Transformador -Transformer

Transformador de distribuição montado em poste com enrolamento secundário de derivação central usado para fornecer energia de " fase dividida " para serviços residenciais e comerciais leves, que na América do Norte são normalmente classificados em 120/240 V.

Um transformador é um componente passivo que transfere energia elétrica de um circuito elétrico para outro circuito, ou vários circuitos . Uma corrente variável em qualquer bobina do transformador produz um fluxo magnético variável no núcleo do transformador, que induz uma força eletromotriz variável em qualquer outra bobina enrolada no mesmo núcleo. A energia elétrica pode ser transferida entre bobinas separadas sem uma conexão metálica (condutiva) entre os dois circuitos. A lei de indução de Faraday , descoberta em 1831, descreve o efeito da tensão induzida em qualquer bobina devido a um fluxo magnético variável circundado pela bobina.

Os transformadores são usados ​​para alterar os níveis de tensão CA , sendo esses transformadores denominados do tipo step-up (ou step-down) para aumentar (ou diminuir) o nível de tensão. Os transformadores também podem ser usados ​​para fornecer isolamento galvânico entre circuitos, bem como para acoplar estágios de circuitos de processamento de sinal. Desde a invenção do primeiro transformador de potencial constante em 1885, os transformadores tornaram-se essenciais para a transmissão , distribuição e utilização de energia elétrica em corrente alternada. Uma ampla gama de projetos de transformadores é encontrada em aplicações de energia elétrica e eletrônica. Os transformadores variam em tamanho, desde transformadores de RF com menos de um centímetro cúbico de volume, até unidades pesando centenas de toneladas usadas para interconectar a rede elétrica .

Princípios

Equações ideais do transformador

Pela lei de indução de Faraday:

. . . (equação 1)

. . . (equação 2)

Onde é a tensão instantânea , é o número de voltas em um enrolamento, dΦ/dt é a derivada do fluxo magnético Φ através de uma volta do enrolamento ao longo do tempo ( t ), e os subscritos P e S denotam primário e secundário.

Combinando a razão da eq. 1 e eq. 2:

Relação de voltas . . . (equação 3)

Onde para um transformador elevador a < 1 e para um transformador redutor a > ou = 1.

Pela lei da conservação da energia , as potências aparente , real e reativa são conservadas na entrada e na saída:

. . . . (equação 4)

Onde é a potência aparente e é a corrente .

Combinando a eq. 3 e eq. 4 com esta nota final dá a identidade ideal do transformador :

. (eq. 5)

Onde está a auto-indutância do enrolamento.

Pela lei de Ohm e identidade ideal do transformador:

. . . (eq. 6)

. (equação 7)

Onde é a impedância de carga do circuito secundário e é a carga aparente ou impedância do ponto de acionamento do circuito primário, o sobrescrito denotando referência ao primário.

Transformador ideal

Um transformador ideal é um transformador linear teórico sem perdas e perfeitamente acoplado . Acoplamento perfeito implica permeabilidade magnética de núcleo infinitamente alta e indutância de enrolamento e força magnetomotriz líquida zero (ou seja, i p n p  −  i s n s  = 0).

Transformador ideal conectado com fonte VP no primário e impedância de carga Z L no secundário, onde 0 <  Z L  < ∞ .
Transformador ideal e lei de indução

Uma corrente variável no enrolamento primário do transformador cria um fluxo magnético variável no núcleo do transformador, que também é circundado pelo enrolamento secundário. Este fluxo variável no enrolamento secundário induz uma força ou tensão eletromotriz variável no enrolamento secundário. Este fenômeno de indução eletromagnética é a base da ação do transformador e, de acordo com a lei de Lenz , a corrente secundária assim produzida cria um fluxo igual e oposto ao produzido pelo enrolamento primário.

Os enrolamentos são enrolados em torno de um núcleo de permeabilidade magnética infinitamente alta para que todo o fluxo magnético passe pelos enrolamentos primário e secundário. Com uma fonte de tensão conectada ao enrolamento primário e uma carga conectada ao enrolamento secundário, as correntes do transformador fluem nas direções indicadas e a força magnetomotriz do núcleo se anula a zero.

De acordo com a lei de Faraday , como o mesmo fluxo magnético passa pelos enrolamentos primário e secundário em um transformador ideal, uma tensão é induzida em cada enrolamento proporcional ao seu número de enrolamentos. A relação de tensão do enrolamento do transformador é igual à relação de espiras do enrolamento.

Um transformador ideal é uma aproximação razoável para um transformador comercial típico, com relação de tensão e relação de espiras do enrolamento sendo inversamente proporcionais à relação de corrente correspondente.

A impedância de carga referida ao circuito primário é igual à razão de espiras ao quadrado vezes a impedância de carga do circuito secundário.

Transformador real

Fluxo de fuga de um transformador

Desvios do transformador ideal

O modelo de transformador ideal negligencia os seguintes aspectos lineares básicos de transformadores reais:

(a) Perdas do núcleo, coletivamente chamadas de perdas de corrente magnetizante, consistindo em

  • Perdas de histerese devido a efeitos magnéticos não lineares no núcleo do transformador e
  • Perdas de correntes parasitas devido ao aquecimento joule no núcleo que são proporcionais ao quadrado da tensão aplicada do transformador.

(b) Ao contrário do modelo ideal, os enrolamentos de um transformador real têm resistências e indutâncias diferentes de zero associadas a:

  • Perdas de Joule devido à resistência nos enrolamentos primário e secundário
  • Fluxo de fuga que escapa do núcleo e passa por um enrolamento apenas resultando em impedância reativa primária e secundária.

(c) semelhante a um indutor , capacitância parasita e fenômeno de auto-ressonância devido à distribuição do campo elétrico. Três tipos de capacitância parasita são geralmente considerados e as equações de malha fechada são fornecidas

  • Capacitância entre espiras adjacentes em qualquer camada;
  • Capacitância entre camadas adjacentes;
  • Capacitância entre o núcleo e a(s) camada(s) adjacente(s) ao núcleo;

A inclusão de capacitância no modelo do transformador é complicada e raramente é tentada; o circuito equivalente do modelo de transformador 'real' mostrado abaixo não inclui capacitância parasita. No entanto, o efeito da capacitância pode ser medido comparando a indutância de circuito aberto, ou seja, a indutância de um enrolamento primário quando o circuito secundário está aberto, com uma indutância de curto-circuito quando o enrolamento secundário está em curto.

