Entendendo Transformadores: Princípios Fundamentais e Aplicações Práticas

O princípio do transformador é um dos componentes elétricos mais importantes em um sistema de energia CA. Atualmente, muitos circuitos utilizam transformadores, que são essenciais e constituem a espinha dorsal de como alimentamos tudo.

1. O que é um transformador?

Um transformador é um dispositivo elétrico usado para transmitir energia elétrica de um circuito elétrico para outro. Além disso, mantém o fator de potência na unidade e garante que os níveis de tensão permaneçam inalterados em ambos os circuitos.

2. Tipos de Transformadores

As classificações dos tipos de transformadores são as seguintes:

Baseado na construção

1. Transformador de núcleo — Os componentes do núcleo podem consistir em chapas laminadas de aço, chapas de aço-silício ou ligas de ferro como aço-silício. Também possui bobinas cilíndricas de fio como seus enrolamentos, com os enrolamentos de baixa tensão colocados mais próximos do núcleo.
2. Transformador de carcaça — É aquele em que todo o núcleo, bobina e isolamento ficam alojados dentro de uma carcaça de alumínio ou aço. Geralmente assume forma retangular.

Baseado no tipo de alimentação

1. Transformador monofásico — Este tipo é um dispositivo de enrolamento único com uma bobina conectada ao lado primário e outra ao lado secundário do transformador.
2. Transformador trifásico — Consiste em três bobinas conectadas a cada lado do núcleo. Além disso, cada conexão de bobina é feita de forma que produzam campos magnéticos mutuamente perpendiculares.
3. Autotransformador — Este tipo utiliza dois enrolamentos em cada lado para transformação de tensão tanto step-up quanto step-down.

Baseado no tipo de refrigeração

1. Transformadores a óleo — Dissipam o calor gerado pela corrente elétrica através do meio do óleo.
2. Transformador de núcleo de ar — Aquele em que dissipa o calor gerado pela corrente elétrica através do ar.

Baseado no uso

1. Transformador de corrente — Usado para medir correntes muito altas em transmissão de energia elétrica.
2. Transformador de potencial — Mede tensões CA muito altas.

Baseado na finalidade

1. Transformador step-up — Fornece a função de alterar o nível de tensão de baixo para alto.
2. Transformador step-down — Fornece a função de alterar o nível de tensão de alto para baixo.

3. Aplicações dos Transformadores

As aplicações de transformadores incluem:

• Uso industrial e laboratorial e regulação de tensão em sistemas de energia para aumentar ou diminuir a tensão de alimentação.
• Geração e distribuição de energia elétrica, mineração, indústrias de petróleo e gás.
• Elevar ou reduzir tensões CA de linhas de alimentação de energia elétrica.
• Tecnologia de rádio para elevar ou reduzir sinais de alta frequência para transmissão a distâncias maiores sem perda de intensidade do sinal. Comum em transformadores de áudio e transformadores comerciais.
• Circuitos de eletrônica de potência onde podem funcionar como reguladores automáticos de tensão.

4. Estruturas Básicas de um Transformador

As estruturas de um transformador básico incluem:

• Núcleo laminado — Composto por peças de ferro laminadas dispostas de forma a fornecer um caminho mínimo para o fluxo magnético. Também atua como um circuito magnético fechado.
• Enrolamento primário — Colocado ao redor do núcleo em qualquer direção e isolado do núcleo. As bobinas são fios de cobre.
• Enrolamento secundário — Colocado ao redor do primário e isolado dele, ambos na mesma direção ou com polaridade inversa à do primário.

Construção Básica do Transformador

Um transformador consiste em duas ou mais bobinas (enrolamentos) enroladas em torno de um núcleo de aço laminado. Os enrolamentos de entrada (enrolamento primário) conectam-se a um terminal da fonte de energia. Os enrolamentos de saída (enrolamento secundário) conectam-se através do circuito de carga.

Os seguintes são os passos básicos na construção de um transformador:

• Primeiro, fabricação dos enrolamentos primário e secundário — Usa-se fita isolante ou revestimento de esmalte para separar os enrolamentos dessas bobinas entre si.
• Em seguida, montagem dessas bobinas em um núcleo comum de ferro macio consistindo de chapas de aço-silício altamente laminadas enroladas com fita isolante para reduzir perdas por correntes parasitas. A junção dessas laminações do núcleo do transformador é em forma de tiras. Importante: as chapas devem ter alto teor de silício para reduzir perdas por histerese. Além disso, a bobina primária conecta-se a uma extremidade do núcleo enquanto a outra conecta-se à bobina secundária. Também são necessários buchas adequadas ao isolar e trazer terminais para fora do tanque do transformador.
• Blindagem das bobinas — Usada para proteger o enrolamento primário de efeitos eletromagnéticos causados por tensões induzidas em transformadores que podem causar falha catastrófica do transformador. Da mesma forma, isso é feito enrolando fitas isolantes adicionais em ambos os lados dessas bobinas.

5. Princípio de Funcionamento de um Transformador

O princípio básico envolvido no funcionamento dos transformadores é a lei de Faraday da indução eletromagnética: N*dΦ/dt (Lei de Faraday), onde N é o número de espiras da bobina.

