns = Vp / Vs

onde n = proporção de voltas

Np = Número de voltas na bobina primária

Ns = Número de voltas na bobina secundária

Vp = Tensão aplicada ao primário

Vs = Tensão no secundário

Essa relação descrita acima pode ser usada para calcular cada um dos parâmetros da equação.

A fórmula acima é conhecida como a ação da tensão dos transformadores.

Como dissemos, o poder permanece o mesmo depois da transformação;

A fórmula acima é conhecida como a ação da corrente do transformador. O que serve como prova de que o transformador não só transforma a tensão, mas também a corrente.

Equação EMF:

O número de voltas da bobina da bobina primária ou secundária determina a quantidade de corrente que induz ou é induzida por ela. Quando a corrente aplicada ao primário é reduzida, a intensidade do campo magnético é reduzida e o mesmo para a corrente induzida no enrolamento secundário.

E = N (dΦ / dt)

A quantidade de tensão induzida no enrolamento secundário é dada pela equação:

Onde N é o número de voltas no enrolamento secundário.

Como o fluxo varia senoidalmente, o fluxo magnético Φ = Φ _max senwt

portanto

E = N * w * Φmax * cos (wt) Emax = NwΦmax

O valor da raiz quadrada média da Emf induzida é obtido dividindo-se o valor máximo da fem por √2

Esta equação é conhecida como equação EMF dos transformadores.

Onde: N é o número de voltas no enrolamento da bobina

f é a frequência de fluxo em hertz

Φ é a densidade do fluxo magnético em Weber

com todos esses valores determinados, o transformador pode ser construído.

Energia elétrica

Conforme explicado anteriormente, os transformadores foram criados para garantir que o valor da energia elétrica gerada nas estações geradoras seja entregue aos usuários finais com pouca ou nenhuma perda, portanto, em um transformador Ideal, a energia na saída (enrolamento secundário) é sempre a mesma que a potência de entrada. Os transformadores são, portanto, chamados de dispositivos de potência constante, embora possam alterar os valores de tensão e corrente, é sempre feito de forma que a mesma potência na entrada esteja disponível na saída.

portanto

P _s = P _p

onde Ps é a potência no secundário e Pp é a potência no primário.

Como P = IvcosΦ então I _s V _s cosΦ _s = I _p V _p cosΦ _p

Eficiência de um transformador

A eficiência de um transformador é dada pela equação;

Eficiência = (potência de saída / potência de entrada) * 100%

Embora a saída de potência de um transformador Ideal deva ser igual à entrada de potência, a maioria dos transformadores está longe do transformador Ideal e sofre perdas devido a vários fatores.

Algumas das perdas que podem ser experimentadas por um transformador estão listadas abaixo;

1. Perdas de cobre

2. Perdas por histerese

3. Perdas por corrente parasita

1. Perdas de cobre

Essas perdas são às vezes chamadas de perdas de enrolamento ou perdas I ² R. Essas perdas estão associadas à potência dissipada pelo condutor utilizado para o enrolamento quando a corrente passa por ele devido à resistência do condutor. O valor dessa perda pode ser calculado usando a fórmula;

P = I ² R

2. Perdas por histerese

Esta é uma perda relacionada à relutância dos materiais usados ​​para o núcleo do transformador. Como a corrente alternada inverte sua direção, ela tem um impacto na estrutura interna do material usado para o núcleo, pois tende a sofrer mudanças físicas que também consomem parte da energia.

3. Perdas por corrente parasita

Essa é uma perda normalmente superada pelo uso de chapas finas laminadas de aço. A perda de corrente parasita surge do fato de que o núcleo também é um condutor e irá induzir uma fem na bobina secundária. As correntes induzidas no núcleo de acordo com a lei moderna irão se opor ao campo magnético e levar à dissipação de energia.

Fatorando o efeito dessas perdas nos cálculos de eficiência do transformador, temos;

Eficiência = (potência de entrada - perdas / potência de entrada) * 100% Todos os parâmetros expressos em unidades de potência.