Construção de Transformador

Este circuito magnético, conhecido mais comumente como “núcleo de transformador” é projetado para fornecer um caminho para o campo magnético fluir ao redor, que é necessário para a indução da tensão entre os dois enrolamentos.

No entanto, este tipo de construção de transformador onde os dois enrolamentos são enrolados em membros separados não é muito eficiente, uma vez que os enrolamentos primários e secundários estão bem separados um do outro. Isto resulta num acoplamento magnético baixo entre os dois enrolamentos, bem como em grandes quantidades de fuga de fluxo magnético do próprio transformador. Mas além desta construção em forma de “O”, existem diferentes tipos de “construção de transformadores” e desenhos disponíveis que são usados para superar estas ineficiências produzindo um transformador menor e mais compacto.

A eficiência de uma construção de transformador simples pode ser melhorada colocando os dois enrolamentos em contato estreito um com o outro, melhorando assim o acoplamento magnético. Aumentar e concentrar o circuito magnético ao redor das bobinas pode melhorar o acoplamento magnético entre os dois enrolamentos, mas também tem o efeito de aumentar as perdas magnéticas do núcleo do transformador.

Além de proporcionar uma baixa relutância ao campo magnético, o núcleo é projetado para evitar a circulação de correntes elétricas dentro do próprio núcleo de ferro. As correntes circulantes, chamadas “correntes parasitas”, causam perdas de aquecimento e energia dentro do núcleo, diminuindo a eficiência dos transformadores.

Estas perdas são devidas principalmente às tensões induzidas no circuito de ferro, que está constantemente sendo submetido à configuração de campos magnéticos alternados pela tensão de alimentação senoidal externa. Uma forma de reduzir estas perdas indesejadas de potência é construir o núcleo do transformador a partir de laminações finas de aço.

Em todos os tipos de construção de transformadores, o núcleo central de ferro é construído a partir de um material altamente permeável, feito a partir de laminações finas de aço silício. Estas laminações finas são montadas em conjunto para proporcionar o caminho magnético necessário com o mínimo de perdas magnéticas. A resistividade da própria chapa de aço é elevada, reduzindo assim qualquer perda de corrente parasita ao tornar as laminações muito finas.

Estas laminações de transformadores de aço variam em espessuras entre 0,25mm e 0,5mm e como o aço é um condutor, as laminações e os eventuais pinos de fixação, rebites ou parafusos são isolados electricamente uns dos outros por um revestimento muito fino de verniz isolante ou pelo uso de uma camada de óxido na superfície.

Transformador Construção do núcleo

Geralmente, o nome associado à construção de um transformador depende de como os enrolamentos primários e secundários são enrolados em torno do núcleo central de aço laminado. Os dois projetos mais comuns e básicos de construção de transformadores são o Transformador de núcleo fechado e o Transformador de núcleo em concha.

No transformador tipo “núcleo fechado” (core form), os enrolamentos primário e secundário são enrolados no exterior e circundam o anel do núcleo. No transformador tipo “shell” (forma shell), os enrolamentos primário e secundário passam dentro do circuito magnético (núcleo) de aço que forma um shell em torno dos enrolamentos, como mostrado abaixo.

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Construção do núcleo do transformador

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Em ambos os tipos de desenho do núcleo do transformador, o fluxo magnético que liga os enrolamentos primário e secundário viaja inteiramente dentro do núcleo, sem perda de fluxo magnético através do ar. Na construção do núcleo do transformador, uma metade de cada enrolamento é enrolada ao redor de cada perna (ou membro) do circuito magnético do transformador, como mostrado acima.

As bobinas não são dispostas com o enrolamento primário numa perna e o secundário na outra, mas em vez disso metade do enrolamento primário e metade do secundário são colocados um sobre o outro concentrados em cada perna, a fim de aumentar o acoplamento magnético, permitindo que praticamente todas as linhas magnéticas de força passem por ambos os enrolamentos primário e secundário ao mesmo tempo. No entanto, com este tipo de construção de transformadores, uma pequena percentagem das linhas magnéticas de força fluem fora do núcleo, e isto é chamado “fluxo de fuga”.

Núcleos de transformadores tipo concha superam este fluxo de fuga, uma vez que tanto os enrolamentos primário e secundário são enrolados na mesma perna ou membro central que tem o dobro da área da secção transversal dos dois membros externos. A vantagem aqui é que o fluxo magnético tem dois caminhos magnéticos fechados para fluir ao redor externo das bobinas em ambos os lados esquerdo e direito antes de retornar para as bobinas centrais.

Isto significa que o fluxo magnético que circula ao redor dos membros externos deste tipo de construção de transformador é igual a Φ/2. Como o fluxo magnético tem um caminho fechado ao redor das bobinas, isto tem a vantagem de diminuir as perdas do núcleo e aumentar a eficiência geral.

