Transformadores de corrente: concepção, princípio de funcionamento e tipos

Os transformadores de corrente são amplamente utilizados na moderna engenharia de energia como equipamento para alterar vários parâmetros eléctricos, mantendo os seus valores básicos. O funcionamento do equipamento é baseado na lei da indução, que é relevante para campos magnéticos e eléctricos que variam sinusoidalmente. O transformador transforma o valor da corrente primária em relação à modulação e à transmissão angular em proporção aos dados brutos. A escolha do equipamento deve ser feita com base na área de aplicação e no número de consumidores ligados.

O que é um transformador de corrente?

São utilizados na indústria, engenharia municipal e civil, indústria e outras áreas para aplicar correntes com parâmetros físicos definidos. A tensão é aplicada às bobinas do enrolamento primário, onde é gerada uma corrente alternada como resultado da radiação magnética. A mesma radiação percorre as restantes bobinas, provocando o movimento das forças dos CEM, e quando as bobinas secundárias estão em curto-circuito ou ligadas a um circuito eléctrico, é gerada uma corrente secundária no sistema.

Os transformadores de corrente modernos permitem converter a energia de forma a que a sua utilização não provoque danos no equipamento que a utiliza. Também permitem medir cargas mais elevadas com a máxima segurança para máquinas e pessoal, porque os enrolamentos primários e secundários são isolados de forma fiável uns dos outros.

Para que servem os transformadores?

É fácil ver para que serve um transformador de corrente: as suas aplicações cobrem todas as áreas em que os valores energéticos são transformados. Estes dispositivos são dispositivos auxiliares que são utilizados em paralelo com instrumentos e relés de medição para criar um circuito de corrente alternada. Nestes casos, os transformadores convertem energia para facilitar a decifração de parâmetros ou para ligar equipamentos com características diferentes no mesmo circuito.

Há também a função de medição dos transformadores: são utilizados para fazer funcionar circuitos eléctricos com tensões mais elevadas, aos quais os instrumentos de medição precisam de ser ligados, mas não é possível fazê-lo directamente. A sua principal função é transmitir a informação adquirida sobre os valores actuais aos instrumentos de medição ligados ao enrolamento secundário. Também permite a monitorização da corrente no circuito: quando o relé é utilizado e o valor máximo de corrente é atingido, é activada uma protecção que desliga o equipamento para evitar queimaduras e ferimentos pessoais.

Princípio de funcionamento

O funcionamento deste equipamento baseia-se na lei da indução, segundo a qual a tensão entra nos enrolamentos primários e a corrente supera a resistência criada pelo enrolamento, o que provoca a transmissão do fluxo magnético para a bobina magnética. O fluxo é perpendicular à corrente, minimizando assim as perdas, e à medida que atravessa os enrolamentos secundários, o FME é activado. Isto induz uma corrente no sistema que é maior do que a resistência da bobina, e a tensão no final da saída das bobinas secundárias é reduzida.

A construção mais simples de um transformador consiste, portanto, num núcleo metálico e num par de enrolamentos, que não estão ligados um ao outro e são feitos como fios isolados. Em alguns casos, a carga está apenas nos enrolamentos primários e não nos secundários: este é o chamado modo ocioso. Se o equipamento consumidor de energia estiver ligado ao enrolamento secundário, uma corrente flui através das bobinas e é criada uma força electromotriz. O FME é determinado pelo número de enrolamentos. A razão da força electromotriz para as voltas primárias e secundárias é conhecida como a razão de transformação, calculada a partir da razão do número de voltas. É possível regular a tensão de utilização final, alterando o número de voltas primárias ou secundárias.

