Como funcionam os transformadores

De acordo com a definição dada em Wikipedia um transformador elétrico é um equipamento estacionário que troca energia elétrica através de duas bobinas estreitamente enroladas, por meio de indução magnética.

Uma corrente em constante alteração em um enrolamento do transformador gera um fluxo magnético variável, que, conseqüentemente, induz uma força eletromotriz variável sobre uma segunda bobina construída sobre o mesmo núcleo.

Princípio Básico de Trabalho

Os transformadores funcionam basicamente pela transferência de energia elétrica entre um par de bobinas por indução mútua, sem depender de qualquer forma de contato direto entre as duas bobinas.

Este processo de transferência de eletricidade por indução foi provado pela primeira vez pela lei da indução de Faraday, no ano de 1831. De acordo com esta lei, a tensão induzida em duas bobinas é criada devido a um fluxo magnético variável em torno da bobina.

A função fundamental de um transformador é aumentar ou diminuir uma tensão / corrente alternada, em diferentes proporções de acordo com os requisitos da aplicação. As proporções são decididas pelo número de voltas e proporção de voltas do enrolamento.

Analisando um Transformador Ideal

Podemos imaginar um transformador ideal como um projeto hipotético que pode ser virtualmente sem qualquer forma de perdas. Além disso, este projeto ideal pode ter seus enrolamentos primário e secundário perfeitamente acoplados um ao outro.

O que significa que a ligação magnética entre os dois enrolamentos é através de um núcleo cuja permeabilidade magnética é infinita e com indutâncias de enrolamento em uma força magnetomotriz global zero.

Sabemos que, em um transformador, a corrente alternada aplicada no enrolamento primário tenta forçar um fluxo magnético variável dentro do núcleo do transformador, que também inclui o enrolamento secundário circundado em torno dele.

Devido a este fluxo variável, uma força eletromotriz (EMF) é induzida no enrolamento secundário por meio de indução eletromagnética. Isso resulta na geração de fluxo no enrolamento secundário com uma magnitude que é oposta, mas igual ao fluxo do enrolamento primário, de acordo com Lei de Lenz'z .

Como o núcleo carrega uma permeabilidade magnética infinita, todo o fluxo magnético (100%) é capaz de ser transferido através dos dois enrolamentos.

Isso implica que, quando o primário está sujeito a uma fonte CA e uma carga é conectada aos terminais do enrolamento secundário, a corrente flui através do respectivo enrolamento nas direções indicadas no diagrama a seguir. Nesta condição, a força magnetomotriz do núcleo é neutralizada a zero.

Cortesia de imagem: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

Neste projeto de transformador ideal, uma vez que a transferência de fluxo através do enrolamento primário e secundário é de 100%, de acordo com a lei de Faraday a tensão induzida em cada um dos enrolamentos será perfeitamente proporcional ao número de voltas do enrolamento, conforme mostrado a seguir figura:

Teste de vídeo verificando a relação linear entre a relação de rotação primária / secundária.

VOLTAGENS E TAXAS DE TENSÃO

Vamos tentar entender os cálculos da relação de virada em detalhes:

A magnitude líquida da tensão induzida do enrolamento primário para o secundário é simplesmente determinada pela razão do número de voltas enroladas nas seções primária e secundária.

No entanto, esta regra só se aplica se o transformador estiver próximo de um transformador ideal.

Um transformador ideal é aquele que apresenta perdas desprezíveis na forma de efeito pelicular ou corrente parasita.

Vamos pegar o exemplo da figura 1 abaixo (para um transformador ideal).

Suponha que o enrolamento primário consista em cerca de 10 voltas, enquanto o secundário com apenas uma única volta. Devido à indução eletromagnética, as linhas de fluxo geradas através do enrolamento primário em resposta à entrada CA, alternadamente se expandem e colapsam, cortando as 10 voltas do enrolamento primário. Isso resulta em uma quantidade precisamente proporcional de voltagem induzida através do enrolamento secundário, dependendo da relação de espiras.

O enrolamento fornecido com a entrada CA torna-se o enrolamento primário, enquanto o enrolamento complementar que produz a saída por indução magnética do primário torna-se o enrolamento secundário.

Figura 1)

Como o secundário tem apenas uma única volta, ele experimenta um fluxo magnético proporcional em sua única volta em relação às 10 voltas do primário.

