Características principais do transformador

Características externas do transformador

Sabe-se que a tensão nos terminais do enrolamento secundário transformador depende da corrente de carga conectada a essa bobina. Essa dependência é chamada de característica externa do transformador.

A característica externa do transformador é removida a uma tensão de alimentação constante, quando com uma mudança na carga, de fato com uma mudança na corrente de carga, a tensão nos terminais do enrolamento secundário, ou seja, a tensão secundária de um transformador também muda.

Esse fenômeno é explicado pelo fato de que na resistência do enrolamento secundário, com uma mudança na resistência da carga, a queda de tensão também muda e, devido à mudança na queda de tensão na resistência do enrolamento primário, o EMF de o enrolamento secundário muda de acordo.

Como a equação de equilíbrio EMF no enrolamento primário contém quantidades vetoriais, a tensão no enrolamento secundário depende tanto da corrente de carga quanto da natureza dessa carga: se é ativa, indutiva ou capacitiva.

A natureza da carga é evidenciada pelo valor do ângulo de fase entre a corrente através da carga e a tensão através da carga. Basicamente, você pode inserir um fator de carga que mostrará quantas vezes a corrente de carga difere da corrente nominal para um determinado transformador:

Para calcular com precisão as características externas do transformador, pode-se recorrer a um circuito equivalente, no qual, alterando a resistência da carga, pode-se fixar a tensão e a corrente do enrolamento secundário.

No entanto, a seguinte fórmula se mostra útil na prática, onde a tensão de circuito aberto e a "mudança de tensão secundária", que é medida em porcentagem, são substituídas e calculadas como a diferença aritmética entre a tensão de circuito aberto e a tensão em uma determinada carga como uma porcentagem da tensão de circuito aberto:

A expressão para encontrar a «mudança de tensão secundária» é obtida com certas suposições do circuito equivalente do transformador:

Os valores dos componentes reativos e ativos da tensão de curto-circuito são inseridos aqui. Esses componentes de tensão (ativos e reativos) são encontrados pelos parâmetros do circuito equivalente ou encontrados experimentalmente em experiência de curto-circuito.

A experiência do curto-circuito revela muito sobre o transformador.A tensão de curto-circuito é encontrada como a relação entre a tensão de curto-circuito experimental e a tensão primária nominal. O parâmetro "tensão de curto-circuito" é especificado em porcentagem.

No decorrer do experimento, o enrolamento secundário é curto-circuitado com o transformador, enquanto uma tensão é aplicada ao primário muito menor que a nominal, de forma que a corrente de curto-circuito seja igual ao valor nominal. Aqui, a tensão de alimentação é equilibrada pela queda de tensão nos enrolamentos, e o valor da tensão reduzida aplicada é considerado como a queda de tensão equivalente nos enrolamentos em uma corrente de carga igual ao valor nominal.

Para transformadores de baixa potência e para transformadores de potência, o valor da tensão de curto-circuito está na faixa de 5% a 15%, sendo que quanto mais potente o transformador, menor esse valor. O valor exato da tensão de curto-circuito é fornecido na documentação técnica de um transformador específico.

A figura mostra as características externas construídas de acordo com as fórmulas acima. Podemos ver que os gráficos são lineares, isso porque a tensão secundária não depende fortemente do fator de carga devido à resistência relativamente baixa do enrolamento e ao campo magnético de operação fluxo depende pouco da carga.

A figura mostra que o ângulo de fase, dependendo da natureza da carga, afeta se a característica diminui ou aumenta. Com uma carga ativa ou ativo-indutiva, a característica cai, com uma carga ativo-capacitiva pode aumentar e, então, o segundo termo na fórmula para "mudança de tensão" torna-se negativo.

Para transformadores de baixa potência, o componente ativo geralmente cai mais do que o indutivo, de modo que a característica externa com uma carga ativa é menos linear do que com uma carga ativo-indutiva. Para transformadores mais potentes é o contrário, portanto a característica de carga ativa será mais rigorosa.

Eficiência do transformador

A eficiência do transformador é a relação entre a energia elétrica útil fornecida à carga e a energia elétrica ativa consumida pelo transformador:

A potência consumida pelo transformador é a soma da potência consumida pela carga e as perdas de potência diretamente no transformador. Além disso, a potência ativa está relacionada à potência total da seguinte forma:

Como a tensão de saída do transformador geralmente é pouco dependente da carga, o fator de carga pode ser relacionado à potência aparente nominal da seguinte forma:

E a potência consumida pela carga no circuito secundário:

As perdas elétricas na carga de magnitude arbitrária podem ser expressas, levando em consideração as perdas na carga nominal, pelo fator de carga:

As perdas nominais de carga são determinadas com muita precisão pela potência consumida pelo transformador no experimento de curto-circuito, e as perdas de natureza magnética são iguais à potência sem carga consumida pelo transformador. Esses componentes de perda são fornecidos na documentação do transformador. Assim, se considerarmos os fatos acima, a fórmula de eficiência assumirá a seguinte forma:

A figura mostra a dependência da eficiência do transformador com a carga.Quando a carga é zero, a eficiência é zero.

À medida que o fator de carga aumenta, a potência fornecida à carga também aumenta, as perdas magnéticas permanecem inalteradas e a eficiência, que é fácil de ver, aumenta linearmente. Em seguida, vem o valor ótimo do fator de carga, onde a eficiência atinge seu limite, neste ponto é obtida a eficiência máxima.

Depois de ultrapassar o fator de carga ótimo, a eficiência começa a diminuir gradualmente. Isso ocorre porque as perdas elétricas aumentam, elas são proporcionais ao quadrado da corrente e, consequentemente, ao quadrado do fator de carga. A eficiência máxima para transformadores de alta potência (a potência é medida em unidades de kVA ou mais) está na faixa de 98% a 99%, para transformadores de baixa potência (menos de 10 VA) a eficiência pode ficar em torno de 60%.

Como regra, na fase de projeto, eles tentam fabricar transformadores de forma que a eficiência atinja seu valor máximo em um fator de carga ideal de 0,5 a 0,7; Com redução fator de potência (cosseno phi) da carga conectada ao enrolamento secundário, a potência de saída também diminui, enquanto as perdas elétricas e magnéticas permanecem inalteradas, portanto, a eficiência neste caso diminui.

O modo ideal de operação do transformador, ou seja, modo nominal, geralmente são definidos de acordo com as condições de operação sem problemas e de acordo com o nível de aquecimento permitido durante um determinado período de operação.Esta é uma condição extremamente importante para que o transformador, mesmo entregando a potência nominal operando no modo nominal, não sofra superaquecimento.