Um transformador é um dispositivo eletromagnético usado para converter corrente alternada de uma tensão e frequência em corrente alternada de uma tensão diferente (ou igual) e da mesma frequência.
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O dispositivo e operação do transformador
No caso mais simples transformador contém um enrolamento primário com o número de voltas W1 e um secundário com o número de voltas W2. A energia é fornecida ao enrolamento primário, a carga é conectada ao secundário. A transferência de energia é feita por indução eletromagnética. Para melhorar o acoplamento eletromagnético, na maioria dos casos, os enrolamentos são colocados em um núcleo fechado (circuito magnético).
Se uma tensão alternada U for aplicada ao enrolamento primário1, então uma corrente alternada I1, que cria um fluxo magnético Ф da mesma forma no núcleo.Este fluxo magnético induz um EMF no enrolamento secundário. Se uma carga estiver conectada ao circuito secundário, uma corrente secundária I2.
A tensão no enrolamento secundário é determinada pela relação de espiras W1 e W2:
você2=U1*(C1/C2)=U1/k, onde k é taxa de transformação.
Se k<1, então U2>U1, e esse transformador é chamado de step-up. Se k>1, então U2<U1, tal o transformador é chamado step down. Como a potência de saída do transformador é igual à potência de entrada (menos as perdas no próprio transformador), podemos dizer que Pout \u003d Pin, U1*EU1=U2*EU2 e eu2=eu1*k=eu1*(C1/C2). Assim, em um transformador sem perdas, as tensões de entrada e saída são diretamente proporcionais à relação de espiras do enrolamento. E as correntes são inversamente proporcionais a esta relação.
Um transformador pode ter mais de um enrolamento secundário com relações diferentes. Assim, um transformador para alimentar equipamentos de lâmpadas domésticas de uma rede de 220 volts pode ter um enrolamento secundário, por exemplo, 500 volts para alimentar circuitos anódicos e 6 volts para alimentar circuitos incandescentes. No primeiro caso k<1, no segundo - k>1.
O transformador funciona apenas com tensão alternada - para a ocorrência de EMF no enrolamento secundário, o fluxo magnético deve mudar.
Tipos de núcleos para transformadores
Na prática, não são utilizados apenas núcleos da forma indicada. Dependendo da finalidade do dispositivo, os circuitos magnéticos podem ser realizados de diferentes maneiras.
Núcleos de haste
Os circuitos magnéticos dos transformadores de baixa frequência são feitos de aço com propriedades magnéticas pronunciadas.Para reduzir as correntes parasitas, o núcleo é montado a partir de placas separadas eletricamente isoladas umas das outras. Para trabalhar em altas frequências, outros materiais são usados, por exemplo, ferrites.
O núcleo considerado acima é chamado de núcleo e consiste em duas hastes. Para transformadores monofásicos, também são usados circuitos magnéticos de três hastes. Eles têm menos fluxo de vazamento magnético e maior eficiência. Nesse caso, os enrolamentos primário e secundário estão localizados na haste central do núcleo.
Os transformadores trifásicos também são feitos em núcleos de três hastes. Eles possuem os enrolamentos primário e secundário de cada fase, cada um localizado em seu próprio núcleo. Em alguns casos, são usados circuitos magnéticos de cinco hastes. Seus enrolamentos estão localizados exatamente da mesma maneira - cada primário e secundário em sua própria haste, e as duas hastes extremas de cada lado destinam-se apenas ao fechamento de fluxos magnéticos em determinados modos.
blindado
No núcleo blindado, são feitos transformadores monofásicos - ambas as bobinas são colocadas no núcleo central do circuito magnético. O fluxo magnético em tal núcleo se fecha de forma semelhante a uma construção de três hastes - através das paredes laterais. O fluxo de fuga é muito pequeno neste caso.
As vantagens deste projeto incluem algum ganho de tamanho e peso devido à possibilidade de preenchimento mais denso da janela do núcleo com enrolamento, por isso é vantajoso o uso de núcleos blindados para a fabricação de transformadores de baixa potência. Isso também resulta em um circuito magnético mais curto, o que leva a uma redução nas perdas sem carga.
A desvantagem é o acesso mais difícil aos enrolamentos para revisão e reparo, bem como a maior complexidade de fabricação do isolamento para altas tensões.
