Tipos de transformadores
Um transformador é um dispositivo eletromagnético estático contendo duas a várias bobinas localizadas em um circuito magnético comum e, portanto, conectadas indutivamente umas às outras. Ele serve como um transformador para converter energia elétrica de corrente alternada por meio de indução eletromagnética sem alterar a frequência da corrente. Os transformadores são usados tanto para conversão de tensão CA quanto para Isolamento galvânico em diversas áreas da engenharia elétrica e eletrônica.
Para ser justo, notamos que, em alguns casos, o transformador pode conter apenas um enrolamento (autotransformador) e o núcleo pode estar completamente ausente (HF - transformador), mas a maioria dos transformadores possui um núcleo (circuito magnético) feito de material ferromagnético magnético macio, e duas ou mais fitas isoladas ou bobinas de fio cobertas por um fluxo magnético comum, mas primeiro em primeiro lugar. Vejamos quais são os tipos de transformadores, como são organizados e para que são usados.
Transformador
Este tipo de transformadores de baixa frequência (50-60 Hz) é utilizado em redes elétricas, bem como em instalações de receção e conversão de energia elétrica. Por que se chama poder? Porque é este tipo de transformador que é utilizado para fornecer e receber eletricidade de e de linhas de transmissão, onde a tensão pode chegar a 1150 kV.
Nas redes elétricas urbanas, a tensão chega a 10 kV. exatamente através poderosos transformadores de baixa frequência a tensão também cai para os 0,4 kV, 380/220 volts exigidos pelos consumidores.
Estruturalmente, um transformador de potência típico pode conter dois, três ou mais enrolamentos dispostos em um núcleo de aço elétrico blindado, com alguns dos enrolamentos de baixa tensão alimentados em paralelo (transformador de enrolamento dividido).
Isso é útil para aumentar a tensão recebida de vários geradores simultaneamente. Como regra, o transformador de potência é colocado em um tanque com óleo de transformador e, no caso de espécimes particularmente potentes, é adicionado um sistema de resfriamento ativo.
Transformadores de potência trifásicos com capacidade de até 4.000 kVA são instalados em subestações e usinas. Os trifásicos são mais comuns, pois as perdas são obtidas até 15% menos do que com três monofásicos.
transformador de rede
Nas décadas de 1980 e 1990, os transformadores de linha podiam ser encontrados em quase todos os aparelhos elétricos. Com a ajuda de um transformador de rede (geralmente monofásico), a tensão de uma rede doméstica de 220 volts com frequência de 50 Hz é reduzida ao nível exigido por um aparelho elétrico, por exemplo, 5, 12, 24 ou 48 volts.
Os transformadores de linha geralmente são feitos com vários enrolamentos secundários para que várias fontes de tensão possam ser usadas para alimentar diferentes partes do circuito. Em particular, transformadores TN (transformador incandescente) sempre poderiam (e ainda podem) ser encontrados em circuitos onde válvulas de rádio estão presentes.
Os transformadores de linha modernos são construídos em núcleos em forma de W, em forma de haste ou toroidais de um conjunto de placas de aço elétricas nas quais as bobinas são enroladas. A forma toroidal do circuito magnético permite obter um transformador mais compacto.
Se compararmos transformadores com a mesma potência total de núcleos toroidais e em forma de W, o toroidal ocupará menos espaço, além disso, a superfície do circuito magnético toroidal é totalmente coberta pelos enrolamentos, não há jugo vazio, como é o caso com núcleos blindados em forma de W ou em forma de bastão. A rede elétrica inclui, em particular, transformadores de soldagem com potência de até 6 kW. Os transformadores de rede são, obviamente, classificados como transformadores de baixa frequência.
Autotransformador
Um tipo de transformador de baixa frequência é um autotransformador no qual o enrolamento secundário faz parte do primário ou o primário faz parte do secundário. Ou seja, no autotransformador, os enrolamentos são conectados não apenas magneticamente, mas também eletricamente. Vários condutores são feitos de uma bobina e permitem que você obtenha diferentes tensões de apenas uma bobina.
A principal vantagem do autotransformador é seu menor custo, pois utiliza menos fio para os enrolamentos, menos aço para o núcleo e, como resultado, o peso é menor que o de um transformador convencional.A desvantagem é a falta de isolamento galvânico das bobinas.
Os autotransformadores são usados em dispositivos de controle automático e também são amplamente utilizados em redes elétricas de alta tensão. Os autotransformadores trifásicos com conexão delta ou estrela em redes elétricas estão em grande demanda hoje.
