Um transformador é um dispositivo electromagnético utilizado para converter corrente alternada de uma tensão e frequência em corrente alternada de outra (ou igual) tensão e a mesma frequência.
Conteúdos
Concepção e função de um transformador
No caso mais simples Transformador contém um enrolamento primário com o número de enrolamentos W1 e um secundário com W2. A energia é ligada ao enrolamento primário, a carga é ligada ao enrolamento secundário. A transferência de energia realiza-se através de indução electromagnética. Para melhorar o acoplamento electromagnético, os enrolamentos são normalmente montados sobre um núcleo fechado (núcleo magnético).
Se tensão alternada U1é aplicada ao enrolamento primário, corrente alternada I1que induz um fluxo magnético F com a mesma forma no núcleo. Este fluxo magnético induz um CEM no enrolamento secundário. Se uma carga estiver ligada ao circuito secundário, uma corrente secundária I2.
A tensão no enrolamento secundário é determinada pela relação de voltas W1 e W2:
U2=U1*(W1/W2)=U1/k, onde k relação de transformação.
Se k<1 então U2>U1e tal transformador é chamado transformador progressivo. Se k>1 , então U2
Um transformador pode ter mais de um enrolamento secundário com diferentes rácios de transformador. Por exemplo, um transformador de 220 volts para alimentação de lâmpadas domésticas pode ter um enrolamento secundário, por exemplo 500 volts para alimentar os circuitos anódicos e 6 volts para alimentar os circuitos incandescentes. No primeiro caso k<1, no segundo caso k>1.
Um transformador só funciona com tensões alternadas - o fluxo magnético tem de mudar para que os CEM ocorram no enrolamento secundário.
Tipos de núcleo para transformadores
Na prática, são utilizados núcleos não só da forma indicada. Dependendo da utilização prevista do dispositivo, os núcleos magnéticos podem ser feitos de diferentes maneiras.
Núcleos
Os núcleos dos transformadores de baixa frequência são feitos de aço com propriedades magnéticas pronunciadas. Para reduzir as correntes de Foucault, o núcleo é feito de placas individuais que são isoladas umas das outras electricamente. Para frequências elevadas, são utilizados outros materiais, tais como ferrite.
O núcleo discutido acima chama-se uma matriz de núcleo e consiste em duas varas. Para transformadores monofásicos, são também utilizados núcleos trifásicos. Têm um menor fluxo magnético e uma maior eficiência. Neste caso, tanto os enrolamentos primários como secundários são colocados no núcleo central.
Os transformadores trifásicos são também fabricados em núcleos trifásicos. Os enrolamentos primários e secundários de cada fase estão cada um sobre um núcleo separado. Em alguns casos, são utilizados núcleos de cinco núcleos. Têm a mesma disposição, os núcleos primários e secundários de cada lado do núcleo, sendo os dois núcleos mais exteriores de cada lado utilizados para acoplar os fluxos magnéticos em certas operações.
Núcleos blindados
Os transformadores monofásicos são fabricados com núcleos blindados - ambas as bobinas são colocadas no núcleo central do núcleo magnético. O fluxo magnético neste núcleo é acoplado de forma semelhante a uma unidade de três núcleos, ou seja, através das paredes laterais. O fluxo de dispersão é muito pequeno neste caso.
A vantagem deste desenho é que há algum ganho em tamanho e peso devido à possibilidade de encher a janela do núcleo mais densamente com enrolamentos, pelo que é vantajoso utilizar núcleos blindados para transformadores de baixa potência. A consequência disto é também um circuito magnético mais curto, o que leva a menores perdas sem carga.
As desvantagens são que os enrolamentos são mais difíceis de aceder para inspecção e reparação, e o isolamento é mais difícil de fabricar a tensões mais elevadas.
Toroidal
Com núcleos toroidais, o fluxo magnético está completamente fechado dentro do núcleo e não há praticamente nenhuma fuga de fluxo magnético. Mas estes transformadores são difíceis de enrolar, pelo que raramente são utilizados, por exemplo, em autotransformadores controlados de pequenas capacidades ou em aplicações de alta frequência onde a imunidade a interferências é importante.