Fluxo de vazamento

O modelo de transformador ideal assume que todo fluxo gerado pelo enrolamento primário liga todas as espiras de cada enrolamento, incluindo ele mesmo. Na prática, alguns fluxos percorrem caminhos que o levam para fora dos enrolamentos. Tal fluxo é denominado fluxo de fuga e resulta em indutância de fuga em série com os enrolamentos do transformador mutuamente acoplados. O fluxo de vazamento resulta em energia sendo armazenada e descarregada alternadamente nos campos magnéticos a cada ciclo da fonte de alimentação. Não é diretamente uma perda de potência, mas resulta em uma regulação de tensão inferior , fazendo com que a tensão secundária não seja diretamente proporcional à tensão primária, principalmente sob carga pesada. Os transformadores são, portanto, normalmente projetados para ter uma indutância de fuga muito baixa.

Em algumas aplicações, o aumento do vazamento é desejado, e longos caminhos magnéticos, entreferros ou derivações de desvio magnético podem ser deliberadamente introduzidos em um projeto de transformador para limitar a corrente de curto-circuito que ele fornecerá. Os transformadores com vazamento podem ser usados ​​para alimentar cargas que apresentam resistência negativa , como arcos elétricos , lâmpadas de vapor de mercúrio e sódio e letreiros de néon , ou para o manuseio seguro de cargas que entram em curto-circuito periodicamente, como soldadores a arco elétrico .

As folgas de ar também são usadas para evitar que um transformador fique saturado, especialmente transformadores de áudio-frequência em circuitos que possuem um componente CC fluindo nos enrolamentos. Um reator saturável explora a saturação do núcleo para controlar a corrente alternada.

O conhecimento da indutância de fuga também é útil quando os transformadores são operados em paralelo. Pode-se mostrar que se a impedância percentual e a razão reatância de fuga/resistência do enrolamento associada ( X / R ) de dois transformadores fossem iguais, os transformadores compartilhariam a potência de carga na proporção de suas respectivas classificações. No entanto, as tolerâncias de impedância dos transformadores comerciais são significativas. Além disso, a impedância e a relação X/R de diferentes transformadores de capacidade tendem a variar.

Circuito equivalente

Referindo-se ao diagrama, o comportamento físico de um transformador prático pode ser representado por um modelo de circuito equivalente , que pode incorporar um transformador ideal.

As perdas joule do enrolamento e as reatâncias de fuga são representadas pelas seguintes impedâncias de loop em série do modelo:

  • Enrolamento primário: R P , X P
  • Enrolamento secundário: R S , X S .

No curso normal da transformação de equivalência de circuito, R S e X S são, na prática, geralmente referidos ao lado primário multiplicando essas impedâncias pela razão de espiras ao quadrado, ( N P / N S )  2  = a 2 .

Circuito equivalente de transformador real

A perda e a reatância do núcleo são representadas pelas seguintes impedâncias da perna de derivação do modelo:

  • Perdas de núcleo ou ferro: R C
  • Reatância de magnetização: X M .

RC e XM são chamados coletivamente de ramo de magnetização do modelo.

As perdas no núcleo são causadas principalmente por efeitos de histerese e correntes parasitas no núcleo e são proporcionais ao quadrado do fluxo do núcleo para operação em uma determinada frequência. O núcleo de permeabilidade finita requer uma corrente de magnetização I M para manter o fluxo mútuo no núcleo. A corrente de magnetização está em fase com o fluxo, sendo a relação entre os dois não linear devido aos efeitos de saturação. No entanto, todas as impedâncias do circuito equivalente mostrado são por definição lineares e tais efeitos de não linearidade não são tipicamente refletidos em circuitos equivalentes de transformadores. Com alimentação senoidal , o fluxo do núcleo fica atrás da EMF induzida em 90°. Com enrolamento secundário em circuito aberto, a corrente de ramificação magnetizante I 0 é igual à corrente sem carga do transformador.

Transformador de instrumento, com ponto de polaridade e marcações X1 no terminal do lado LV

O modelo resultante, embora às vezes denominado circuito equivalente 'exato' baseado em suposições de linearidade , retém uma série de aproximações. A análise pode ser simplificada assumindo que a impedância do ramo de magnetização é relativamente alta e realocando o ramo para a esquerda das impedâncias primárias. Isso introduz erro, mas permite a combinação de resistências e reatâncias primárias e secundárias referidas por simples soma como duas impedâncias em série.

Os parâmetros de impedância do circuito equivalente do transformador e relação do transformador podem ser derivados dos seguintes testes: teste de circuito aberto, teste de curto-circuito, teste de resistência do enrolamento e teste de relação do transformador.

Equação EMF do transformador

Se o fluxo no núcleo for puramente senoidal , a relação para qualquer enrolamento entre sua tensão rms Erms do enrolamento e a frequência de alimentação f , número de espiras N , área da seção transversal do núcleo A em m 2 e densidade de fluxo magnético de pico B pico em Wb/m 2 ou T (tesla) é dado pela equação EMF universal:


Polaridade

Uma convenção de pontos é frequentemente usada em diagramas de circuitos de transformadores, placas de identificação ou marcações de terminais para definir a polaridade relativa dos enrolamentos do transformador. O aumento positivo da corrente instantânea que entra na extremidade 'ponto' do enrolamento primário induz a tensão de polaridade positiva saindo da extremidade 'ponto' do enrolamento secundário. Os transformadores trifásicos utilizados em sistemas elétricos de potência terão uma placa de identificação que indicará as relações de fase entre seus terminais. Isso pode ser na forma de um diagrama fasorial ou usando um código alfanumérico para mostrar o tipo de conexão interna (estrela ou delta) para cada enrolamento.