Os autotransformadores de potência estão disponíveis em capacidades de até centenas de megawatts. Os autotransformadores também são usados para dar partida em motores CA potentes. Autotransformadores são particularmente úteis para baixas taxas de transformação.
Autotransformador de laboratório
Um caso especial de um autotransformador é um autotransformador de laboratório (LATR). Ele permite que você ajuste suavemente a tensão fornecida ao usuário. O projeto do LATR é transformador toroidal com um único enrolamento que possui uma "trilha" não isolada de volta a volta, ou seja, é possível conectar a cada uma das voltas do enrolamento. O contato da esteira é fornecido por uma escova de carvão deslizante que é controlada por um botão giratório.
Assim, você pode obter a tensão efetiva com diferentes magnitudes na carga. Unidades monofásicas típicas permitem aceitar tensões de 0 a 250 volts e trifásicas - de 0 a 450 volts. LATRs com potência de 0,5 a 10 kW são muito populares em laboratórios para fins de ajuste de equipamentos elétricos.
transformador de corrente
transformador de corrente é chamado de transformador cujo enrolamento primário está conectado a uma fonte de corrente e o enrolamento secundário a dispositivos de proteção ou medição que possuem baixa resistência interna. O tipo mais comum de transformador de corrente é um transformador de corrente de instrumento.
O enrolamento primário do transformador de corrente (geralmente apenas uma volta, um fio) é conectado em série no circuito no qual você deseja medir a corrente alternada. Acontece que a corrente do enrolamento secundário é proporcional à corrente do primário, enquanto o enrolamento secundário deve necessariamente ser carregado, porque, caso contrário, a tensão do enrolamento secundário pode ser alta o suficiente para quebrar o isolamento. Além disso, se o enrolamento secundário do TC abrir, o circuito magnético simplesmente queimará com as correntes não compensadas induzidas.
A construção do transformador de corrente é um núcleo feito de aço elétrico laminado a frio de silício laminado no qual um ou mais enrolamentos secundários isolados são enrolados. O enrolamento primário geralmente é simplesmente um barramento ou fio com uma corrente medida passada pela janela do circuito magnético (a propósito, esse princípio é usado por alicate amperímetro).A principal característica de um transformador de corrente é a relação de transformação, por exemplo 100/5 A.
Os transformadores de corrente são amplamente utilizados para medição de corrente e em circuitos de proteção de relés. Eles são seguros porque os circuitos medidos e secundários são isolados galvanicamente um do outro. Normalmente, os transformadores de corrente industriais são fabricados com dois ou mais grupos de enrolamentos secundários, um dos quais é conectado a dispositivos de proteção e o outro a um dispositivo de medição, como medidores.
transformador de pulso
Em quase todas as fontes de alimentação modernas, em vários inversores, em máquinas de solda e em outros conversores elétricos de potência e baixa potência, são utilizados transformadores de pulso.Hoje, os circuitos de pulso substituíram quase completamente os transformadores pesados de baixa frequência por núcleos de aço laminado.
Um transformador de pulso típico é um transformador de núcleo de ferrite. A forma do núcleo (circuito magnético) pode ser completamente diferente: anel, haste, copo, forma de W, forma de U. A vantagem das ferritas sobre o aço do transformador é óbvia - os transformadores baseados em ferrita podem operar em frequências de até 500 kHz ou mais.
Como o transformador de pulso é um transformador de alta frequência, suas dimensões são reduzidas significativamente à medida que a frequência aumenta. Menos fio é necessário para os enrolamentos e a corrente de campo é suficiente para obter uma corrente de alta frequência no loop primário, IGBT ou um transistor bipolar, às vezes vários, dependendo da topologia do circuito da fonte de alimentação pulsada (para frente — 1, push-pull — 2, meia ponte — 2, ponte — 4).
Para ser justo, notamos que, se for usado um circuito de alimentação reversa, o transformador é essencialmente uma bobina dupla, pois os processos de acúmulo e liberação de eletricidade no circuito secundário são separados no tempo, ou seja, não ocorrem simultaneamente, portanto, com o circuito de controle do flyback, ainda é um indutor, mas não um transformador.
Circuitos de pulso com transformadores e bobinas de ferrite são encontrados em todos os lugares hoje, desde reatores de lâmpadas economizadoras de energia e carregadores de vários dispositivos até máquinas de solda e inversores poderosos.