Autotransformador
Em alguns casos é aconselhável utilizar transformadores em que os enrolamentos não estejam apenas ligados magneticamente, mas também ligados electricamente. Ou seja, num dispositivo de subida, o enrolamento primário faz parte do enrolamento secundário e num dispositivo de descida, o enrolamento secundário faz parte do enrolamento primário. Tal dispositivo é chamado autotransformador (AT).
Um autotransformador de baixa tensão não é um simples divisor de tensão - o acoplamento magnético também está envolvido na transferência de energia para o circuito secundário.
Os benefícios dos autotransformadores são:
- menores perdas;
- a possibilidade de regulação de voltagem sem degrau;
- dimensões mais pequenas (os autotransformadores são mais baratos, mais fáceis de transportar);
- Menor custo devido à menor necessidade de material.
As desvantagens incluem a necessidade de isolamento de tensão mais elevada tanto dos enrolamentos como a falta de isolamento galvânico entre entrada e saída, o que pode transferir os efeitos da intempérie do circuito primário para o secundário. Ao mesmo tempo, os elementos do circuito secundário não devem ser ligados à terra. Além disso, o aumento das correntes de curto-circuito é considerado como uma desvantagem da TA. Com autotransformadores trifásicos, os enrolamentos são geralmente ligados numa ligação estrela com um neutro aterrado, outros diagramas de ligação são possíveis, mas demasiado complicados e incómodos. Isto é também uma desvantagem que pode restringir a utilização de autotransformadores.
Aplicações de transformador
A propriedade dos transformadores para aumentar ou diminuir a tensão é amplamente utilizada na indústria e nos lares particulares.
Transformação de voltagem
O nível de tensão industrial tem requisitos diferentes em fases diferentes. Por várias razões, não é rentável utilizar geradores de alta tensão na produção de electricidade. É por isso que, por exemplo, os geradores de 6...35 kV são utilizados em centrais hidroeléctricas. Em contraste, o transporte de electricidade requer tensões mais elevadas - de 110 kV a 1.150 kV, dependendo da distância. Esta voltagem é então reduzida novamente para 6...10 kV, distribuída pelas subestações locais de onde é reduzida para 380(220) volts e entregue ao consumidor final. Para aparelhos domésticos e industriais, também deve ser baixado, normalmente para 3...36 volts.
Todas estas etapas são realizadas por meio de ... transformadores de potência. Estes podem ser do tipo seco ou do tipo de óleo. Neste último, o núcleo e os enrolamentos estão contidos num tanque de óleo, que actua como meio isolante e refrigerante.
Isolamento galvânico
O isolamento galvânico aumenta a segurança dos aparelhos eléctricos. Se a unidade não for alimentada directamente da rede de 220 volts, onde um dos condutores está ligado à terra, mas através de um transformador de 220/220 volts, a tensão de alimentação permanece a mesma. Mas se as peças condutoras de corrente de terra e secundária tocarem ao mesmo tempo, não haverá circuito para a corrente fluir e o risco de electrocussão será muito menor.
Medição de voltagem
Em todas as instalações eléctricas, o nível de tensão deve ser monitorizado. Se for utilizada uma classe de tensão até 1000 volts, os voltímetros são montados directamente em peças sob tensão. Em instalações acima de 1000 volts isto não é possível - os dispositivos serão demasiado pesados e podem não ser seguros no caso de uma falha de isolamento. Portanto, nestes sistemas, os voltímetros são ligados a condutores de alta tensão através de transformadores com uma relação de transformação adequada. Por exemplo, para redes de 10 kV, são utilizados transformadores 1:100 e a tensão de saída é uma tensão padrão de 100 volts. Se a tensão primária mudar de amplitude, também muda na secundária ao mesmo tempo. A escala de um voltímetro é normalmente graduada na gama de voltagem primária.
Os transformadores são bastante complexos e dispendiosos de fabricar e manter. Contudo, em muitas aplicações, estes dispositivos são indispensáveis e não há alternativa.
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