Efeito da frequência

A EMF de um transformador em um determinado fluxo aumenta com a frequência. Operando em frequências mais altas, os transformadores podem ser fisicamente mais compactos porque um determinado núcleo é capaz de transferir mais potência sem atingir a saturação e são necessárias menos voltas para atingir a mesma impedância. No entanto, propriedades como perda de núcleo e efeito de pele condutora também aumentam com a frequência. Aeronaves e equipamentos militares empregam fontes de alimentação de 400 Hz que reduzem o peso do núcleo e do enrolamento. Por outro lado, as frequências usadas para alguns sistemas de eletrificação ferroviária eram muito mais baixas (por exemplo, 16,7 Hz e 25 Hz) do que as frequências normais da concessionária (50-60 Hz) por razões históricas relacionadas principalmente com as limitações dos primeiros motores elétricos de tração . Consequentemente, os transformadores usados ​​para reduzir as altas tensões das linhas aéreas eram muito maiores e mais pesados ​​para a mesma potência do que os necessários para as frequências mais altas.

Condição de sobreexcitação do transformador de potência causada pela diminuição da frequência; fluxo (verde), características magnéticas do núcleo de ferro (vermelho) e corrente de magnetização (azul).

A operação de um transformador em sua tensão projetada, mas em uma frequência mais alta do que a pretendida, levará a uma corrente de magnetização reduzida. Em uma frequência mais baixa, a corrente de magnetização aumentará. A operação de um grande transformador em uma frequência diferente da de projeto pode exigir a avaliação de tensões, perdas e resfriamento para estabelecer se a operação segura é prática. Os transformadores podem exigir relés de proteção para proteger o transformador de sobretensão em frequência mais alta que a nominal.

Um exemplo está em transformadores de tração usados ​​para unidades elétricas múltiplas e serviço de trens de alta velocidade operando em regiões com diferentes padrões elétricos. O equipamento conversor e os transformadores de tração devem acomodar diferentes frequências de entrada e tensão (variando de 50 Hz a 16,7 Hz e nominal de até 25 kV).

Em frequências muito mais altas, o tamanho do núcleo do transformador necessário cai drasticamente: um transformador fisicamente pequeno pode lidar com níveis de potência que exigiriam um núcleo de ferro maciço na frequência da rede. O desenvolvimento de dispositivos semicondutores chaveados de potência tornou viáveis ​​as fontes chaveadas , para gerar uma alta frequência e depois alterar o nível de tensão com um pequeno transformador.

Grandes transformadores de potência são vulneráveis ​​a falhas de isolamento devido a tensões transitórias com componentes de alta frequência, como causadas por comutação ou por raios.

Perdas de energia

As perdas de energia do transformador são dominadas pelas perdas no enrolamento e no núcleo. A eficiência dos transformadores tende a melhorar com o aumento da capacidade do transformador. A eficiência dos transformadores de distribuição típicos está entre cerca de 98 e 99 por cento.

Como as perdas do transformador variam com a carga, muitas vezes é útil tabular a perda sem carga, a perda em plena carga, a perda em meia carga e assim por diante. As perdas por histerese e correntes parasitas são constantes em todos os níveis de carga e dominam sem carga, enquanto a perda de enrolamento aumenta à medida que a carga aumenta. A perda sem carga pode ser significativa, de modo que mesmo um transformador inativo constitui um dreno na alimentação elétrica. Projetar transformadores energeticamente eficientes para menor perda requer um núcleo maior, aço silício de boa qualidade ou mesmo aço amorfo para o núcleo e fios mais grossos, aumentando o custo inicial. A escolha da construção representa um trade-off entre custo inicial e custo operacional.

As perdas do transformador surgem de:

Perdas de joule sinuosas
A corrente que flui através do condutor de um enrolamento causa aquecimento joule devido à resistência do fio. À medida que a frequência aumenta, o efeito pelicular e o efeito de proximidade fazem com que a resistência do enrolamento e, consequentemente, as perdas aumentem.
Perdas principais
Perdas por histerese
Cada vez que o campo magnético é invertido, uma pequena quantidade de energia é perdida devido à histerese dentro do núcleo, causada pelo movimento dos domínios magnéticos dentro do aço. De acordo com a fórmula de Steinmetz, a energia térmica devido à histerese é dada por
e,
A perda de histerese é dada por
onde, f é a frequência, η é o coeficiente de histerese e β max é a densidade de fluxo máxima, cujo expoente empírico varia de cerca de 1,4 a 1,8, mas é frequentemente dado como 1,6 para o ferro. Para uma análise mais detalhada, veja Núcleo magnético e equação de Steinmetz .
Perdas por correntes parasitas
As correntes parasitas são induzidas no núcleo do transformador de metal condutor pela mudança do campo magnético, e essa corrente que flui através da resistência do ferro dissipa energia como calor no núcleo. A perda de corrente parasita é uma função complexa do quadrado da frequência de alimentação e do quadrado inverso da espessura do material. As perdas por correntes parasitas podem ser reduzidas tornando o núcleo de uma pilha de laminações (placas finas) eletricamente isoladas umas das outras, em vez de um bloco sólido; todos os transformadores que operam em baixas frequências usam núcleos laminados ou similares.
Zumbido do transformador relacionado à magnetostrição
O fluxo magnético em um material ferromagnético, como o núcleo, faz com que ele se expanda e se contraia fisicamente a cada ciclo do campo magnético, um efeito conhecido como magnetostrição , cuja energia de atrito produz um ruído audível conhecido como zumbido da rede ou "transformador zumbir". Este zumbido do transformador é especialmente censurável em transformadores fornecidos em frequências de energia e em transformadores flyback de alta frequência associados a CRTs de televisão .
Perdas perdidas
A indutância de vazamento é, por si só, em grande parte sem perdas, uma vez que a energia fornecida aos seus campos magnéticos é devolvida ao suprimento no próximo meio ciclo. No entanto, qualquer fluxo de fuga que intercepte materiais condutores próximos, como a estrutura de suporte do transformador, dará origem a correntes parasitas e será convertida em calor.
Radiativo
Há também perdas radiativas devido ao campo magnético oscilante, mas geralmente são pequenas.
Vibração mecânica e transmissão de ruído audível
Além da magnetostrição, o campo magnético alternado causa forças flutuantes entre os enrolamentos primário e secundário. Essa energia incita a transmissão de vibração em metais interconectados, amplificando assim o zumbido audível do transformador.