Portanto, uma vez que a tensão aplicada através do primário é de 12 V, então cada um dos seus enrolamentos seria submetido a um contador EMF de 12/10 = 1,2 V, e esta é exatamente a magnitude da tensão que estaria influenciando a única volta presente na a seção secundária. Isso ocorre porque ele tem um único enrolamento que é capaz de extrair apenas a mesma quantidade equivalente de indução que pode estar disponível em uma única volta do primário.

Assim, o secundário com uma única volta seria capaz de extrair 1,2 V do primário.

A explicação acima indica que o número de voltas em um primário do transformador corresponde linearmente com a tensão de alimentação através dele e a tensão simplesmente é dividida pelo número de voltas.

Assim, no caso acima, uma vez que a tensão é 12 V e o número de voltas é 10, o contador de rede EMF induzido em cada uma das voltas seria 12/10 = 1,2 V

Exemplo # 2

Agora vamos visualizar a figura 2 abaixo, ela mostra um tipo de configuração semelhante à figura 1. espere o secundário que agora tem 1 turno adicional, ou seja, 2 números de turnos.

Não é preciso dizer que agora o secundário estaria passando pelo dobro de linhas de fluxo em comparação com a condição da figura 1, que tinha apenas uma única volta.

Portanto, aqui o enrolamento secundário seria lido em torno de 12/10 x 2 = 2,4 V porque as duas voltas seriam influenciadas por uma magnitude de contra EMF que pode ser equivalente entre os dois enrolamentos no lado primário do trafo.

Portanto, da discussão acima, em geral, podemos concluir que em um transformador a relação entre a tensão e o número de espiras no primário e no secundário são bastante lineares e proporcionais.

Números de curva do transformador

Assim, a fórmula derivada para calcular o número de voltas para qualquer transformador pode ser expressa como:

Es / Ep = Ns / Np

Onde,

• Es = Tensão Secundária ,
• Ep = tensão primária,
• Ns = Número de voltas secundárias,
• Np = Número de voltas primárias.

Razão de rotação primária secundária

Seria interessante notar que a fórmula acima indica uma relação direta entre a razão entre a tensão secundária e primária e o número de espiras do secundário para o primário, que são indicadas como proporcionais e iguais.

Portanto, a equação acima também pode ser expressa como:

Ep x Ns = Es x Np

Mais adiante, podemos derivar a fórmula acima para resolver o Es e Ep conforme mostrado abaixo:

Es = (Ep x Ns) / Np

similarmente,

Ep = (Es x Np) / Ns

A equação acima mostra que se quaisquer 3 magnitudes estiverem disponíveis, a quarta magnitude pode ser facilmente determinada resolvendo a fórmula.

Resolução de problemas práticos de enrolamento de transformadores

Caso no ponto # 1: Um transformador possui 200 número de espiras na seção primária, 50 número de espiras no secundário e 120 volts conectados ao primário (Ep). Qual poderia ser a tensão no secundário (Es)?

Dado:

• Np = 200 voltas
• Ns = 50 voltas
• Ep = 120 volts
• É =? volts

Responda:

Es = EpNs / Np

Substituindo:

Es = (120 V x 50 voltas) / 200 voltas

Es = 30 volts

Caso no ponto # 2 : Suponha que temos 400 voltas de fio em uma bobina de núcleo de ferro.

Assumindo que a bobina deve ser empregada como o enrolamento primário de um transformador, calcule o número de voltas que precisa ser enrolado na bobina para adquirir o enrolamento secundário do transformador para garantir uma tensão secundária de um volt com uma situação em que o primário a voltagem é de 5 volts?

Dado:

• Np = 400 voltas
• Ep = 5 volts
• Es = 1 volts
• Ns =? voltas

Responda:

EpNs = EsNp

Transpondo para Ns:

Ns = EsNp / Ep

Substituindo:

Ns = (1V x 400 voltas) / 5 volts

Ns = 80 voltas

Tenha em mente: A relação da tensão (5: 1) é equivalente à relação do enrolamento (400: 80). Ocasionalmente, como um substituto para valores específicos, você recebe uma relação de volta ou tensão atribuída a você.

Em casos como esse, você poderia simplesmente assumir qualquer número arbitrário para uma das tensões (ou enrolamento) e calcular o outro valor alternativo a partir da relação.

