Como os transformadores funcionam

De acordo com a definição dada em Wikipedia Um transformador elétrico é um equipamento estacionário que troca energia elétrica através de um par de bobinas enroladas firmemente, por indução magnética.

Uma corrente que muda constantemente em um enrolamento de transformador gera um fluxo magnético variável que consequentemente induz uma força eletromotriz variável em uma segunda bobina construída no mesmo núcleo.

Princípio de funcionamento básico

Os transformadores trabalham basicamente transferindo energia elétrica entre um par de bobinas por indução mútua, sem depender de nenhuma forma de contato direto entre os dois enrolamentos.

Esse processo de transferência de eletricidade por indução foi testado pela lei de Faraday, no ano de 1831. De acordo com essa lei, a tensão induzida por duas bobinas é criada devido a um fluxo magnético variável que envolve a bobina.

A função fundamental de um transformador é aumentar ou diminuir uma tensão / corrente CA, em diferentes proporções, dependendo dos requisitos da aplicação. As proporções são decididas pelo número de voltas e pela proporção de voltas do enrolamento.

Analisando um transformador ideal

Podemos imaginar que um transformador ideal é um projeto hipotético que pode ser virtualmente sem qualquer perda. Além disso, esse design ideal pode ter o enrolamento primário e secundário perfeitamente compatíveis entre si.


O que significa que a união magnética entre os dois enrolamentos ocorre através de um núcleo cuja permeabilidade magnética é infinita e com indutâncias de enrolamento a uma força magnetomotiva zero total.

Sabemos que em um transformador, a corrente alternada aplicada no enrolamento primário tenta impor um fluxo magnético variável dentro do núcleo do transformador, o que também inclui o enrolamento secundário ao seu redor.

Devido a esse fluxo variável, uma força eletromotriz (CEM) é induzida no enrolamento secundário por indução eletromagnética. Isso resulta na geração de fluxo no enrolamento secundário de magnitude oposta, mas igual ao fluxo no enrolamento primário, de acordo com Lei de Lenz'z.

Como o núcleo possui permeabilidade magnética infinita, todo o fluxo magnético (100%) pode ser transferido pelos dois enrolamentos.

Isso implica que, quando o primário é submetido a uma fonte CA e uma carga é conectada aos terminais do enrolamento secundário, a corrente flui através do respectivo enrolamento nas direções indicadas no diagrama a seguir. Nesta condição, a força magnetomotiva central é neutralizada a zero.

Imagem cortesia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transformer3d_col3.svg

Nesse projeto ideal de transformador, uma vez que a transferência de fluxo através dos enrolamentos primário e secundário é de 100%, de acordo com a lei de Faraday, a tensão induzida em cada um dos enrolamentos será perfeitamente proporcional ao número de voltas do enrolamento, como é mostrado a seguir. figura:

Cálculo da taxa de rotação do transformador de acordo com a lei de Faraday

Teste o vídeo que verifica a relação linear entre a taxa de rotação primária / secundária.

TURNOS E TAXAS DE TENSÃO

Vamos tentar entender os cálculos da taxa de turnos em detalhes:

A magnitude líquida da tensão induzida do enrolamento primário para o secundário é simplesmente determinada pela razão do número de voltas enroladas nas seções primária e secundária.

No entanto, esta regra somente se aplica se o transformador estiver próximo de um transformador ideal.

Um transformador ideal é aquele que possui perdas desprezíveis na forma de efeito de pele ou corrente de Foucault.

Vamos dar o exemplo na figura 1 abaixo (para um transformador ideal).

Suponha que o enrolamento primário consiste em cerca de 10 voltas, enquanto o enrolamento secundário tem apenas um turno. Devido à indução eletromagnética, as linhas de fluxo geradas pelo enrolamento primário em resposta à entrada CA se expandem e colapsam alternadamente, cortando as 10 voltas do enrolamento primário. Isso resulta em uma quantidade proporcionalmente precisa de tensão induzida no enrolamento secundário, dependendo da taxa de rotação.

O enrolamento fornecido com a entrada CA se torna o enrolamento primário, enquanto o enrolamento complementar que produz a saída através da indução magnética do primário se torna o enrolamento secundário.