Classificação dos transformadores de corrente

Existem vários tipos de transformadores de corrente que são classificados de acordo com uma série de critérios, incluindo finalidade, método de instalação, número de etapas de conversão e outros factores. Estes parâmetros devem ser considerados antes de se seleccionar um transformador de corrente:

• Finalidade. Isto é utilizado para distinguir entre modelos de medição, intermédios e de protecção. Por exemplo, os transformadores intermédios são utilizados para a ligação de dispositivos para operações informáticas em sistemas de protecção de relé e outros circuitos. Transformadores de laboratório distintos, que fornecem uma maior precisão dos indicadores, têm um grande número de coeficientes de conversão.
• Método de instalação. Existem transformadores para instalação exterior e interior: não só têm um aspecto diferente, mas também diferentes indicadores de resistência a influências externas (por exemplo, os dispositivos para utilização exterior têm protecção contra a precipitação e as flutuações de temperatura). É também feita uma distinção entre os transformadores portáteis e os portáteis; estes últimos têm um peso e dimensões comparativamente baixos.
• Tipo enrolado. Os transformadores podem ser mono e multi-volt, bobina, núcleo ou barra de autocarro. Tanto o enrolamento primário como o secundário podem ser diferentes, e o isolamento (seco, porcelana, baquelite, óleo, composto, etc.) também é diferente.
• O nível das etapas de transformação. O equipamento pode ser de uma ou duas fases (em cascata), o limite de voltagem de 1000 V pode ser mínimo ou máximo.
• Desenho. Existem dois tipos de transformadores de corrente de acordo com este critério - os de tipo imerso em óleo e os de tipo seco. No primeiro caso, os enrolamentos e o núcleo magnético encontram-se num tanque contendo um líquido oleoso especial: desempenha o papel de isolamento e permite a regulação da temperatura de funcionamento do meio. No segundo caso, o arrefecimento é arrefecido a ar e tais sistemas são utilizados em edifícios industriais e residenciais, uma vez que os transformadores de petróleo não podem ser instalados no interior devido ao aumento do risco de incêndio.
• Tipo de voltagem. Os transformadores podem ser descendentes e ascendentes: no primeiro caso, a tensão nos enrolamentos primários é reduzida, enquanto que no segundo caso, a tensão é aumentada.
• Outra forma de classificar é seleccionar um transformador de corrente de acordo com a sua potência. Este parâmetro depende da finalidade do equipamento, do número de consumidores ligados e das suas propriedades.

Parâmetros e características

Ao seleccionar tal equipamento, é necessário considerar os principais parâmetros técnicos que afectam a gama de aplicações e o custo. As principais características são:

• Carga nominal, ou potência: uma selecção pode ser feita utilizando a tabela comparativa de características do transformador. O valor deste parâmetro determina as outras classificações actuais, uma vez que é estritamente normalizado e serve para definir o funcionamento correcto do equipamento na classe de precisão seleccionada.
• Corrente nominal. Este valor determina quanto tempo o dispositivo pode funcionar sem sobreaquecer a temperaturas críticas. O equipamento do transformador tem normalmente uma reserva térmica considerável e funcionará normalmente quando sobrecarregado em até 18-20%.
• Voltagem. Este valor é importante para a qualidade do isolamento do enrolamento e assegura o bom funcionamento da máquina.
• Erros. Este fenómeno é causado pelo fluxo magnético; o valor do erro é a diferença entre a corrente primária e secundária exacta. O aumento do fluxo magnético no núcleo do transformador contribui para um aumento proporcional do erro.
• O rácio de transformação, que é o rácio da corrente nos enrolamentos primários para os enrolamentos secundários. O valor real do coeficiente difere do valor nominal por um montante igual ao grau de perda de conversão de energia.
• Limitar a multiplicidade, expressa como a relação entre a corrente primária real e a corrente nominal.
• Multiplicidade da corrente que ocorre nos enrolamentos do enrolamento secundário.

Os dados-chave de um transformador de corrente são determinados por um diagrama do factor de potência: isto permite examinar as características do equipamento em diferentes modos de funcionamento, desde a sem carga até à carga completa.

Os valores principais são marcados no corpo do dispositivo por meio de uma marcação especial. Pode também conter informações sobre o método de elevação e instalação do equipamento, informações de aviso sobre altas tensões nos enrolamentos secundários (mais de 350 volts), informações sobre a presença de uma placa de terra. O conversor de energia é marcado com um autocolante ou com tinta.