Construção

Núcleos

Forma do núcleo = tipo do núcleo; forma de casca = tipo de casca

Os transformadores de núcleo fechado são construídos em 'forma de núcleo' ou 'forma de shell'. Quando os enrolamentos cercam o núcleo, o transformador fica em forma de núcleo; quando os enrolamentos são cercados pelo núcleo, o transformador é em forma de concha. O projeto em forma de casca pode ser mais predominante do que o projeto em forma de núcleo para aplicações de transformadores de distribuição devido à relativa facilidade de empilhar o núcleo em torno de bobinas de enrolamento. O projeto em forma de núcleo tende a, como regra geral, ser mais econômico e, portanto, mais prevalente do que o projeto em forma de invólucro para aplicações de transformadores de potência de alta tensão na extremidade inferior de suas faixas de tensão e potência (menor ou igual a, nominalmente, 230 kV ou 75 MVA). Em classificações de tensão e potência mais altas, os transformadores em forma de concha tendem a ser mais prevalentes. O design em forma de concha tende a ser preferido para aplicações de tensão extra-alta e MVA mais altos porque, embora mais trabalhoso para fabricar, os transformadores em forma de concha são caracterizados por terem uma relação kVA-peso inerentemente melhor, melhores características de resistência a curto-circuito e maior imunidade a danos de trânsito.

Núcleos de aço laminado

Transformador de núcleo laminado mostrando a borda das laminações no topo da foto
Laminações de transformador EI intercaladas mostrando entreferro e caminhos de fluxo

Os transformadores para uso em frequências de potência ou áudio normalmente têm núcleos feitos de aço silício de alta permeabilidade . O aço tem uma permeabilidade muitas vezes superior à do espaço livre e o núcleo serve assim para reduzir muito a corrente de magnetização e confinar o fluxo a um caminho que acopla estreitamente os enrolamentos. Os primeiros desenvolvedores de transformadores logo perceberam que os núcleos construídos a partir de ferro sólido resultavam em perdas proibitivas de correntes parasitas, e seus projetos atenuavam esse efeito com núcleos consistindo de feixes de fios de ferro isolados. Projetos posteriores construíram o núcleo empilhando camadas de lâminas de aço finas, um princípio que permaneceu em uso. Cada laminação é isolada de seus vizinhos por uma fina camada não condutora de isolamento. A equação universal EMF do transformador pode ser usada para calcular a área da seção transversal do núcleo para um nível preferencial de fluxo magnético.

O efeito das laminações é confinar as correntes parasitas a caminhos altamente elípticos que encerram pouco fluxo e, assim, reduzem sua magnitude. As laminações mais finas reduzem as perdas, mas são mais trabalhosas e caras de construir. As laminações finas são geralmente usadas em transformadores de alta frequência, com algumas laminações de aço muito finas capazes de operar até 10 kHz.

A laminação do núcleo reduz muito as perdas por correntes parasitas

Um projeto comum de núcleo laminado é feito de pilhas intercaladas de chapas de aço em forma de E cobertas com peças em forma de I , levando ao seu nome de 'transformador EI'. Tal projeto tende a apresentar mais perdas, mas é muito econômico de fabricar. O tipo cut-core ou C-core é feito enrolando uma tira de aço em torno de uma forma retangular e, em seguida, unindo as camadas. Em seguida, é cortado em dois, formando duas formas em C, e o núcleo montado ligando as duas metades em C com uma cinta de aço. Eles têm a vantagem de que o fluxo é sempre orientado paralelamente aos grãos metálicos, reduzindo a relutância.

A remanência de um núcleo de aço significa que ele retém um campo magnético estático quando a energia é removida. Quando a energia é reaplicada, o campo residual causará uma alta corrente de partida até que o efeito do magnetismo restante seja reduzido, geralmente após alguns ciclos da forma de onda CA aplicada. Dispositivos de proteção de sobrecorrente, como fusíveis , devem ser selecionados para permitir a passagem desse inrush inofensivo.

Em transformadores conectados a longas linhas aéreas de transmissão de energia, correntes induzidas devido a distúrbios geomagnéticos durante tempestades solares podem causar saturação do núcleo e operação dos dispositivos de proteção do transformador.

Os transformadores de distribuição podem atingir baixas perdas sem carga usando núcleos feitos com aço silício de baixa perda e alta permeabilidade ou liga de metal amorfo (não cristalino) . O custo inicial mais alto do material do núcleo é compensado ao longo da vida útil do transformador por suas perdas mais baixas em carga leve.

Núcleos sólidos

Os núcleos de ferro em pó são usados ​​em circuitos como fontes de alimentação comutadas que operam acima das frequências da rede e até algumas dezenas de quilohertz. Esses materiais combinam alta permeabilidade magnética com alta resistividade elétrica em massa . Para frequências que se estendem além da banda VHF , são comuns os núcleos feitos de materiais cerâmicos magnéticos não condutores chamados ferrites . Alguns transformadores de radiofrequência também possuem núcleos móveis (às vezes chamados de 'slugs') que permitem o ajuste do coeficiente de acoplamento (e largura de banda ) de circuitos de radiofrequência sintonizados.

Núcleos toroidais

Pequeno transformador de núcleo toroidal

Os transformadores toroidais são construídos em torno de um núcleo em forma de anel, que, dependendo da frequência de operação, é feito de uma longa tira de aço silício ou permalloy enrolada em uma bobina, ferro em pó ou ferrite . Uma construção em tira garante que os contornos de grão estejam perfeitamente alinhados, melhorando a eficiência do transformador reduzindo a relutância do núcleo . A forma de anel fechado elimina as lacunas de ar inerentes à construção de um núcleo EI. A seção transversal do anel é geralmente quadrada ou retangular, mas também estão disponíveis núcleos mais caros com seções circulares. As bobinas primárias e secundárias são frequentemente enroladas concentricamente para cobrir toda a superfície do núcleo. Isso minimiza o comprimento do fio necessário e fornece blindagem para minimizar o campo magnético do núcleo de gerar interferência eletromagnética .