Figura 1)

Como o secundário tem apenas um turno, ele experimenta um fluxo magnético proporcional através de seu turno único em relação aos 10 turnos do primário.

Portanto, como a tensão aplicada no primário é de 12 V, cada um de seus enrolamentos passará por um contador EMF de 12/10 = 1,2 V, e essa é exatamente a magnitude da tensão que influenciaria a curva. presente apenas na seção secundária. Isso ocorre porque ele possui um único enrolamento capaz de extrair apenas a mesma quantidade equivalente de indução que pode estar disponível durante o turno do primário.

Portanto, o secundário com um único turno pode extrair 1,2 V do primário.

A explicação acima indica que o número de voltas em um transformador primário corresponde linearmente à tensão de alimentação através dele e a tensão é simplesmente dividida pelo número de voltas.

Portanto, no caso anterior, como a tensão é de 12 V e o número de voltas é 10, o contador líquido de EMF induzido em cada uma das voltas seria 12/10 = 1,2V

Exemplo 2

Agora vamos visualizar a figura 2 abaixo, ela mostra um tipo de configuração semelhante à da figura 1. aguarde o secundário que agora possui 1 turno adicional, ou seja, 2 números de turno.

Desnecessário dizer que o secundário passaria agora por duas vezes mais linhas de fluxo em comparação com a condição da Figura 1, que tinha apenas uma curva.

Portanto, o enrolamento secundário seria de 12/10 x 2 = 2,4V, porque as duas voltas seriam influenciadas por um contador de magnitude EMF que pode ser equivalente entre os dois enrolamentos no lado primário do transformador.

Portanto, a partir da discussão acima em geral, podemos concluir que em um transformador a relação entre a tensão e o número de voltas entre o primário e o secundário é bastante linear e proporcional.

Números de volta do transformador

Portanto, a fórmula derivada para calcular o número de voltas para qualquer transformador pode ser expressa como:

Es / Ep = Ns / Np

Onde,

  • Es = tensão secundária,
  • Ep = tensão primária,
  • Ns = número de voltas secundárias,
  • Np = Número de turnos primários.

Taxa de Torneamento Primário Secundário

Seria interessante notar que a fórmula acima indica uma relação direta entre a razão entre a tensão secundária e a primária e o número de voltas secundárias à primária, que são declaradas proporcionais e iguais.

Portanto, a equação acima também pode ser expressa como:

Ep x Ns = Es x Np

Posteriormente, podemos derivar a fórmula acima para resolver Es e Ep, como mostrado abaixo:

Es = (Ep x Ns) / Np

Similary,

Ep = (Es x Np) / Ns

A equação acima mostra que, se houver três quantidades disponíveis, a quarta quantidade poderá ser facilmente determinada resolvendo a fórmula.

Solução de problemas práticos de enrolamento de transformadores

Caso no ponto 1: Um transformador tem 200 número de voltas na seção primária, 50 número de voltas na secundária e 120 volts conectados através da primária (Ep). Qual poderia ser a tensão no (s) secundário (s)?

Dados:

  • Np = 200 voltas
  • Ns = 50 turnos
  • Ep = 120 volts
  • Is =? volts

Resposta:

Es = EpNs / Np

Substituindo:

É = (120V x 50 voltas) / 200 voltas

Is = 30 volts

Caso no ponto 2: Suponha que tenhamos 400 voltas de fio em uma bobina com núcleo de ferro.

Supondo que a bobina deva ser usada como enrolamento primário de um transformador, calcule o número de voltas que devem ser enroladas na bobina para adquirir o enrolamento secundário do transformador para garantir uma tensão secundária de um volt em uma situação em que a tensão primária são 5 volts?

Dados:

  • Np = 400 voltas
  • Ep = 5 volts
  • Is = 1 volts
  • Ns =? vira

Resposta:

EpNs = EsNp

Transposição para Ns:

Ns = EsNp / Ep

Substituindo:

Ns = (1V x 400 voltas) / 5 volts

Ns = 80 voltas

Ter em conta: A taxa de tensão (5: 1) é equivalente à taxa de enrolamento (400: 80). Ocasionalmente, como substituto de valores específicos, você recebe uma relação de torção ou tensão.