Laminações do transformador

Mas você pode estar se perguntando como os enrolamentos primários e secundários são enrolados ao redor desses núcleos de ferro ou aço laminados para este tipo de construções de transformadores. As bobinas são enroladas, em primeiro lugar, sobre um primeiro que tem uma secção transversal cilíndrica, rectangular ou oval para se adequar à construção do núcleo laminado. Tanto nas construções de transformadores tipo concha como nas de núcleo, para a montagem dos enrolamentos das bobinas, as laminações individuais são estampadas ou perfuradas a partir de chapas de aço maiores e formadas em tiras de aço fino parecidas com as letras “E “s, “L “s, “U “s e “I “s como mostrado abaixo.

Tipos de núcleo transformador

Estas laminações estampadas quando ligadas entre si formam a forma do núcleo requerido. Por exemplo, duas estampagens “E” mais duas estampagens “I” de fechamento final para dar um núcleo E-I formando um elemento de um núcleo de transformador padrão tipo concha. Estas laminações individuais são unidas entre si durante a construção dos transformadores para reduzir a relutância da caixa de ar nas juntas, produzindo uma densidade de fluxo magnético altamente saturada.

As laminações do núcleo transferidor são normalmente empilhadas alternadamente entre si para produzir uma junta sobreposta com mais pares de laminação a serem adicionados para compor a espessura correcta do núcleo. Este empilhamento alternado das laminações também dá ao transformador a vantagem de reduzir o vazamento de fluxo e as perdas de ferro. A construção de transformadores laminados com núcleo E-I é utilizada principalmente em transformadores de isolamento, transformadores step-up e step-down, bem como em transformadores automáticos.

Transformador Arranjos de Enrolamento

Transformador enrolamentos formam outra parte importante da construção de um transformador, porque são os principais condutores de corrente enrolados ao redor das seções laminadas do núcleo. Em um transformador monofásico de dois enrolamentos, dois enrolamentos estariam presentes, como mostrado. O que está ligado à fonte de tensão e cria o fluxo magnético chamado de enrolamento primário, e o segundo enrolamento chamado de secundário no qual uma tensão é induzida como resultado de indução mútua.

Se a tensão de saída secundária for menor que a tensão de entrada primária, o transformador é conhecido como “Transformador Descido”. Se a tensão secundária de saída for maior que a tensão primária de entrada, chama-se “Transformador Step-up”.

O tipo de fio utilizado como condutor principal de corrente num enrolamento de transformador é o cobre ou o alumínio. Enquanto o fio de alumínio é mais leve e geralmente menos caro que o fio de cobre, uma maior secção transversal de condutor deve ser utilizada para transportar a mesma quantidade de corrente que o cobre, por isso é utilizada principalmente em aplicações de transformadores de maior potência.

Transformadores de potência e tensão de kVA pequenos utilizados em circuitos eléctricos e electrónicos de baixa tensão tendem a utilizar condutores de cobre, uma vez que estes têm uma maior resistência mecânica e menor tamanho de condutor que os tipos equivalentes de alumínio. A desvantagem é que quando completos com seu núcleo, estes transformadores são muito mais pesados.

Os enrolamentos e bobinas de transformadores podem ser amplamente classificados em bobinas concêntricas e bobinas ensanduichadas. Na construção de transformadores do tipo núcleo, os enrolamentos são geralmente dispostos de forma concêntrica em torno do membro do núcleo, como mostrado acima, com o enrolamento primário de tensão mais alta sendo enrolado sobre o secundário de tensão mais baixa.

Sandwiched ou bobinas “pancake” consistem em condutores planos enrolados em forma de espiral e são assim denominados devido à disposição dos condutores em discos. Os discos alternados são feitos em espiral do exterior em direção ao centro num arranjo intercalado com bobinas individuais empilhadas juntas e separadas por materiais isolantes como papel de folha plástica. As bobinas sanduíche e enrolamentos são mais comuns com a construção do núcleo tipo concha.

Enrolamentos helicoidais também conhecidos como enrolamentos de parafuso são outro arranjo cilíndrico de bobinas muito comum utilizado em aplicações de transformadores de alta corrente de baixa tensão. Os enrolamentos são constituídos por grandes condutores retangulares de secção transversal enrolados lateralmente com os fios isolados enrolados em paralelo de forma contínua ao longo do comprimento do cilindro, com espaçadores adequados inseridos entre as voltas ou discos adjacentes para minimizar as correntes circulantes entre os fios paralelos. A bobina progride para o exterior como uma hélice semelhante à de um saca-rolhas.

O isolamento utilizado para evitar que os condutores entrem em curto-circuito num transformador é normalmente uma fina camada de verniz ou esmalte em transformadores arrefecidos a ar. Este verniz fino ou tinta de esmalte é pintado no fio antes de ser enrolado ao redor do núcleo.