Os transformadores toroidais são mais eficientes do que os tipos EI laminados mais baratos para um nível de potência semelhante. Outras vantagens em comparação com os tipos EI incluem tamanho menor (cerca de metade), menor peso (cerca de metade), menos zumbido mecânico (tornando-os superiores em amplificadores de áudio), campo magnético externo mais baixo (cerca de um décimo), baixas perdas de carga ( tornando-os mais eficientes em circuitos de espera), montagem de parafuso único e maior variedade de formas. As principais desvantagens são o custo mais alto e a capacidade de energia limitada (consulte os parâmetros de classificação abaixo). Devido à falta de uma lacuna residual no caminho magnético, os transformadores toroidais também tendem a exibir uma corrente de partida mais alta, em comparação com os tipos EI laminados.

Os núcleos toroidais de ferrite são usados ​​em frequências mais altas, normalmente entre algumas dezenas de kilohertz a centenas de megahertz, para reduzir perdas, tamanho físico e peso de componentes indutivos. Uma desvantagem da construção do transformador toroidal é o maior custo de mão de obra do enrolamento. Isso ocorre porque é necessário passar todo o comprimento de um enrolamento da bobina através da abertura do núcleo cada vez que uma única volta é adicionada à bobina. Como consequência, os transformadores toroidais classificados em mais de alguns kVA são incomuns. Relativamente poucos toróides são oferecidos com potências acima de 10 kVA e praticamente nenhum acima de 25 kVA. Pequenos transformadores de distribuição podem obter alguns dos benefícios de um núcleo toroidal dividindo-o e forçando-o a abrir, inserindo uma bobina contendo enrolamentos primários e secundários.

Núcleos de ar

Um transformador pode ser produzido colocando os enrolamentos próximos uns dos outros, um arranjo denominado transformador de "núcleo de ar". Um transformador de núcleo de ar elimina a perda devido à histerese no material do núcleo. A indutância de magnetização é drasticamente reduzida pela falta de um núcleo magnético, resultando em grandes correntes de magnetização e perdas se usado em baixas frequências. Os transformadores de núcleo de ar não são adequados para uso em distribuição de energia, mas são frequentemente empregados em aplicações de radiofrequência. Os núcleos de ar também são usados ​​para transformadores ressonantes , como bobinas de Tesla, onde podem atingir perdas razoavelmente baixas, apesar da baixa indutância de magnetização.

Enrolamentos

Os enrolamentos geralmente são dispostos concentricamente para minimizar o vazamento de fluxo.
Corte a vista através dos enrolamentos do transformador. Legenda:
Branco : Ar, líquido ou outro meio isolante
Verde espiral : Aço silício orientado a grão
Preto : Enrolamento primário
Vermelho : Enrolamento secundário

O condutor elétrico usado para os enrolamentos depende da aplicação, mas em todos os casos as espiras individuais devem ser isoladas eletricamente umas das outras para garantir que a corrente percorra cada espira. Para transformadores pequenos, nos quais as correntes são baixas e a diferença de potencial entre espiras adjacentes é pequena, as bobinas são muitas vezes enroladas em fio magnético esmaltado . Transformadores de potência maiores podem ser enrolados com condutores de tira retangular de cobre isolados por papel impregnado de óleo e blocos de papelão .

Os transformadores de alta frequência que operam nas dezenas a centenas de quilohertz geralmente têm enrolamentos feitos de fio Litz trançado para minimizar as perdas por efeito de pele e efeito de proximidade. Grandes transformadores de potência também usam condutores de fios múltiplos, uma vez que, mesmo em frequências de baixa potência, a distribuição não uniforme de corrente existiria em enrolamentos de alta corrente. Cada fio é isolado individualmente, e os fios são dispostos de modo que em determinados pontos do enrolamento, ou ao longo de todo o enrolamento, cada porção ocupe diferentes posições relativas no condutor completo. A transposição equaliza a corrente que flui em cada fio do condutor e reduz as perdas por correntes parasitas no próprio enrolamento. O condutor trançado também é mais flexível do que um condutor sólido de tamanho similar, auxiliando na fabricação.

Os enrolamentos dos transformadores de sinal minimizam a indutância de fuga e a capacitância parasita para melhorar a resposta de alta frequência. As bobinas são divididas em seções e essas seções intercaladas entre as seções do outro enrolamento.

Os transformadores de frequência de potência podem ter derivações em pontos intermediários do enrolamento, geralmente no lado do enrolamento de maior tensão, para ajuste de tensão. As torneiras podem ser reconectadas manualmente, ou um interruptor manual ou automático pode ser fornecido para trocar as torneiras. Os comutadores automáticos em carga são usados ​​na transmissão ou distribuição de energia elétrica, em equipamentos como transformadores de forno a arco ou para reguladores automáticos de tensão para cargas sensíveis. Os transformadores de áudio-frequência, utilizados para a distribuição de áudio aos alto-falantes de chamadas públicas, possuem torneiras para permitir o ajuste da impedância de cada alto-falante. Um transformador com derivação central é frequentemente usado no estágio de saída de um amplificador de potência de áudio em um circuito push-pull . Os transformadores de modulação em transmissores AM são muito semelhantes.

Resfriamento

Vista em corte do transformador imerso em líquido. O conservador (reservatório) na parte superior fornece isolamento do líquido para a atmosfera conforme o nível do líquido refrigerante e as mudanças de temperatura. As paredes e as aletas fornecem a dissipação de calor necessária.

É uma regra prática que a expectativa de vida do isolamento elétrico é reduzida pela metade para cada aumento de 7°C a 10°C na temperatura de operação (um exemplo da aplicação da equação de Arrhenius ).

