Transformadores Step-up e Step-down

Até agora, observamos simulações de transformadores onde os enrolamentos primário e secundário eram de indutância idêntica, fornecendo níveis de tensão e corrente aproximadamente iguais em ambos os circuitos. Igualdade de tensão e corrente entre os lados primário e secundário de um transformador, no entanto, não é a norma para todos os transformadores.

Se as indutâncias dos dois enrolamentos não forem iguais, algo interessante acontece:


transformador

 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 l1 2 0 10000 12 3 5 100 k l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .fim 

 freq v (2) i (v1) 6.000E + 01 1.000E + 01 9.975E-05 Enrolamento primário freq v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.962E-01 9.962E-04 Enrolamento secundário 

Observe como a tensão secundária é aproximadamente dez vezes menor que a tensão primária (0,9962 volts em comparação com 10 volts), enquanto a corrente secundária é aproximadamente dez vezes maior (0,9962 mA em comparação com 0,09975 mA).

O que temos aqui é um dispositivo que reduz a tensão para baixo por um fator de dez e atual em alta por um fator de dez:

A relação de transformações de 10:1 resulta na relação de tensão primário:secundário de 10:1 e relação de corrente primário:secundário de 1:10.

O que são transformadores step-up e step-down?

Este é um dispositivo muito útil, de fato. Com ele, podemos facilmente multiplicar ou dividir a tensão e a corrente em circuitos CA. De fato, o transformador tornou a transmissão de energia elétrica de longa distância uma realidade prática, já que a tensão CA pode ser “aumentada” e a corrente “reduzida” para reduzir as perdas de energia da resistência do fio ao longo das linhas de energia que conectam as estações geradoras às cargas.

Em qualquer extremidade (tanto no gerador quanto nas cargas), os níveis de tensão são reduzidos por transformadores para uma operação mais segura e equipamentos mais baratos.

Um transformador que aumenta a tensão do primário para o secundário (mais voltas do enrolamento secundário do que voltas do enrolamento primário) é chamado de elevador transformador.

Por outro lado, um transformador projetado para fazer exatamente o oposto é chamado de abaixador transformador.

Vamos reexaminar uma fotografia mostrada na seção anterior:

A seção transversal do transformador mostrando os enrolamentos primário e secundário tem algumas polegadas de altura (aproximadamente 10 cm).

Este é um transformador abaixador, conforme evidenciado pelo alto número de giros do enrolamento primário e o baixo giro do secundário. Como uma unidade redutora, este transformador converte energia de alta tensão e baixa corrente em energia de baixa tensão e alta corrente.

O fio de maior bitola usado no enrolamento secundário é necessário devido ao aumento da corrente. O enrolamento primário, que não precisa conduzir tanta corrente, pode ser feito de fio de menor calibre.

Reversibilidade da operação do transformador

Caso você esteja se perguntando, é possível operar qualquer um desses tipos de transformador para trás (alimentando o enrolamento secundário com uma fonte CA e deixando o enrolamento primário alimentar uma carga) para executar a função oposta:um elevador pode funcionar como um abaixador e visa-Versa.

No entanto, como vimos na primeira seção deste capítulo, a operação eficiente de um transformador requer que as indutâncias de enrolamento individuais sejam projetadas para faixas de operação específicas de tensão e corrente, portanto, se um transformador for usado "para trás" como este, ele deve ser empregado dentro dos parâmetros do projeto original de tensão e corrente para cada enrolamento, para que não se mostre ineficiente (ou para que não seja danificado por tensão ou corrente excessiva!).

Etiquetas de construção de transformador

Os transformadores são freqüentemente construídos de forma que não seja óbvio quais fios levam ao enrolamento primário e quais levam ao secundário. Uma convenção usada na indústria de energia elétrica para ajudar a aliviar a confusão é o uso de designações "H" para o enrolamento de alta tensão (o enrolamento primário em uma unidade redutora; o enrolamento secundário em uma unidade redutora) e "X" designações para o enrolamento de baixa tensão.

Portanto, um transformador de energia simples terá fios rotulados “H ₁ ”,“ H ₂ ”,“ X ₁ ”E“ X ₂ ”. Geralmente é significativo para a numeração dos fios (H ₁ versus H ₂ , etc.), que exploraremos um pouco mais adiante neste capítulo.

Significado prático dos transformadores step-up e step-down

O fato de que a tensão e a corrente são “escalonadas” em direções opostas (uma para cima, a outra para baixo) faz sentido quando você lembra que a potência é igual a tensão vezes a corrente e percebe que os transformadores não podem produzir poder, apenas converta-o.