Em transformadores de maior potência e distribuição os condutores são isolados uns dos outros usando papel ou pano impregnado de óleo. Todo o núcleo e os enrolamentos são imersos e selados em um tanque protetor contendo óleo de transformador. O óleo do transformador atua como isolante e também como refrigerante.

Orientação do ponto de transferência

Não podemos simplesmente pegar um núcleo laminado e enrolar uma das configurações da bobina ao redor dele. Podemos, mas podemos descobrir que a tensão e corrente secundária pode estar fora de fase com a da tensão e corrente primária. Os enrolamentos das duas bobinas têm uma orientação distinta de uma em relação à outra. Qualquer bobina pode ser enrolada em torno do núcleo no sentido horário ou no sentido anti-horário, de modo a manter um registro de suas orientações relativas “pontos” são usados para identificar uma determinada extremidade de cada enrolamento.

Este método de identificação da orientação ou direção de um enrolamento de transformadores é chamado de “convenção de pontos”. Em seguida, os enrolamentos de um transformador são enrolados de modo que as relações de fase corretas existam entre as tensões do enrolamento, sendo a polaridade do transformador definida como a polaridade relativa da tensão secundária em relação à tensão primária, como mostrado abaixo.

Contrução do transformador usando Orientação de Ponto

O primeiro transformador mostra seus dois “pontos” lado a lado nos dois enrolamentos. A corrente que sai do ponto secundário é “em fase”, com a corrente a entrar no ponto lateral primário. Assim, as polaridades das tensões nos extremos ponteados são também em fase, pelo que quando a tensão é positiva no extremo ponteado da bobina primária, a tensão através da bobina secundária é também positiva no extremo ponteado.

O segundo transformador mostra os dois pontos em extremos opostos dos enrolamentos, o que significa que os enrolamentos das bobinas primária e secundária dos transformadores são enrolados em sentidos opostos. O resultado disto é que a corrente que sai do ponto secundário é de 180o “fora de fase” com a corrente a entrar no ponto primário. Assim, as polaridades das tensões nos extremos pontilhados são também fora de fase, de modo que quando a tensão é positiva no extremo pontilhado da bobina primária, a tensão na bobina secundária correspondente será negativa.

Então a construção de um transformador pode ser tal que a tensão secundária pode ser “em fase” ou “fora de fase” em relação à tensão primária. Nos transformadores que têm vários enrolamentos secundários diferentes, cada um deles isolado eletricamente entre si, é importante conhecer a polaridade dos pontos dos enrolamentos secundários para que possam ser conectados em configurações de montagem em série (a tensão secundária é somada) ou de montagem em série (a tensão secundária é a diferença).

A capacidade de ajustar a relação de rotação de um transformador é muitas vezes desejável para compensar os efeitos das variações da tensão de alimentação primária, a regulação do transformador ou as variações das condições de carga. O controle da tensão do transformador é geralmente realizado alterando a relação de rotação e, portanto, a sua relação de tensão, pela qual uma parte do enrolamento primário no lado de alta tensão é extraída, permitindo um fácil ajuste. O tapping é preferido no lado de alta tensão, pois os volts por volta são mais baixos que os secundários de baixa tensão.

Transformador Mudanças de Tensão Primária

Neste exemplo simples, as mudanças de tensão primária são calculadas para uma mudança de tensão de alimentação de ±5%, mas qualquer valor pode ser escolhido. Alguns transformadores podem ter dois ou mais enrolamentos primários ou dois ou mais enrolamentos secundários para uso em diferentes aplicações, fornecendo tensões diferentes a partir de um único núcleo.

Perdas do núcleo do transformador

A capacidade do ferro ou do aço de transportar fluxo magnético é muito maior do que no ar, e esta capacidade de permitir que o fluxo magnético flua é chamada permeabilidade. A maioria dos núcleos de transformadores são construídos a partir de aços de baixo carbono que podem ter permeabilidades da ordem de 1500 em comparação com apenas 1,0 para o ar.

Isto significa que um núcleo laminado de aço pode transportar um fluxo magnético 1500 vezes melhor do que o do ar. No entanto, quando um fluxo magnético flui num núcleo de aço de um transformador, ocorrem dois tipos de perdas no aço. Um denominado “perdas de corrente parasita” e o outro denominado “perdas de histerese”.

Perdas de histerese

Perdas de histerese dos transformadores As perdas de histerese dos transformadores são causadas pelo atrito das moléculas contra o fluxo das linhas magnéticas de força necessárias para magnetizar o núcleo, que mudam constantemente de valor e direção primeiro em uma direção e depois na outra devido à influência da tensão sinusoidal de alimentação.

