11

TRANSFORMADORESTRANSFORMADORES

22

Elementos de um TransformadorElementos de um Transformador

Em sua forma mais básica um transformador consiste de:

- - Enrolamento primárioEnrolamento primário..

- - Enrolamento secundárioEnrolamento secundário..

- - NúcleoNúcleo MagnéticoMagnético

33

Os enrolamentos de um transformador Os enrolamentos de um transformador são isolados eletricamente do núcleo são isolados eletricamente do núcleo

e e entre si também através de materiais entre si também através de materiais isolantes especiais. isolantes especiais.

O núcleo deve ser de um material de O núcleo deve ser de um material de alta permeabilidade magnética e de alta permeabilidade magnética e de baixa perda ôhmica. Seu formato varia baixa perda ôhmica. Seu formato varia de projeto para projeto, conforme sua de projeto para projeto, conforme sua aplicação e necessidade de isolação. aplicação e necessidade de isolação.

44

Tipos de Transformadores

• Transformadores de potência Transformadores de potência

• Transformadores de medição (corrente ou Transformadores de medição (corrente ou potencial) potencial)

• Transformadores de sinal Transformadores de sinal

55

TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA

Transformadores de potência são usados para Transformadores de potência são usados para fornecimento de tensão para vários circuitos em fornecimento de tensão para vários circuitos em equipamento elétrico.equipamento elétrico.

Estes transformadores têm dois ou mais enrolamentos Estes transformadores têm dois ou mais enrolamentos enrolados sobre um núcleo de ferro laminado.enrolados sobre um núcleo de ferro laminado.

O número de enrolamentos e de espiras por enrolamento O número de enrolamentos e de espiras por enrolamento depende da tensão que é aplicada e fornecida pelo depende da tensão que é aplicada e fornecida pelo transformadortransformador

66

TRANSFORMADOR DE MEDIÇÃO

77

São geralmente utilizados em eletrônica, trabalhando com freqüências geralmente elevadas (mais do que 60 Hz).

São trafos com características e aplicações muito específicas.

TRANSFORMADOR DE SINAIS

88

Os custos de construção e limitações de tamanho Os custos de construção e limitações de tamanho são também fatores a serem considerados. são também fatores a serem considerados. Geralmente os núcleos são construídos de ar, ferro Geralmente os núcleos são construídos de ar, ferro macio, e aço. Cada um destes materiais é satisfatório macio, e aço. Cada um destes materiais é satisfatório para algumas aplicações e inadequado para outras.para algumas aplicações e inadequado para outras.

CARACTERÍSTICAS DO NÚCLEO

A composição de um núcleo de um transformador A composição de um núcleo de um transformador depende de alguns fatores como: tensão, corrente, e depende de alguns fatores como: tensão, corrente, e freqüência.freqüência.

99

Um transformador cujo núcleo é construído de folhas Um transformador cujo núcleo é construído de folhas laminadas de aço que dissipa calor eficientemente; laminadas de aço que dissipa calor eficientemente; providenciando, assim, uma eficiente transferência de providenciando, assim, uma eficiente transferência de potência. A maioria dos transformadores que você potência. A maioria dos transformadores que você encontrará em equipamentoencontrará em equipamentoss cont contéém núcleo de aço m núcleo de aço laminado.laminado.

Estas folhas laminadas são separadas Estas folhas laminadas são separadas ppoorr um material um material de não condutor, como verniz, e então formando um de não condutor, como verniz, e então formando um núcleo. núcleo.

1010

Normalmente, transformadores de núcleo de ar são Normalmente, transformadores de núcleo de ar são usados quando a fonte de tensão tiver uma usados quando a fonte de tensão tiver uma freqüência alta (acima 20 kHz). freqüência alta (acima 20 kHz).

Transformadores de núcleo de ferro são normalmente Transformadores de núcleo de ferro são normalmente usados quando a freqüência de fonte for baixa usados quando a freqüência de fonte for baixa (abaixo de 20 kHz).(abaixo de 20 kHz).

O transformador de núcleo de ferro providencia O transformador de núcleo de ferro providencia melhor transferência de potência do que um melhor transferência de potência do que um transformador de núcleo de ar.transformador de núcleo de ar.