Em casos como esse, você pode simplesmente assumir qualquer número arbitrário para uma das tensões (ou enrolamentos) e calcular o outro valor alternativo do relacionamento.

Como ilustração, suponha que uma taxa de enrolamento seja atribuída como 6: 1, você pode imaginar um número de voltas para a seção principal e calcular o número secundário equivalente de voltas, usando proporções semelhantes a 60:10, 36: 6, 30: 5 etc.

O transformador em todos os exemplos acima leva menos voltas na seção secundária em comparação com a seção primária. Por esse motivo, você pode encontrar uma quantidade menor de tensão no secundário do transformador, e não no lado primário.

O que são transformadores de aumento e redução?

Um transformador que possui uma voltagem secundária secundária menor que a voltagem lateral primária é conhecido como transformador abaixador.

Ou, alternativamente, se a entrada CA for aplicada ao enrolamento que tiver o maior número de voltas, o transformador atuará como um transformador abaixador.

A proporção de um transformador abaixador de quatro para um é registrada como 4: 1. Um transformador que inclui menos voltas no lado primário em comparação com o lado secundário gerará uma tensão mais alta no lado secundário em comparação com a tensão. conectado no lado primário.

Um transformador que possui um lado secundário classificado acima da tensão no lado primário é conhecido como transformador STEP-UP. Ou, alternativamente, se a entrada CA for aplicada a um enrolamento que tenha menos voltas, o transformador atuará como um transformador intensivo.

A proporção de um transformador de um para quatro níveis deve ser escrita como 1: 4. Como você pode ver pelas duas proporções, a magnitude do enrolamento lateral primário é constantemente mencionada no início.

Podemos usar um transformador abaixador como transformador abaixador e vice-versa?

Sim definitivamente! Todos os transformadores operam com o mesmo princípio fundamental descrito acima. Usar um transformador de aumento como um transformador de redução simplesmente significa trocar as tensões de entrada através de seu enrolamento primário / secundário.

Por exemplo, se você tiver um transformador comum de fonte de alimentação que fornece saída de 12-0-12V a partir de uma entrada de 220V CA, você pode usar o mesmo transformador que um transformador de etapa para produzir uma saída de 220V de uma entrada de 12V CA.

Um exemplo clássico é um circuito inversor, onde os transformadores não têm nada de especial sobre eles. Todos eles operam usando os transformadores abaixadores comuns opostos conectados opostos.

Impacto da carga

Toda vez que uma carga ou dispositivo elétrico é conectado através do enrolamento secundário de um transformador, corrente ou amperagem passam pelo lado secundário do enrolamento junto com a carga.

O fluxo magnético gerado pela corrente no enrolamento secundário interage com as linhas de fluxo magnético geradas pelos amplificadores no lado primário. Este conflito entre as duas linhas de fluxo é gerado como resultado da indutância compartilhada entre os enrolamentos primário e secundário.

Fluxo mútuo

O fluxo absoluto no material do núcleo do transformador prevalece nos enrolamentos primário e secundário. Além disso, é uma maneira pela qual a energia elétrica pode migrar do enrolamento primário para o enrolamento secundário.

Devido ao fato de esse fluxo conectar os dois enrolamentos, o fenômeno geralmente conhecido como MUTUAL FLUX. Além disso, a indutância gerada por esse fluxo prevalece nos dois enrolamentos e é chamada indutância mútua.

A Figura (2) abaixo mostra o fluxo criado pelas correntes nos enrolamentos primário e secundário de um transformador cada vez que a corrente de alimentação é conectada no enrolamento primário.

Figura 2)

Sempre que o resistor de carga é conectado ao enrolamento secundário, a tensão estimulada no enrolamento secundário ativa a corrente que flui no enrolamento secundário.

Essa corrente produz um fluxo de anel ao redor do enrolamento secundário (indicado como linhas pontilhadas) que pode ser uma alternativa ao campo de fluxo ao redor do primário (lei de Lenz).

Consequentemente, o fluxo ao redor do enrolamento secundário cancela a maior parte do fluxo ao redor do enrolamento primário.

Com uma quantidade menor de fluxo ao redor do enrolamento primário, a fem reversa é cortada e mais amplificador é absorvido pelo suprimento. A corrente suplementar no enrolamento primário libera linhas de fluxo adicionais, praticamente restaurando o número inicial de linhas de fluxo absolutas.