Como ilustração, suponha que uma relação de enrolamento seja atribuída como 6: 1, você poderia imaginar uma quantidade de voltas para a seção primária e descobrir o número secundário de voltas equivalente, usando proporções semelhantes como 60:10, 36: 6, 30: 5, etc.

O transformador em todos os exemplos acima realiza um menor número de voltas na seção secundária em comparação com a seção primária. Por esse motivo, você pode encontrar uma quantidade menor de voltagem no secundário do trafo ao invés do lado primário.

O que são transformadores Step-up e Step-Down

Um transformador com a classificação de tensão do lado secundário inferior à classificação de tensão do lado primário é referido como um Transformador STEP-DOWN .

Ou, alternativamente, se a entrada CA for aplicada ao enrolamento que possui um número maior de voltas, o transformador atua como um transformador redutor.

A proporção de um transformador abaixador quatro para um é inscrita como 4: 1. Um transformador que inclui menor número de voltas no lado primário em comparação com o lado secundário irá gerar uma tensão mais alta no lado secundário em comparação com a tensão conectada no lado primário.

Um transformador que tem um lado secundário classificado acima da tensão no lado primário é denominado transformador STEP-UP. Ou, alternativamente, se a entrada CA for aplicada a um enrolamento com menor número de voltas, o transformador atua como um transformador elevador.

A proporção de um transformador elevador de um para quatro precisa ser inscrita como 1: 4. Como você pode ver nas duas proporções, a magnitude do enrolamento lateral primário é consistentemente mencionada no início.

Podemos usar um transformador redutor como um transformador redutor e vice-versa?

Sim definitivamente! Todos os transformadores funcionam com o mesmo princípio fundamental descrito acima. Usar um transformador elevador como um transformador redutor significa simplesmente trocar as tensões de entrada em seu enrolamento primário / secundário.

Por exemplo, se você tiver um transformador elevador de fonte de alimentação comum que fornece uma saída de 12-0-12V de uma entrada CA de 220 V, você pode usar o mesmo transformador como um transformador elevador para produzir saída de 220 V de um 12 V CA entrada.

Um exemplo clássico é um circuito inversor , onde os transformadores não têm nada de especial neles. Todos eles funcionam usando os transformadores abaixadores comuns conectados de maneira oposta.

Impacto de carga

Sempre que uma carga ou um dispositivo elétrico é conectado ao enrolamento secundário de um transformador, a corrente ou amperes passam pelo lado secundário do enrolamento junto com a carga.

O fluxo magnético gerado pela corrente no enrolamento secundário interage com as linhas magnéticas de fluxo geradas pelos amperes no lado primário. Este conflito entre as duas linhas de fluxos é gerado como resultado da indutância compartilhada entre o enrolamento primário e secundário.

Fluxo Mútuo

O fluxo absoluto no material do núcleo do transformador é predominante para os enrolamentos primário e secundário. Além disso, é uma forma pela qual a energia elétrica pode migrar do enrolamento primário para o secundário.

Devido ao fato desse fluxo unir os dois enrolamentos, o fenômeno geralmente é conhecido como FLUXO MUTUAL. Além disso, a indutância que gera esse fluxo é predominante em ambos os enrolamentos e é denominada indutância mútua.

A Figura (2) abaixo mostra o fluxo criado pelas correntes no enrolamento primário e secundário de um transformador cada vez que a corrente de alimentação é ligada no enrolamento primário.

Figura 2)

Sempre que a resistência de carga é conectada ao enrolamento secundário, a tensão estimulada no enrolamento secundário aciona a corrente para circular no enrolamento secundário.

Esta corrente produz anéis de fluxo ao redor do enrolamento secundário (indicados como linhas pontilhadas) que podem ser uma alternativa ao campo de fluxo ao redor do primário (lei de Lenz).

Consequentemente, o fluxo em torno do enrolamento secundário cancela a maior parte do fluxo em torno do enrolamento primário.

Com uma quantidade menor de fluxo circundando o enrolamento primário, a fem reversa é cortada e mais amp é sugado da fonte. A corrente suplementar no enrolamento primário libera linhas de fluxo adicionais, praticamente restabelecendo a quantidade inicial de linhas de fluxo absolutas.

VOLTAS E TAXAS DE CORRENTE

A quantidade de linhas de fluxo produzidas em um núcleo de trafo é proporcional à força de magnetização

(EM AMPERE-TURNS) dos enrolamentos primário e secundário.