1111

O propósito das laminações é reduzir certas perdas. O propósito das laminações é reduzir certas perdas. Um ponto importante para se lembrar é que o núcleo Um ponto importante para se lembrar é que o núcleo do transformador mais eficiente é aquele que oferece o do transformador mais eficiente é aquele que oferece o melhor caminho para as linhas de fluxo com menos melhor caminho para as linhas de fluxo com menos perda em energia magnética e elétrica.perda em energia magnética e elétrica.

1212

TRANSFORMADOR DE NÚCLEO ENVOLVENTE

Assim nomeado porque o núcleo é amoldado com Assim nomeado porque o núcleo é amoldado com um quadrado oco no centro. Note que o núcleo é um quadrado oco no centro. Note que o núcleo é composto de muitas laminações de aço.composto de muitas laminações de aço.

1313

TRANSFORMADORES COM NÚCLEO ENVOLVIDO

O mais popular e eficiO mais popular e eficieente núcleo de transformador. nte núcleo de transformador. Como mostrado, cada camada do núcleo consiste de Como mostrado, cada camada do núcleo consiste de uma lâmina tipo “E” e uma lâmina tipo “I”. Estas uma lâmina tipo “E” e uma lâmina tipo “I”. Estas seções são amarradas individualmente. As laminações seções são amarradas individualmente. As laminações são separadas uma das outras e então apertadas para são separadas uma das outras e então apertadas para formar o núcleo.formar o núcleo.

1414

O enrolamento primário O enrolamento primário é conectado a uma fonte é conectado a uma fonte de tensão AC/ 60 hertz. de tensão AC/ 60 hertz. O campo magnético se O campo magnético se expande e se contrai no expande e se contrai no primário. A expansão e primário. A expansão e contração do campo contração do campo magnético senoidal ao magnético senoidal ao redor do primário, corta redor do primário, corta o secundário e induz o secundário e induz uma tensão alternada uma tensão alternada senoidal. senoidal.

Esta tensão causa um Esta tensão causa um fluxo de corrente alternada fluxo de corrente alternada que flui pela carga. A que flui pela carga. A tensão pode ser tensão pode ser aumentada ou diminuída aumentada ou diminuída dependendo dos requisitos dependendo dos requisitos de projeto do primário e do de projeto do primário e do secundário.secundário.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSFORMADOR PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSFORMADOR

1515

Vp - tensão aplicada ao primário, V;Vp - tensão aplicada ao primário, V;Np - número de espiras do enrolamento primário;Np - número de espiras do enrolamento primário;Ip - corrente drenada da fonte pelo enrolamento primário, A;Ip - corrente drenada da fonte pelo enrolamento primário, A;Vs - tensão que “aparece” nos terminais do secundário, V;Vs - tensão que “aparece” nos terminais do secundário, V;Ns - número de espiras do enrolamento secundário;Ns - número de espiras do enrolamento secundário;Is - Corrente induzida “entregue” à carga ligada ao secundário, A. Is - Corrente induzida “entregue” à carga ligada ao secundário, A.

1616

1717

O O TRANSFORMADOR IDEAL TRANSFORMADOR IDEAL

A curva de magnetização B-H do núcleo é linearA curva de magnetização B-H do núcleo é linear

Núcleo com permeabilidade infinita Núcleo com permeabilidade infinita

Enrolamento elétrico sem perdas (r = 0)Enrolamento elétrico sem perdas (r = 0)

Perdas no ferro nulasPerdas no ferro nulas

Não apresentam fluxo de dispersãoNão apresentam fluxo de dispersão

1818

A tensão induzida pode ser calculada por:A tensão induzida pode ser calculada por:

dt

dNe

mNf

e .