Pequenos transformadores do tipo seco e imersos em líquido são frequentemente auto-resfriados por convecção natural e dissipação de calor por radiação . À medida que as classificações de potência aumentam, os transformadores geralmente são resfriados por resfriamento a ar forçado, resfriamento forçado a óleo, resfriamento a água ou combinações destes. Grandes transformadores são preenchidos com óleo de transformador que resfria e isola os enrolamentos. O óleo do transformador é um óleo mineral altamente refinado que resfria os enrolamentos e o isolamento circulando dentro do tanque do transformador. O sistema de isolamento de óleo mineral e papel é amplamente estudado e utilizado há mais de 100 anos. Estima-se que 50% dos transformadores de potência sobreviverão 50 anos de uso, que a idade média de falha dos transformadores de potência é de cerca de 10 a 15 anos e que cerca de 30% das falhas de transformadores de potência são devido a falhas de isolamento e sobrecarga. A operação prolongada em temperatura elevada degrada as propriedades isolantes do isolamento do enrolamento e do refrigerante dielétrico, o que não apenas reduz a vida útil do transformador, mas pode levar a falhas catastróficas do transformador. Com um grande corpo de estudo empírico como guia, o teste de óleo de transformador, incluindo análise de gás dissolvido, fornece informações valiosas de manutenção.

Os regulamentos de construção em muitas jurisdições exigem que os transformadores internos cheios de líquido usem fluidos dielétricos menos inflamáveis ​​que o óleo ou sejam instalados em salas resistentes ao fogo. Os transformadores secos refrigerados a ar podem ser mais econômicos, pois eliminam o custo de uma sala de transformadores resistente ao fogo.

O tanque de transformadores cheios de líquido geralmente possui radiadores através dos quais o líquido refrigerante circula por convecção natural ou aletas. Alguns grandes transformadores empregam ventiladores elétricos para resfriamento de ar forçado, bombas para resfriamento de líquido forçado ou trocadores de calor para resfriamento de água. Um transformador imerso em óleo pode ser equipado com um relé Buchholz , que, dependendo da gravidade do acúmulo de gás devido ao arco interno, é usado para alarme ou desenergização do transformador. As instalações de transformadores imersos em óleo geralmente incluem medidas de proteção contra incêndio, como paredes, contenção de óleo e sistemas de extinção de incêndio por sprinklers.

Os bifenilos policlorados (PCBs) têm propriedades que uma vez favoreceram seu uso como refrigerante dielétrico , embora as preocupações com sua persistência ambiental tenham levado a uma proibição generalizada de seu uso. Hoje, óleos à base de silicone não tóxicos e estáveis , ou hidrocarbonetos fluorados, podem ser usados ​​onde o custo de um líquido resistente ao fogo compensa o custo adicional de construção de um cofre de transformador. No entanto, a longa vida útil dos transformadores pode significar que o potencial de exposição pode ser alto por muito tempo após a proibição.

Alguns transformadores são isolados a gás. Seus enrolamentos são fechados em tanques selados e pressurizados e resfriados por gás nitrogênio ou hexafluoreto de enxofre .

Transformadores de potência experimentais na faixa de 500 a 1.000 kVA foram construídos com enrolamentos supercondutores resfriados com nitrogênio líquido ou hélio , o que elimina as perdas no enrolamento sem afetar as perdas no núcleo.

Isolamento

Transformador da subestação em teste.

O isolamento deve ser fornecido entre as espiras individuais dos enrolamentos, entre os enrolamentos, entre os enrolamentos e o núcleo e nos terminais do enrolamento.

O isolamento entre espiras de pequenos transformadores pode ser uma camada de verniz isolante no fio. Camadas de papel ou películas de polímero podem ser inseridas entre camadas de enrolamentos e entre enrolamentos primários e secundários. Um transformador pode ser revestido ou mergulhado em uma resina de polímero para melhorar a resistência dos enrolamentos e protegê-los da umidade ou corrosão. A resina pode ser impregnada no isolamento do enrolamento usando combinações de vácuo e pressão durante o processo de revestimento, eliminando todos os vazios de ar no enrolamento. No limite, toda a bobina pode ser colocada em um molde, e resina moldada em torno dela como um bloco sólido, encapsulando os enrolamentos.

Grandes transformadores de potência cheios de óleo usam enrolamentos envolvidos com papel isolante, que é impregnado com óleo durante a montagem do transformador. Os transformadores a óleo usam óleo mineral altamente refinado para isolar e resfriar os enrolamentos e o núcleo. A construção de transformadores a óleo requer que o isolamento que cobre os enrolamentos seja completamente seco da umidade residual antes que o óleo seja introduzido. A secagem pode ser feita circulando ar quente ao redor do núcleo, circulando óleo de transformador aquecido externamente ou por secagem em fase de vapor (VPD), onde um solvente evaporado transfere calor por condensação na bobina e no núcleo. Para transformadores pequenos, é utilizado o aquecimento por resistência por injeção de corrente nos enrolamentos.

Buchas

Os transformadores maiores são fornecidos com buchas isoladas de alta tensão feitas de polímeros ou porcelana. Uma bucha grande pode ser uma estrutura complexa, pois deve fornecer um controle cuidadoso do gradiente do campo elétrico sem deixar vazar óleo do transformador.

Parâmetros de classificação

Uma subestação elétrica em Melbourne , Austrália , mostrando três dos cinco transformadores de 220 kV – 66 kV, cada um com capacidade de 150 MVA

Os transformadores podem ser classificados de várias maneiras, como as seguintes:

  • Potência nominal : De uma fração de volt-ampere (VA) a mais de mil MVA.
  • Dever de um transformador : Contínuo, de curta duração, intermitente, periódico, variável.
  • Faixa de frequência : frequência de potência, frequência de áudio ou frequência de rádio .
  • Classe de tensão : De alguns volts a centenas de kilovolts.
  • Tipo de resfriamento : Seco ou imerso em líquido; auto-resfriado, resfriado a ar forçado; resfriado a óleo forçado, resfriado a água.
  • Aplicação : fonte de alimentação, correspondência de impedância, estabilizador de tensão e corrente de saída, pulso , isolamento do circuito, distribuição de energia , retificador , forno a arco , saída do amplificador, etc.
  • Forma magnética básica : forma de núcleo, forma de concha, concêntrica, sanduíche.
  • Descritor de transformador de potencial constante : Step-up, step-down, isolamento .
  • Configuração geral do enrolamento : Por grupo vetorial IEC , combinações de dois enrolamentos das designações de fase delta, estrela ou estrela e ziguezague ; autotransformador , Scott-T
  • Configuração do enrolamento de mudança de fase do retificador : 2 enrolamentos, 6 pulsos; 3 enrolamentos, 12 pulsos; . . ., n -enrolamento, [ n  − 1]·6-pulso; polígono; etc.