A lei afirma que um fluxo elétrico é induzido em um circuito fechado quando o fluxo magnético ligado a ele muda. Este fenômeno resulta da indutância mútua das correntes presentes através desses dois circuitos. Aqui está a explicação:

Quando uma corrente elétrica flui através do enrolamento primário, cria um campo magnético ao redor deste enrolamento. Portanto, produz um fluxo magnético ao redor da bobina primária também. Então, o núcleo do transformador fornece um caminho para este fluxo conectar os enrolamentos. No entanto, nem todo o fluxo se liga ao enrolamento secundário e, portanto, chamado de fluxo de dispersão. Posteriormente, ocorre uma indução de tensão na bobina secundária. Isso ocorre devido à indução mútua entre bobinas enroladas em um núcleo de ferro comum através do acoplamento no núcleo magnético.

Este processo cria fem induzida, pois tenta opor-se ao fluxo de corrente através dela e vice-versa. A tensão induzida na bobina secundária atua como carga para o enrolamento primário.

Nota: Um transformador é um dispositivo estático; portanto, a mudança nos níveis de tensão ocorre devido à indução magnética, não pelo movimento de seus materiais sólidos.

Relação de espiras em transformadores

A razão entre o número de espiras no enrolamento primário e o da bobina secundária. Este número indica quantas vezes o nível de tensão reduz no circuito primário após ser reduzido através do transformador.

Sua representação é X/Y. 'X' denota o número de espiras na bobina primária (Np) e 'Y' denota o número de espiras na bobina secundária (Ns). Assumindo que seja um transformador ideal.

Fórmula: Np/Ns = n = Relação de espiras

Por exemplo, se houver 100 espiras na bobina primária e 50 na secundária, esta razão é expressa como 100/50.

Isso significa que um transformador com razão step-up terá menos espiras no lado secundário que no primário. No entanto, o oposto é verdadeiro para um transformador com razão step-down.

Razão do transformador

A razão entre a tensão secundária e a tensão primária é a razão do transformador. A expressão da razão de transformação de tensão é em volts/volts ou amperes/amperes, e isso depende do tipo de resistor de carga conectado à bobina secundária.

Fórmula de cálculo:

Razão do transformador = (V/V ou V/A resistor de carga secundário) / (V primário ou A primário)

Por exemplo: A tensão num enrolamento secundário é 100 volts, e a corrente que flui através dele é 20 amperes. Então, a razão do transformador desse circuito particular será 100/20.

Nota: O nível máximo de corrente ou tensão num enrolamento secundário de um transformador refere-se à corrente ou tensão nominal. Esta classificação do circuito secundário decide sua capacidade máxima de trabalho. E determina se é adequado para aplicações de alta tensão ou baixa corrente.

Eficiência do transformador

Esta é a razão entre o trabalho realizado pelo transformador na potência de entrada e a gerada no enrolamento secundário.

Sua expressão é em termos percentuais.

A fórmula é:

Eficiência = (Potência de saída / Potência de entrada) x 100

Por exemplo, considere a potência de entrada de um transformador 100 watts e o enrolamento secundário gera 80 watts. Então, a eficiência do transformador desse circuito particular será 80%.

Isso significa que há uma perda de 20% de energia quando a potência flui do lado primário-secundário do transformador.

Nota: ambos os níveis de potência de entrada e saída do transformador devem ser os mesmos para que esta razão permaneça válida. Ou seja, ambas as correntes primária e secundária devem ter o mesmo valor.

Se a corrente de entrada for maior que a de saída, a eficiência do transformador será menor que 100% e vice-versa.

Equação da força eletromotriz de um transformador

Força eletromotriz (fem) é simplesmente a razão entre a tensão de entrada e a tensão de saída em um transformador.

Sua expressão é em termos de volts/volt ou amperes/ampere.

Por exemplo, considere a tensão de entrada do transformador como 100 volts e a tensão de saída 95 volts. Então, a fem de retorno desse circuito particular será 95/100 ou 0,95 vezes a tensão de entrada.

Isso significa que há uma perda de 0,05 volt em energia quando a potência flui do primário para o secundário do transformador.

A fórmula para encontrar a fem num enrolamento secundário de um transformador é:

E = N * delta / Turns^n

Onde:

• E: força eletromotriz em volts.
• N: número de espiras no enrolamento primário.
• Delta/Turns^n: razão de espiras do primário e secundário.

Você pode escrever a equação acima como E = N * Turns^(n-x)

Onde 'n' denota o número de espiras na bobina secundária, e 'x' é igual a (N-n).

Esta equação mostra que a fem num enrolamento secundário é diretamente proporcional às espiras do primário e inversamente proporcional a (N-n).

Potência elétrica num transformador

Calcular a potência elétrica num transformador é fácil, usando a Fórmula: Potência = Tensão x Corrente.

Onde 'Potência' denota a potência de entrada e 'Tensão' e 'Corrente' denotam tensão e corrente de entrada.

Por exemplo: Considere a potência nominal do transformador como 100 watts e a tensão no seu enrolamento primário 400 volts. Então, a corrente que flui através dele será 0,25 amperes, pois potência = tensão x corrente.

Como você pode ver aqui, a corrente consumida por um transformador é muito pequena comparada à sua potência nominal.

6. Resumo

Fornecemos informações sobre o que os transformadores fazem e como funcionam neste post. Se você tem interesse em aprender mais sobre seu projeto relacionado a transformadores, entre em contato conosco! Nossa equipe está sempre feliz em responder suas perguntas.