O ampere de volta (I x N) é indicativo de força motriz magnética e pode ser entendido como a força magnetomotriz produzida por um ampere de corrente passando em uma bobina de 1 volta.

O fluxo disponível no núcleo de um transformador envolve os enrolamentos primário e secundário.

Dado que o fluxo é idêntico para cada enrolamento, os amperes em cada enrolamento primário e secundário devem ser sempre os mesmos.

Por essa razão:

IpNp = IsNs

Onde:

IpNp = ampere / voltas no enrolamento primário
IsNs - ampere / voltas no enrolamento secundário

Ao dividir os dois lados da expressão por
Ip , Nós temos:
Np / Ns = Is / Ip

Desde a: Es / Ep = Ns / Np

Então: Ep / Es = Np / Ns

Além disso: Ep / Es = Is / Ip

Onde

• Ep = tensão aplicada no primário em volts
• Es = tensão no secundário em volts
• Ip = corrente no primário em Amp
• Is = corrente no secundário em Amps

Observe que as equações indicam que a relação do ampere é o inverso do enrolamento ou da relação de espiras, bem como a relação da tensão.

Isso implica que um transformador com menos espiras no lado secundário em comparação com o primário pode diminuir a tensão, mas aumentaria a corrente. Por exemplo:

Suponha que um transformador tenha uma relação de tensão de 6: 1.

Tente encontrar a corrente ou amperes no lado secundário se a corrente ou amperes no lado primário for 200 miliamperes.

Suponha

Ep = 6V (como exemplo)
Is = 1V
Ip = 200mA ou 0,2Amps
É =?

Responda:

Ep / Es = Is / Ip

Transpondo para Is:

Is = EpIp / Es

Substituindo:

Is = (6 V x 0,2 A) / 1 V
Is = 1.2A

O cenário acima aborda que, apesar do fato de que a tensão no enrolamento secundário é um sexto da tensão no enrolamento primário, os amperes no enrolamento secundário são 6 vezes os amperes no enrolamento primário.

As equações acima podem muito bem ser vistas de uma perspectiva alternativa.

A relação de enrolamento significa a soma pela qual o transformador aumenta, aumenta ou reduz a tensão conectada ao lado primário.

Apenas para ilustrar, suponha que se o enrolamento secundário de um transformador tiver o dobro de voltas do enrolamento primário, a tensão estimulada no lado secundário provavelmente será duas vezes a tensão no enrolamento primário.

No caso de o enrolamento secundário transportar metade do número de voltas do lado primário, a tensão no lado secundário será metade da tensão no enrolamento primário.

Dito isto, a relação de enrolamento junto com a relação de amp de um transformador compreende uma associação inversa.

Como resultado, um transformador elevador 1: 2 pode ter metade do amplificador no lado secundário em comparação com o lado primário. Um transformador abaixador 2: 1 pode ter duas vezes o ampere no enrolamento secundário em relação ao lado primário.

Ilustração: Um transformador com relação de enrolamento de 1:12 possui 3 amperes de corrente no lado secundário. Descubra a magnitude dos amperes no enrolamento primário?

Dado:

Np = 1 volta (por exemplo)
Ns = 12 voltas
Is = 3Amp
Lp =?

Responda:

Np / Ns = Is / Ip

Substituindo:

Ip = (12 voltas x 3 Amp) / 1 volta

Ip = 36A

Calculando a indutância mútua

A indução mútua é um processo no qual um enrolamento passa por uma indução EMF devido à taxa de variação da corrente do enrolamento adjacente, levando a um acoplamento indutivo entre o enrolamento.

Em outras palavras Indutância mútua é a razão da fem induzida em um enrolamento para a taxa de mudança de corrente no outro enrolamento, conforme expresso na seguinte fórmula:

M = fem / di (t) / dt

Faseamento em transformadores:

Normalmente, quando examinamos transformadores, a maioria de nós acredita que a tensão e as correntes do enrolamento primário e secundário estão em fase uma com a outra. No entanto, isso pode nem sempre ser verdade. Em transformadores, a relação entre a tensão e o ângulo de fase da corrente entre o primário e o secundário depende de como esses enrolamentos são girados em torno do núcleo. Depende se ambos estão no sentido anti-horário, ou no sentido horário ou podem ser um enrolamento girado no sentido horário enquanto o outro enrolamento no sentido anti-horário.