Possíveis avarias

Como qualquer outro equipamento, os transformadores falham de vez em quando e requerem manutenção especializada com diagnóstico. Antes de verificar o dispositivo, é importante saber que falhas ocorrem e que sinais lhes correspondem:

• Ruído irregular no interior do recinto, crepitação. Este fenómeno indica geralmente uma ruptura no elemento de ligação à terra, sobreposição à caixa a partir das voltas de enrolamento ou uma prensagem solta das folhas que servem de núcleo magnético.
• Aquecimento excessivo do recinto, aumento da corrente no lado do consumidor. O problema pode ser causado por curto-circuitos de enrolamento devido ao desgaste ou danos mecânicos da camada de isolamento, sobrecargas frequentes resultantes de curto-circuitos.
• Isoladores rachados, descargas deslizantes. Estes ocorrem no caso de falhas de produção não detectadas antes do arranque, corpos estranhos e sobreposições entre condutores de fase de diferentes valores.
• Emissões de óleo durante as quais o diafragma da estrutura de escape é rompido. O problema é atribuído ao curto-circuito entre fases causado pelo desgaste do isolamento, uma queda no nível de óleo, quedas de tensão ou a ocorrência de sobrecorrentes no caso de um curto-circuito de ponta a ponta.
• Fugas de óleo por debaixo de juntas ou em torneiras de transformador. As principais causas são soldadura defeituosa de componentes, vedações fracas, juntas destruídas ou tampões de válvulas não reparados.
• Activação do relé de protecção de gás. Este fenómeno ocorre quando o óleo se decompõe devido a uma falha de enrolamento, circuito aberto, queima dos contactos do interruptor ou no caso de um curto-circuito à caixa do transformador.
• Desligar o relé de protecção de gás. A decomposição activa do líquido petrolífero como resultado de uma falha entre fases, sobretensão interna ou externa ou devido a um chamado "incêndio do aço" causa o problema.
• Protecção diferencial activada. Esta falha ocorre quando há uma avaria na caixa de alimentação, quando há uma sobreposição entre as fases ou em outros casos.

Para maximizar a funcionalidade do aparelho, devem ser efectuadas verificações regulares utilizando uma câmara de imagem térmica: o equipamento pode diagnosticar a deterioração da qualidade de contacto e uma redução da temperatura de funcionamento. Os especialistas executam a seguinte gama de operações durante a verificação:

• 1. Leituras de tensão e corrente.
  2. Verificação da carga utilizando uma fonte externa.
  3. Determinação dos parâmetros no circuito de funcionamento.
  4. Cálculo da relação de transformação, comparação e análise dos valores.

Cálculo de um transformador

O princípio básico é definido pela fórmula U1/U2=n1/n2cujos elementos são decifrados como se segue:

• U1 e U2 são as tensões das voltas primárias e secundárias.
• n1 e n2 são o número de enrolamentos primários e secundários, respectivamente.

Outra fórmula é utilizada para determinar a área do núcleo da secção transversal: S=1.15 * √PA potência é medida em watts e a área em centímetros quadrados. Se o núcleo utilizado no equipamento tiver a forma de uma letra S, a área da secção transversal é calculada para o núcleo central. Para determinar as voltas no enrolamento do nível primário, utilize a fórmula n=50*U1/S, em que o componente 50 não é invariante, recomenda-se a sua substituição por 60 para evitar a ocorrência de interferência electromagnética. Outra fórmula é d=0.8*√Ionde d é a secção transversal do condutor e I é o índice de intensidade actual, é utilizado para calcular o diâmetro do cabo.

Os números calculados são arredondados para cima (por exemplo, a potência calculada de 37,5 W é arredondada para baixo para 40). O arredondamento só é permitido para cima. Todas as fórmulas acima são utilizadas para seleccionar transformadores que operam em rede de 220 V; na construção de linhas de alta-frequência são utilizados outros parâmetros e métodos de cálculo.

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