PASSEIOS ATUAIS E RELAÇÕES

O número de linhas de fluxo produzidas no núcleo do transformador é proporcional à força de magnetização.

(EM AMPERE VOLTA) dos enrolamentos primário e secundário.

A volta em ampère (I x N) é indicativa da força motriz do magneto; pode-se entender que é a força magnetomotiva produzida por um ampere de corrente circulando em uma bobina de 1 volta.

O fluxo que está disponível no núcleo de um transformador envolve os enrolamentos primário e secundário.

Como o fluxo é idêntico para cada enrolamento, o amplificador liga cada enrolamento primário e secundário deve ser sempre o mesmo.

Por esta razão:

IpNp = IsNs

Onde:

IpNp = amperes / voltas no enrolamento primário
IsNs – amperes / voltas no enrolamento secundário

Ao dividir os dois lados da expressão por
Ip, nós obtemos:
Np / Ns = É / Ip

já que: Es / Ep = Ns / Np

Assim: Ep / Es = Np / Ns

Também: Ep / Es = É / Ip

Onde

  • Ep = tensão aplicada através do primário em volts
  • Es = tensão através do secundário em volts
  • Ip = corrente no primário em amperes
  • Is = corrente no secundário em amperes

Observe que as equações indicam que a taxa de amplificação é o inverso da taxa de enrolamento ou de torção, bem como a taxa de tensão.

Isso implica que um transformador que tem menos voltas no lado secundário em comparação com o lado primário pode reduzir a tensão, mas aumentaria a corrente. Por exemplo:

Supõe-se que um transformador tenha uma taxa de tensão de 6: 1.

Tente encontrar a corrente ou os amplificadores no lado secundário se a corrente ou o amplificador no lado primário tiver 200 miliamperes.

Suponha

Ep = 6V (como exemplo)
Is = 1V
Ip = 200mA ou 0.2Amps
Is =?

Resposta:

Ep / Es = É / Ip

Transposição para Is:

Is = EpIp / Es

Substituindo:

É = (6V x 0.2A) / 1V
Is = 1.2A

O cenário acima aborda que, apesar do fato de a tensão no enrolamento secundário ser um sexto da tensão no enrolamento primário, os amplificadores no enrolamento secundário são 6 vezes os amplificadores no enrolamento primário.

As equações acima poderiam muito bem parecer de uma perspectiva alternativa.

A taxa de enrolamento significa a soma pela qual o transformador melhora ou aumenta ou diminui a tensão conectada ao lado primário.

Apenas para ilustrar, suponha que, se o enrolamento secundário de um transformador tiver o dobro das voltas que o enrolamento primário, a tensão estimulada no lado secundário provavelmente será duas vezes a voltagem no enrolamento primário.

Caso o enrolamento secundário realize metade do número de voltas no lado primário, a tensão no lado secundário será metade da tensão no enrolamento primário.

Dito isto, a taxa de enrolamento juntamente com a taxa de amplificação de um transformador compreendem uma associação inversa.

Como resultado, um transformador de expansão 1: 2 pode ter metade do amplificador no lado secundário em comparação com o lado primário. Um transformador 2: 1 abaixador pode ter o dobro do ampère no enrolamento secundário em relação ao lado primário.

Ilustração: Um transformador com uma taxa de enrolamento de 1:12 possui 3 amperes de corrente no lado secundário. Descubra a magnitude dos amplificadores no enrolamento primário?

Dados:

Np = 1 turno (por exemplo)
Ns = 12 turnos
Is = 3Amp
Lp =?

Resposta:

Np / Ns = É / Ip

Substituindo:

Ip = (12 voltas x 3 amperes) / 1 volta

Ip = 36A

Cálculo da indutância mútua

A indução mútua é um processo no qual um enrolamento passa por uma indução EMF devido à taxa de mudança de corrente do enrolamento adjacente, levando ao acoplamento indutivo entre o enrolamento.

Em outras palavras Indutância mútua é a relação entre a fem induzida em um enrolamento e a taxa de variação de corrente no outro, conforme expresso na seguinte fórmula:

M = fem / di


FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

Status (Não Revisado)

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