Formulários

Transformador na Estação Geradora de Calcário em Manitoba , Canadá

Vários projetos de aplicações elétricas específicas requerem uma variedade de tipos de transformadores . Embora todos compartilhem os princípios básicos do transformador característico, eles são personalizados em construção ou propriedades elétricas para determinados requisitos de instalação ou condições do circuito.

Na transmissão de energia elétrica , os transformadores permitem a transmissão de energia elétrica em altas tensões, o que reduz a perda por aquecimento dos fios. Isso permite que as usinas geradoras sejam localizadas economicamente a uma distância dos consumidores elétricos. Quase toda a energia elétrica do mundo, exceto uma pequena fração, passou por uma série de transformadores no momento em que chega ao consumidor.

Em muitos dispositivos eletrônicos, um transformador é usado para converter a tensão da fiação de distribuição em valores convenientes para os requisitos do circuito, diretamente na frequência da linha de energia ou por meio de uma fonte de alimentação comutada .

Os transformadores de sinal e áudio são usados ​​para acoplar estágios de amplificadores e para combinar dispositivos como microfones e toca- discos à entrada de amplificadores. Os transformadores de áudio permitiam que os circuitos telefônicos realizassem uma conversa bidirecional por meio de um único par de fios. Um transformador balun converte um sinal que é referenciado ao terra em um sinal que possui tensões balanceadas ao terra , como entre cabos externos e circuitos internos. Os transformadores de isolamento evitam o vazamento de corrente no circuito secundário e são usados ​​em equipamentos médicos e em canteiros de obras. Os transformadores ressonantes são usados ​​para acoplamento entre estágios de receptores de rádio ou em bobinas de Tesla de alta tensão.

Esquema de um grande transformador de potência cheio de óleo 1. Tanque 2. Tampa 3. Tanque conservador 4. Indicador de nível de óleo 5. Relé Buchholz para detectar bolhas de gás após uma falha interna 6. Tubulação 7. Comutador 8. Motor de acionamento para comutador 9. Eixo de acionamento para comutador 10. Bucha de alta tensão (HV) 11. Transformadores de corrente de bucha de alta tensão 12. Bucha de baixa tensão (LV) 13. Transformadores de corrente de baixa tensão 14. Bucha de transformador de tensão para medição 15. Núcleo 16. Garfo do núcleo 17. Os membros conectam os garfos e os seguram 18. Bobinas 19. Fiação interna entre bobinas e comutador 20. Válvula de liberação de óleo 21. Válvula de vácuo

História

Descoberta da indução

A experiência de Faraday com indução entre bobinas de fio

A indução eletromagnética , o princípio de operação do transformador, foi descoberto independentemente por Michael Faraday em 1831 e Joseph Henry em 1832. Lei de indução de Faraday :

onde é a magnitude do EMF em volts e Φ B é o fluxo magnético através do circuito em webers .

Faraday realizou experimentos iniciais sobre indução entre bobinas de fio, incluindo enrolar um par de bobinas em torno de um anel de ferro, criando assim o primeiro transformador toroidal de núcleo fechado. No entanto, ele apenas aplicou pulsos individuais de corrente em seu transformador e nunca descobriu a relação entre a relação de espiras e a EMF nos enrolamentos.

Bobina de indução, 1900, Bremerhaven, Alemanha

Bobinas de indução

Transformador de anel de Faraday

O primeiro tipo de transformador a ser amplamente utilizado foi a bobina de indução , inventada pelo Rev. Nicholas Callan do Maynooth College , na Irlanda, em 1836. Ele foi um dos primeiros pesquisadores a perceber quanto mais voltas o enrolamento secundário tem em relação ao enrolamento primário. , maior será a EMF secundária induzida. As bobinas de indução evoluíram dos esforços de cientistas e inventores para obter tensões mais altas das baterias. Como as baterias produzem corrente contínua (CC) em vez de CA, as bobinas de indução dependiam de contatos elétricos vibrantes que interrompiam regularmente a corrente no primário para criar as mudanças de fluxo necessárias para a indução. Entre as décadas de 1830 e 1870, os esforços para construir bobinas de indução melhores, principalmente por tentativa e erro, lentamente revelaram os princípios básicos dos transformadores.

Primeiros transformadores de corrente alternada

Na década de 1870, geradores eficientes que produziam corrente alternada (CA) estavam disponíveis, e descobriu-se que a CA poderia alimentar uma bobina de indução diretamente, sem um interruptor .

Em 1876, o engenheiro russo Pavel Yablochkov inventou um sistema de iluminação baseado em um conjunto de bobinas de indução onde os enrolamentos primários eram conectados a uma fonte de CA. Os enrolamentos secundários podem ser conectados a várias 'velas elétricas' (lâmpadas de arco) de seu próprio projeto. As bobinas empregadas por Yablochkov funcionavam essencialmente como transformadores.

Em 1878, a fábrica Ganz , Budapeste, Hungria, começou a produzir equipamentos para iluminação elétrica e, em 1883, já havia instalado mais de cinquenta sistemas na Áustria-Hungria. Seus sistemas de CA usavam lâmpadas de arco e incandescentes, geradores e outros equipamentos.

Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs exibiram pela primeira vez um dispositivo com um núcleo de ferro aberto chamado 'gerador secundário' em Londres em 1882, depois venderam a ideia para a empresa Westinghouse nos Estados Unidos. Eles também exibiram a invenção em Turim, Itália, em 1884, onde foi adotada para um sistema de iluminação elétrica.