Vamos nos referir aos seguintes diagramas para entender como a orientação do enrolamento afeta o ângulo de fase:

No exemplo acima, as direções do enrolamento parecem idênticas, ou seja, tanto o enrolamento primário quanto o secundário são girados no sentido horário. Devido a esta orientação idêntica, o ângulo de fase da corrente e tensão de saída é idêntico ao ângulo de fase da corrente e tensão de entrada.

No segundo exemplo acima, a direção do enrolamento do transformador pode ser vista enrolada com orientação oposta. Como pode ser visto, o primário parece estar no sentido horário enquanto o secundário é enrolado no sentido anti-horário. Devido a esta orientação oposta do enrolamento, o ângulo de fase entre os dois enrolamentos é de 180 graus, e a saída secundária induzida mostra uma corrente fora de fase e resposta de tensão.

Notação de pontos e convenção de pontos

Para evitar confusões, a notação Dot ou convenção Dot é empregada para representar a orientação do enrolamento de um transformador. Isso permite que o usuário entenda as especificações do ângulo de fase de entrada e saída, se o enrolamento primário e secundário estão em fase ou fora de fase.

A convenção de pontos é implementada por marcas de pontos no ponto inicial do enrolamento, indicando se o enrolamento está em fase ou desfasado um com o outro.

O esquema do transformador a seguir carrega uma denotação de convenção de pontos e significa que o primário e o secundário do transformador estão em fase um com o outro.

A notação de pontos usada na ilustração abaixo mostra os DOTs colocados nos pontos opostos do enrolamento primário e secundário. Isso indica que a orientação do enrolamento dos dois lados não é a mesma e, portanto, o ângulo de fase através dos dois enrolamentos estará 180 graus fora de fase quando uma entrada CA for aplicada em um dos enrolamentos.

Perdas em um transformador real

Os cálculos e fórmulas considerados nos parágrafos anteriores foram baseados em um transformador ideal. Porém, no mundo real, e para um transformador real, o cenário pode ser muito diferente.

Você descobrirá que, em um projeto ideal, os seguintes fatores lineares fundamentais de transformadores reais serão ignorados:

(a) Muitos tipos de perdas de núcleo, juntos conhecidos como perdas de corrente de magnetização, que podem incluir os seguintes tipos de perdas:

• Perdas por histerese: são causadas por influências não lineares do fluxo magnético no núcleo do transformador.
• Perdas por correntes parasitas: Esta perda é gerada devido ao fenômeno denominado aquecimento joule no núcleo do transformador. É proporcional ao quadrado da tensão aplicada ao primário do transformador.

(b) Em contraste com o transformador ideal, a resistência do enrolamento em um transformador real nunca pode ter uma resistência zero. Isso significa que o enrolamento eventualmente terá alguma resistência e indutâncias associadas a eles.

• Perdas Joule: Conforme explicado acima, a resistência gerada nos terminais do enrolamento dá origem a perdas Joule.
• Fluxo de vazamento: sabemos que os transformadores dependem muito da indução magnética em seu enrolamento. No entanto, como os enrolamentos são construídos em um único núcleo comum, o fluxo magnético mostra uma tendência de vazar pelo enrolamento através do núcleo. Isso dá origem a uma impedância chamada impedância reativa primária / secundária, que contribui para as perdas do transformador.

(c) Como um transformador também é uma espécie de indutor, ele também é afetado por fenômenos como a capacitância parasita e a auto-ressonância, devido à distribuição do campo elétrico. Essas capacitâncias parasitas geralmente podem estar em 3 formas diferentes, conforme indicado abaixo:

• Capacitância gerada entre as voltas uma sobre a outra dentro de uma única camada
• Capacitância gerada em duas ou mais camadas adjacentes
• Capacitância criada entre o núcleo do transformador e a (s) camada (s) de enrolamento adjacente ao núcleo

Conclusão

A partir da discussão acima, podemos entender que, em aplicações práticas, o cálculo de um transformador, especialmente um transformador de núcleo de ferro, pode não ser tão simples quanto um transformador ideal seria.

Para obter os resultados mais precisos para os dados do enrolamento, podemos ter que considerar muitos fatores, como: densidade de fluxo, área do núcleo, tamanho do núcleo, largura da lingueta, área da janela, tipo de material do núcleo, etc.

Você pode aprender mais sobre todos esses cálculos sob esta postagem: