Por Que Transformadores Falham em Corrente Contínua: Os Riscos Explicados

O Que Acontece Quando o Primário de um Transformador é Conectado à Fonte DC?

Um transformador é um dispositivo que eleva ou reduz o nível de corrente ou tensão AC sem alterar a frequência primária (ou seja, da fonte de entrada).

Transformadores funcionam apenas com AC e não podem operar em DC — foram projetados exclusivamente para corrente e tensão alternadas. Para entender o que acontece se conectarmos uma fonte DC ao primário de um transformador, veja os exemplos a seguir, onde conectamos primeiro em AC e depois em DC.

Transformador Conectado à Fonte AC

Suponha que conectamos um transformador à fonte AC com os seguintes dados:

• Tensão Primária = V₁ = 230V
• Resistência = R₁ = 10 Ω
• Indutância = L = 0,4 H
• Frequência da Fonte = 50Hz

Vamos ver quanta corrente fluirá pelo primário do transformador no caso de AC.

Sabemos que a resistência em AC = Impedância

Impedância = Z = V / I em Ω

Onde Z = √ (R² + X_L)² no caso de circuito indutivo.

X_L = 2πfL

X_L = 2 x 3,1415 x 50Hz x 0,4H

X_L = 125,67Ω

Agora para a impedância

Z = √ (R² + X_L)²

Substituindo os valores

Z = √ (10² Ω + 125,67² Ω)

Z = 126,1 Ω

Agora a corrente no primário

I = V / Z

I = 230V / 126,1Ω = 1,82A

A corrente primária no caso de AC = 1,82A

Transformador Conectado à Fonte DC

Agora conecte o mesmo transformador à tensão DC e veja o que acontece.

Sabemos que não há frequência em DC, ou seja, f = 0. Portanto, a reatância indutiva X_L seria zero se colocarmos f = 0 na fórmula X_L = 2πfL.

Assim, a corrente no primário do transformador no caso de fonte DC:

I = V / R

I = 230V / 10Ω

I = 23A.

A corrente primária no caso de DC = 23A

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O cálculo acima mostra que uma corrente excessiva fluirá no primário do transformador no caso de fonte DC, o que queimará as bobinas primárias. Esta não é a única razão, pois a corrente será DC. Vamos ver o que acontece no caso de corrente de estado estacionário no transformador.

Se o primário de um transformador for conectado à fonte DC, o primário consumirá uma corrente constante e, portanto, produzirá um fluxo constante. Consequentemente, nenhuma FEM contra-eletromotriz será produzida. O enrolamento primário consumirá corrente excessiva devido à baixa resistência do primário, porque sabemos que a reatância indutiva (X_L) é zero devido à fórmula da reatância indutiva (X_L = 2πfL), onde a frequência da fonte DC é zero. O resultado é que o enrolamento primário superaquecerá e queimará, ou o fusível e o disjuntor dispararão. Deve-se ter cuidado para não conectar o primário de um transformador através da fonte DC.

Por Que um Transformador Não Pode Ser Operado em DC em Vez de AC?

Se aplicarmos tensão ou corrente DC ao primário de um transformador, os seguintes são os resultados:

Sabemos que

v = L (di/dt)

Onde:

• v = Tensão instantânea nas bobinas primárias
• L = Indutância do indutor
• di/dt = Taxa instantânea de variação de corrente em A/s

Neste caso, a tensão é constante, ou seja, DC. Agora a corrente (i) aumentará rapidamente até que o núcleo de ferro do transformador sature.

Nesta etapa, a corrente (i) aumentará para um nível perigoso e parará de mudar. Quando não há mudança na corrente (i), a tensão induzida no primário será zero, pois di/dt = 0, o que leva a um curto-circuito do enrolamento do transformador com a fonte DC aplicada.

Quando a corrente excede o nível seguro, ocorre alta perda de potência como P = I²R, o que elevará a temperatura a níveis perigosos e haverá chance de explosão do transformador e o óleo do transformador pode pegar fogo também.

Ou vamos ver pela Segunda Lei de Faraday

e = N dΦ / dt

Onde

• e = FEM induzida
• N = número de espiras
• dΦ = Variação do fluxo
• dt = Variação do tempo

No caso de tensão DC no transformador, haveria fluxo constante (Φ) induzido no primário devido à corrente constante.

Agora a FEM induzida no primário será zero, pois (dΦ/dt = 0), ou seja, e = N dϕ/dt = 0 devido ao fluxo constante induzido pela corrente constante.

Também sabemos que não há frequência na fonte DC e o fluxo é inversamente proporcional à frequência (Φ = V / f), o que satura o núcleo do transformador.

Isso significa que o primário do transformador atuará como um caminho de curto-circuito para a corrente DC adicional, o que pode queimar o transformador inteiro. Essa é a razão exata pela qual não devemos conectar um transformador à fonte DC em vez de AC.

Sob Que Condição a Fonte DC é Aplicada com Segurança ao Primário de um Transformador?

Na maioria dos casos, esta é uma questão do tipo entrevista de engenharia elétrica e eletrônica, então vamos ver como conectar um transformador à fonte DC.

Existem duas condições onde podemos conectar um transformador à DC:

• DC Pulsante como Entrada
• Alta Resistência em Série com o Enrolamento Primário

DC Pulsante no Transformador

Neste método, uma DC pulsante (que contém ondulações e não é uma forma pura de corrente de estado estacionário) é aplicada ao lado primário de um transformador. Neste caso, o ciclo negativo reseta o fluxo e a integral temporal da tensão é zero em um ciclo completo, o que novamente ajuda a resetar o fluxo no enrolamento. Este conceito é usado em Fontes Chaveadas (SMPS).

Resistor de Alto Valor em Série com o Transformador

Como sabemos, um transformador funciona apenas em AC. No caso de fonte DC, o primário de um transformador pode começar a fumegar e queimar. Mas existe uma maneira de operar um transformador em DC (embora o circuito seja inútil, sem saída) adicionando um resistor de alto valor em série com o primário do transformador.

Quando o enrolamento primário de um transformador deve ser conectado a uma fonte DC, uma alta resistência é conectada em série com o primário. Esta resistência em série limita a corrente primária a um valor DC seguro e, assim, evita que o primário queime.

Por favor, não conecte um transformador à fonte DC sem uma alta resistência em série com o primário. Porque não há frequência em DC e a impedância (Z) do indutor é zero. Se você colocar Z = 0 em I = V/Z, a corrente será extremamente alta, ou seja, o indutor atua como um curto-circuito para a tensão e correntes DC.