Distribuição de transformadores de circuito em série inicial

Bobinas de indução com circuitos magnéticos abertos são ineficientes na transferência de energia para cargas . Até cerca de 1880, o paradigma para transmissão de energia CA de uma fonte de alta tensão para uma carga de baixa tensão era um circuito em série. Transformadores de núcleo aberto com relação próxima de 1:1 foram conectados com seus primários em série para permitir o uso de alta tensão para transmissão e baixa tensão para as lâmpadas. A falha inerente a esse método era que desligar uma única lâmpada (ou outro dispositivo elétrico) afetava a tensão fornecida a todas as outras no mesmo circuito. Muitos projetos de transformadores ajustáveis ​​foram introduzidos para compensar essa característica problemática do circuito em série, incluindo aqueles que empregam métodos de ajuste do núcleo ou desvio do fluxo magnético em torno de parte de uma bobina. Projetos de transformadores eficientes e práticos não apareceram até a década de 1880, mas dentro de uma década, o transformador seria fundamental na guerra das correntes e em ver os sistemas de distribuição AC triunfarem sobre seus equivalentes DC, uma posição na qual eles permaneceram dominantes desde sempre. desde.

Transformador de forma de concha. Esboço usado por Uppenborn para descrever as patentes de 1885 e os primeiros artigos dos engenheiros da ZBD.
Forma do núcleo, frontal; forma de concha, de volta. Os primeiros espécimes de transformadores de potencial constante de alta eficiência projetados pela ZBD fabricados na fábrica de Ganz em 1885.
A equipe ZBD era composta por Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy e Miksa Déri
Projeto 1886 de Stanley para bobinas de indução de núcleo aberto com folga ajustável

Transformadores de núcleo fechado e distribuição de energia paralela

No outono de 1884, Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy e Miksa Déri (ZBD), três engenheiros húngaros associados à Ganz Works , determinaram que os dispositivos de núcleo aberto eram impraticáveis, pois eram incapazes de regular a tensão de forma confiável. Em seus pedidos de patente conjuntos de 1885 para novos transformadores (mais tarde chamados de transformadores ZBD), eles descreveram dois projetos com circuitos magnéticos fechados onde os enrolamentos de cobre eram enrolados em torno de um núcleo de anel de fio de ferro ou cercados por um núcleo de fio de ferro. Os dois projetos foram a primeira aplicação das duas construções básicas de transformador em uso comum até hoje, denominadas "forma de núcleo" ou "forma de casca". A fábrica de Ganz também no outono de 1884 fez a entrega dos primeiros cinco transformadores CA de alta eficiência do mundo, a primeira dessas unidades foi enviada em 16 de setembro de 1884. Esta primeira unidade foi fabricada com as seguintes especificações: 1.400 W , 40 Hz, 120:72 V, 11,6:19,4 A, razão 1,67:1, monofásica, forma de invólucro.

Em ambos os projetos, o fluxo magnético que liga os enrolamentos primário e secundário viajou quase inteiramente dentro dos limites do núcleo de ferro, sem caminho intencional através do ar (veja núcleos toroidais abaixo). Os novos transformadores foram 3,4 vezes mais eficientes que os dispositivos bipolares de núcleo aberto de Gaulard e Gibbs. As patentes ZBD incluíam duas outras grandes inovações inter-relacionadas: uma sobre o uso de cargas de utilização conectadas em paralelo, em vez de conectadas em série, a outra sobre a capacidade de ter transformadores de alta relação de espiras, de modo que a tensão da rede de alimentação pudesse ser muito maior (inicialmente 1.400 a 2.000 V) do que a tensão das cargas de utilização (100 V inicialmente preferido). Quando empregados em sistemas de distribuição elétrica conectados em paralelo, os transformadores de núcleo fechado tornaram finalmente viável técnica e economicamente o fornecimento de energia elétrica para iluminação de residências, empresas e espaços públicos. Bláthy sugeriu o uso de núcleos fechados, Zipernowsky sugeriu o uso de conexões paralelas em derivação e Déri realizou os experimentos; No início de 1885, os três engenheiros também eliminaram o problema das perdas por correntes parasitas com a invenção da laminação de núcleos eletromagnéticos.

Os transformadores de hoje são projetados com base nos princípios descobertos pelos três engenheiros. Eles também popularizaram a palavra 'transformador' para descrever um dispositivo para alterar a EMF de uma corrente elétrica, embora o termo já estivesse em uso em 1882. Em 1886, os engenheiros da ZBD projetaram e a fábrica de Ganz forneceu equipamentos elétricos para o mundo primeira estação de energia que usou geradores CA para alimentar uma rede elétrica comum conectada em paralelo, a usina de energia a vapor Rome-Cerchi.

Melhorias na Westinghouse

Placas em forma de "E" para núcleos de transformadores desenvolvidas pela Westinghouse

Embora George Westinghouse tenha comprado as patentes de Gaulard e Gibbs em 1885, a Edison Electric Light Company detinha uma opção sobre os direitos dos EUA para os transformadores ZBD, exigindo que a Westinghouse buscasse projetos alternativos nos mesmos princípios. Ele atribuiu a William Stanley a tarefa de desenvolver um dispositivo para uso comercial nos Estados Unidos. O primeiro projeto patenteado de Stanley foi para bobinas de indução com núcleos simples de ferro macio e folgas ajustáveis ​​para regular a EMF presente no enrolamento secundário (veja a imagem). Este projeto foi usado comercialmente pela primeira vez nos EUA em 1886, mas a Westinghouse pretendia melhorar o projeto Stanley para torná-lo (ao contrário do tipo ZBD) fácil e barato de produzir.

Westinghouse, Stanley e associados logo desenvolveram um núcleo que era mais fácil de fabricar, consistindo de uma pilha de finas placas de ferro em forma de E isoladas por finas folhas de papel ou outro material isolante. Bobinas de cobre pré-enroladas podem então ser colocadas no lugar e placas de ferro retas colocadas para criar um circuito magnético fechado. Westinghouse obteve uma patente para o novo design de baixo custo em 1887.

Outros projetos de transformadores iniciais

Em 1889, o engenheiro russo Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desenvolveu o primeiro transformador trifásico na Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft ('General Electricity Company') na Alemanha.

Em 1891, Nikola Tesla inventou a bobina de Tesla , um transformador ressonante dual-tuned com núcleo de ar para produzir tensões muito altas em alta frequência.

Transformadores de frequência de áudio (" bobinas de repetição ") foram usados ​​pelos primeiros experimentadores no desenvolvimento do telefone .

Veja também

Notas

Referências

Bibliografia

links externos

Links gerais :