Transformador de corrente de pulso
Para medir a magnitude e (ou) a direção da corrente em circuitos de impulso, os transformadores de corrente de impulso são frequentemente usados, que são um núcleo de ferrite, geralmente em forma de anel (toroidal), com um enrolamento.Um fio é passado através do anel do núcleo, cuja corrente deve ser examinada, e a própria bobina é carregada em um resistor.
Por exemplo, o anel contém 1.000 voltas de fio, então a proporção das correntes do primário (fio rosqueado) e do enrolamento secundário será de 1.000 para 1. Se o enrolamento do anel for carregado em um resistor de valor conhecido, então a tensão medida através dele será proporcional à corrente da bobina, o que significa que a corrente medida é 1000 vezes a corrente através deste resistor.
A indústria produz transformadores de corrente de impulso com diferentes taxas de transformação. O projetista só precisa conectar um resistor e um circuito de medição a esse transformador. Se você quiser saber a direção da corrente, não sua magnitude, o enrolamento do transformador de corrente é simplesmente carregado por dois diodos zener opostos.
Comunicação entre máquinas elétricas e transformadores
Os transformadores elétricos estão sempre incluídos nos cursos de máquinas elétricas estudados em todas as especialidades de engenharia elétrica das instituições de ensino. Em essência, um transformador elétrico não é uma máquina elétrica, mas um aparelho elétrico, uma vez que não há partes móveis, cuja presença é característica de qualquer máquina como tipo de mecanismo. Por isso, os cursos mencionados, em para evitar mal-entendidos, devem ser chamados de "cursos de máquinas elétricas e transformadores elétricos".
A inclusão de transformadores em todos os cursos de máquinas elétricas ocorre por dois motivos.Uma é de origem histórica: as mesmas fábricas que fabricavam máquinas elétricas CA também construíam transformadores, porque a mera presença de transformadores dava às máquinas CA uma vantagem sobre as máquinas CC, o que acabou levando à sua predominância na indústria. E agora é impossível imaginar uma grande instalação CA sem transformadores.
Porém, com o desenvolvimento da produção de máquinas e transformadores de corrente alternada, tornou-se necessário concentrar a produção de transformadores em fábricas de transformadores especiais. O fato é que, devido à possibilidade de transmitir corrente alternada por meio de transformadores a longas distâncias, o aumento da tensão mais alta dos transformadores foi muito mais rápido do que o aumento da tensão das máquinas elétricas de corrente alternada.
No atual estágio de desenvolvimento das máquinas elétricas de corrente alternada, a tensão racional mais alta para elas é de 36 kV. Ao mesmo tempo, a tensão mais alta nos transformadores elétricos realmente implementados atingiu 1150 kV. Tais altas tensões de transformadores e sua operação em linhas de energia aéreas expostas a raios levaram a problemas de transformadores muito específicos que são estranhos ao maquinário elétrico.
Isso levou à produção de problemas tecnológicos tão diferentes dos problemas tecnológicos da engenharia elétrica que a separação dos transformadores em produção independente tornou-se inevitável. Assim, o primeiro motivo – a conexão industrial que aproximava os transformadores das máquinas elétricas – desapareceu.
A segunda razão é de natureza fundamental e consiste no fato de que os transformadores elétricos utilizados na prática, assim como as máquinas elétricas, são baseados em o princípio da indução eletromagnética (lei de Faraday), — permanece um vínculo inabalável entre eles. Ao mesmo tempo, para entender muitos fenômenos em máquinas de corrente alternada, um conhecimento dos processos físicos que ocorrem em transformadores é absolutamente necessário e, além disso, a teoria de uma grande classe de máquinas de corrente alternada pode ser reduzida à teoria de transformadores, facilitando assim sua consideração teórica.
Portanto, na teoria das máquinas de corrente alternada, a teoria dos transformadores ocupa um lugar forte, do qual, no entanto, não se segue que os transformadores possam ser chamados de máquinas elétricas. Além disso, deve-se ter em mente que os transformadores têm uma definição de meta e um processo de conversão de energia diferentes das máquinas elétricas.
O objetivo de uma máquina elétrica é converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou, inversamente, energia elétrica em energia mecânica (motor), enquanto em um transformador estamos lidando com a conversão de um tipo de energia elétrica de corrente alternada em energia elétrica alternada energia elétrica atual. corrente de um tipo diferente.