2

2

Resolvendo a derivada acima obtemos o Resolvendo a derivada acima obtemos o valor eficaz dessa tensão induzida:valor eficaz dessa tensão induzida:

Para a bobina do primário: Para a bobina do primário: Para a bobina do secundário: Para a bobina do secundário:

Npmfep ...44,4

Nsmfes ...44,4

1919

Como Como ff e e φmφm são constantes, temos a seguinte são constantes, temos a seguinte relação: relação:

Ns

Np

es

ep

Onde: Ns

Np Relação de transformação

Se α > 1 Vp > Vs Se α > 1 Vp > Vs Transformador abaixadorTransformador abaixadorSe α < 1 Vp < Vs Se α < 1 Vp < Vs Transformador elevadorTransformador elevador

2020

Em um transformador ideal temos:Em um transformador ideal temos:

IsVsIpVp .. Ip

Is

Vs

Vp

SSprimário primário = S= Ssecundáriosecundário

2121

Com o interruptor Com o interruptor aberto e uma aberto e uma tensão ac aplicada tensão ac aplicada o primário, há, o primário, há, porém, uma porém, uma corrente muito corrente muito pequena chamada pequena chamada de corrente de de corrente de excitação fluindo excitação fluindo no primário. no primário.

Essencialmente, o que a corrente de excitação faz é Essencialmente, o que a corrente de excitação faz é "excitar" o enrolamento do primário e criar um campo "excitar" o enrolamento do primário e criar um campo magnético.magnético.

2222

A quantidade de corrente de excitação é determinada A quantidade de corrente de excitação é determinada através de três fatores:através de três fatores:

(3) a X(3) a XLL que é dependente da freqüência da corrente que é dependente da freqüência da corrente

de excitação.de excitação.

(1) a quantia de tensão aplicada (V(1) a quantia de tensão aplicada (V11))

(2) a resistência (R) do fio do enrolamento do (2) a resistência (R) do fio do enrolamento do primário e perdas no núcleo, eprimário e perdas no núcleo, e

Estes dois últimos fatores são controlados através Estes dois últimos fatores são controlados através de projeto do transformador.de projeto do transformador.

2323

Uma pequena quantia de energia é usada para Uma pequena quantia de energia é usada para superar as perdas de resistência no fio e no núcleo superar as perdas de resistência no fio e no núcleo que são dissipadas na forma de calor (perda de que são dissipadas na forma de calor (perda de potência).potência).

A maioria da energia de excitação é usada para A maioria da energia de excitação é usada para manter o campo magnético do primário.manter o campo magnético do primário.

Esta pequena corrente de excitação têm duas Esta pequena corrente de excitação têm duas funções:funções:

2424

Quando um dispositivo de carga é conectado no Quando um dispositivo de carga é conectado no enrolamento secundário de um transformador, a enrolamento secundário de um transformador, a corrente flui pelo secundário e pela carga. corrente flui pelo secundário e pela carga.

O campo magnético produzido pela corrente no O campo magnético produzido pela corrente no secundário interage com o campo magnético secundário interage com o campo magnético produzido pela corrente no primário. produzido pela corrente no primário.

Esta interação resulta numa indutância mútua entre Esta interação resulta numa indutância mútua entre os enrolamentos primários e secundários.os enrolamentos primários e secundários.

2525

O Fluxo Total no núcleo do transformador é comum O Fluxo Total no núcleo do transformador é comum aos enrolamentos primário e secundário. aos enrolamentos primário e secundário.

É também o meio pelo qual é transferida a energia do É também o meio pelo qual é transferida a energia do enrolamento primário para o enrolamento secundário. enrolamento primário para o enrolamento secundário.

Considerando que este fluxo interage com ambos os Considerando que este fluxo interage com ambos os enrolamentos, este é chamado FLUXO MÚTUOenrolamentos, este é chamado FLUXO MÚTUO

A indutância que produz este fluxo é também comum A indutância que produz este fluxo é também comum aos enrolamentos, e é chamada INDUTÂNCIA MÚTUA.aos enrolamentos, e é chamada INDUTÂNCIA MÚTUA.

O transformador real

No transformador real os fluxos dispersos, no primário e no secundário, são considerados, produzindo uma reatância primária, XLp e secundária, XLs, respectivamente.

Além disso, no trafo real, as resistências dos enrolamentos também são consideradas, sendo Rp a resistência do primário e Rs a resistência do secundário.

Essas resistências somadas às reatâncias produzem quedas de tensão internas no transformador

Impedância interna do primário: LPPP jXRZ

Impedância interna do secundário: LSSS jXRZ

PP IZ . queda de tensão interna do enrolamento do primário

SS IZ . queda de tensão interna do enrolamento do secundário

PPPP IZVE .

Assim as tensões induzidas do primário e do secundário serão:

VP > EP

SSSS IZVE . VS < ES