Qualquer dispositivo que pudesse produzir mais energia do que absorve violaria a Lei de Conservação de Energia na física, a saber, que a energia não pode ser criada ou destruída, apenas convertida. Assim como no primeiro exemplo de transformador que vimos, a eficiência de transferência de energia é muito boa do lado primário para o secundário do dispositivo.

O significado prático disso fica mais evidente quando uma alternativa é considerada:antes do advento de transformadores eficientes, a conversão do nível de tensão / corrente só poderia ser alcançada por meio do uso de conjuntos motor / gerador.

Um desenho de um conjunto motor / gerador revela o princípio básico envolvido:(Figura abaixo)



=

Motor gerador ilustra o princípio básico do transformador.

Em tal máquina, um motor é mecanicamente acoplado a um gerador, o gerador projetado para produzir os níveis desejados de tensão e corrente na velocidade de rotação do motor.

Embora motores e geradores sejam dispositivos razoavelmente eficientes, o uso de ambos dessa forma aumenta suas ineficiências de modo que a eficiência geral fica na faixa de 90% ou menos. Além disso, como os conjuntos motor / gerador obviamente requerem peças móveis, o desgaste mecânico e o equilíbrio são fatores que influenciam a vida útil e o desempenho.

Os transformadores, por outro lado, são capazes de converter níveis de tensão e corrente CA em eficiências muito altas sem partes móveis, tornando possível a distribuição e o uso generalizado de energia elétrica que consideramos natural.

Com toda a justiça, deve-se notar que os conjuntos de motores / geradores não foram necessariamente obsoletos por transformadores para todos formulários.

Embora os transformadores sejam claramente superiores aos conjuntos de motores / geradores para conversão de tensão CA e nível de corrente, eles não podem converter uma frequência de energia CA em outra ou (sozinhos) converter CC em CA ou vice-versa.

Os conjuntos motor / gerador podem fazer todas essas coisas com relativa simplicidade, embora com as limitações de eficiência e fatores mecânicos já descritos.

Os conjuntos motor / gerador também têm a propriedade única de armazenamento de energia cinética:ou seja, se a alimentação do motor for momentaneamente interrompida por qualquer motivo, seu momento angular (a inércia daquela massa em rotação) manterá a rotação do gerador por um curto período , isolando assim quaisquer cargas alimentadas pelo gerador de “falhas” no sistema de energia principal.

Análise da operação do transformador elevador e abaixador

Olhando de perto os números na análise SPICE, devemos ver uma correspondência entre a razão do transformador e as duas indutâncias. Observe como o indutor primário (l1) tem 100 vezes mais indutância do que o indutor secundário (10000 H versus 100 H) e que a razão de redução de tensão medida foi de 10 para 1.

O enrolamento com mais indutância terá uma tensão maior e menos corrente que o outro.

Uma vez que os dois indutores são enrolados em torno do mesmo material de núcleo no transformador (para o acoplamento magnético mais eficiente entre os dois), os parâmetros que afetam a indutância para as duas bobinas são iguais, exceto para o número de voltas em cada bobina.

Se dermos outra olhada em nossa fórmula de indutância, vemos que a indutância é proporcional ao quadrado do número de voltas da bobina:







Portanto, deve ser aparente que nossos dois indutores no último circuito de exemplo do transformador SPICE - com taxas de indutância de 100:1 - devem ter taxas de espiras da bobina de 10:1, porque 10 ao quadrado é igual a 100.

Isso funciona como a mesma razão que encontramos entre as tensões e correntes primárias e secundárias (10:1), então podemos dizer como regra que a razão de transformação da tensão e corrente é igual à razão das voltas do enrolamento entre o primário e o secundário.

Transformador abaixador:(muitas voltas:poucas voltas).

O efeito de aumento / redução das relações de espiras da bobina em um transformador é análogo às relações de dentes de engrenagem em sistemas de engrenagens mecânicas, transformando valores de velocidade e torque da mesma maneira:

Torque reduzindo o torque das etapas do trem de engrenagens, enquanto aumenta a velocidade.

Transformadores elevadores e redutores para fins de distribuição de energia podem ser gigantescos em proporção aos transformadores de força mostrados anteriormente, algumas unidades tão altas quanto uma casa. A seguinte fotografia mostra um transformador de subestação com cerca de 3,6 metros de altura:

Transformador de subestação.

REVER:

• Os transformadores aumentam ou diminuem a tensão de acordo com as relações entre as espiras do fio primário e secundário.

• Um transformador projetado para aumentar a tensão do primário para o secundário é chamado de step-up transformador. Um transformador projetado para reduzir a tensão do primário para o secundário é chamado de redutor transformador.
• A razão de transformação de um transformador será igual à raiz quadrada de sua razão de indutância primária para secundária (L).

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de transformadores de aumento, redução e isolamento