Toroidal
Nos núcleos toroidais, o fluxo magnético é completamente fechado dentro do núcleo e praticamente não há vazamento de fluxo magnético. Mas esses transformadores são difíceis de enrolar, então eles são usados muito raramente, por exemplo, em autotransformadores ajustáveis de baixa potência ou em dispositivos de alta frequência onde a imunidade a ruídos é importante.
Autotransformador
Em alguns casos, é aconselhável usar esses transformadores, que possuem não apenas uma conexão magnética entre os enrolamentos, mas também elétrica. Ou seja, nos dispositivos elevadores, o enrolamento primário faz parte do secundário e nos dispositivos redutores, a parte secundária do primário. Esse dispositivo é chamado de autotransformador (AT).
Um autotransformador redutor não é um simples divisor de tensão - o acoplamento magnético também está envolvido na transferência de energia para o circuito secundário.
As vantagens dos autotransformadores são:
- perdas menores;
- a possibilidade de regulação suave da tensão;
- indicadores de peso e tamanho menores (um autotransformador é mais barato, é mais fácil transportá-lo);
- menor custo devido à menor quantidade necessária de material.
As desvantagens incluem a necessidade de utilizar isolação de ambos os enrolamentos, projetados para tensão mais alta, bem como a falta de isolação galvânica entre a entrada e a saída, o que pode transferir os efeitos dos fenômenos atmosféricos do circuito primário para o secundário. Neste caso, os elementos do circuito secundário não podem ser aterrados.Além disso, a desvantagem do AT é considerada o aumento das correntes de curto-circuito. Para autotransformadores trifásicos, os enrolamentos geralmente são conectados em estrela com um neutro aterrado, outros esquemas de conexão são possíveis, mas muito complicados e incômodos. Esta é também uma desvantagem que restringe o escopo dos autotransformadores.
Aplicação de transformadores
A propriedade dos transformadores de aumentar ou diminuir a tensão é amplamente utilizada na indústria e na vida cotidiana.
Transformação de tensão
Diferentes requisitos são impostos ao nível de tensão industrial em diferentes estágios. Ao gerar eletricidade, não é lucrativo usar geradores de alta tensão por vários motivos. Portanto, por exemplo, geradores de 6 ... 35 kV são usados em usinas hidrelétricas. Para transportar eletricidade, pelo contrário, você precisa de uma tensão aumentada - de 110 kV a 1150 kV, dependendo da distância. Além disso, esta tensão é novamente reduzida para o nível de 6 ... 10 kV, distribuída às subestações locais, de onde é reduzida para 380 (220) volts e chega ao consumidor final. Em aparelhos domésticos e industriais, também deve ser reduzido, geralmente para 3 ... 36 volts.
Todas essas operações são feitas com usando transformadores de energia. Eles podem ser secos ou à base de óleo. No segundo caso, o núcleo com enrolamentos é colocado em um tanque com óleo, que é um meio isolante e refrigerante.
Isolamento galvânico
O isolamento galvânico aumenta a segurança dos aparelhos elétricos. Se o dispositivo não for alimentado diretamente por uma rede de 220 volts, onde um dos condutores está conectado ao terra, mas por meio de um transformador de 220/220 volts, a tensão de alimentação permanecerá a mesma.Mas com o toque simultâneo da terra e das partes secundárias do circuito que transportam corrente para o fluxo de corrente, não haverá fluxo de corrente e o perigo de choque elétrico será muito menor.
Medição de tensão
Em todas as instalações elétricas é necessário controlar o nível de tensão. Se for usada uma classe de tensão de até 1000 volts, os voltímetros serão conectados diretamente às partes energizadas. Em instalações elétricas acima de 1000 volts, isso não funcionará - dispositivos que podem suportar essa tensão se tornam muito volumosos e inseguros no caso de uma falha de isolamento. Portanto, em tais sistemas, os voltímetros são conectados a condutores de alta tensão por meio de transformadores com uma relação de transformação conveniente. Por exemplo, para redes de 10 kV, são usados transformadores de instrumento 1:100, a saída é uma tensão padrão de 100 volts. Se a tensão no enrolamento primário mudar de amplitude, ela mudará simultaneamente no secundário. A escala do voltímetro é geralmente graduada na faixa de tensão primária.
O transformador é um elemento bastante complexo e caro para produção e manutenção. No entanto, em muitas áreas esses dispositivos são indispensáveis e não há alternativa a eles.
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