Este atrito molecular provoca o desenvolvimento de calor que representa uma perda de energia para o transformador. A perda excessiva de calor pode encurtar a vida útil dos materiais isolantes utilizados na fabricação dos enrolamentos e estruturas. Portanto, o resfriamento de um transformador é importante.

Tambem, os transformadores são projetados para operar com uma freqüência de alimentação particular. A diminuição da frequência da alimentação resultará em histerese aumentada e temperatura mais elevada no núcleo de ferro. Assim, reduzindo a frequência de alimentação de 60 Hertz para 50 Hertz irá aumentar a quantidade de histerese presente, diminuirá a capacidade VA do transformador.

Perdas de Corrente Foucault

Perdas de Corrente Foucault do Transformador, por outro lado, são causadas pelo fluxo de correntes circulantes induzidas no aço, causadas pelo fluxo do fluxo magnético em torno do núcleo. Essas correntes circulantes são geradas porque para o fluxo magnético o núcleo está agindo como um único laço de fio. Como o núcleo de ferro é um bom condutor, as correntes parasitas induzidas por um núcleo de ferro sólido serão grandes.

Correntes parasitas não contribuem em nada para a utilidade do transformador, mas em vez disso se opõem ao fluxo da corrente induzida, agindo como uma força negativa gerando aquecimento resistivo e perda de energia dentro do núcleo.

Laminar o núcleo de ferro

Perdas de corrente parasita dentro de um núcleo de transformador não podem ser eliminadas completamente, mas podem ser grandemente reduzidas e controladas através da redução da espessura do núcleo de aço. Em vez de ter um grande núcleo de ferro sólido como material do núcleo magnético do transformador ou bobina, o caminho magnético é dividido em muitas formas finas de aço prensado chamadas “laminações”.

As laminações utilizadas na construção de um transformador são tiras muito finas de metal isolado unidas para produzir um núcleo sólido, mas laminado, como vimos acima. Estas laminações são isoladas umas das outras por uma camada de verniz ou papel para aumentar a resistividade efectiva do núcleo, aumentando assim a resistência global para limitar o fluxo das correntes parasitas.

O resultado de todo este isolamento é que a indesejada perda de potência de corrente parasita induzida no núcleo é muito reduzida, e é por esta razão que o circuito de ferro magnético de cada transformador e outras máquinas electro-magnéticas são todos laminados. A utilização de laminações na construção de um transformador reduz as perdas de corrente parasita.

As perdas de energia, que aparecem como calor devido tanto à histerese como às correntes parasitas no caminho magnético, é comumente conhecida como “perdas do núcleo do transformador”. Uma vez que estas perdas ocorrem em todos os materiais magnéticos, como resultado de campos magnéticos alternados. As perdas do núcleo de um transformador estão sempre presentes num transformador sempre que o primário é energizado, mesmo que nenhuma carga esteja ligada ao enrolamento secundário. Também estas histereses e as perdas de corrente parasita são por vezes referidas como “perdas de ferro do transformador”, uma vez que o fluxo magnético que causa estas perdas é constante em todas as cargas.

Perdas de Cobre

Mas existe também outro tipo de perda de energia associada aos transformadores denominada “perdas de cobre”. As perdas de cobre dos transformadores são devidas principalmente à resistência elétrica dos enrolamentos primário e secundário. A maioria das bobinas dos transformadores são feitas de fio de cobre que tem resistência em Ohms, ( Ω ). Esta resistência opõe-se às correntes magnetizantes que as atravessam.

Quando uma carga é ligada aos enrolamentos secundários dos transformadores, grandes correntes eléctricas fluem tanto nos enrolamentos primários como secundários, a energia eléctrica e as perdas de potência ( ou I2 R ) ocorrem como calor. Geralmente as perdas de cobre variam com a corrente de carga, sendo quase nulas em vazio e no máximo em plena carga quando o fluxo de corrente está no máximo.

A classificação VA dos transformadores pode ser aumentada com um melhor desenho e construção do transformador para reduzir estas perdas de núcleo e cobre. Transformadores com alta tensão e corrente nominal requerem condutores de grande secção transversal para ajudar a minimizar as suas perdas de cobre. Aumentar a taxa de dissipação de calor (melhor arrefecimento) por ar ou óleo forçado, ou melhorar o isolamento dos transformadores para que resistam a temperaturas mais elevadas também pode aumentar a classificação VA dos transformadores.

Então podemos definir um transformador ideal como tendo:

• Sem perdas de histerese ou perdas de histerese → 0
• Resistividade infinita do material do núcleo dando zero perdas de corrente parasita → 0
• Resistência do enrolamento dando zero perdas de cobre I2*R → 0

No próximo tutorial sobre Transformadores veremos a Carga de Transformador do enrolamento secundário com respeito a uma carga elétrica e veremos o efeito de um “NO-carga” e um transformador “ON-load” conectado tem na corrente do enrolamento primário.