AULA 13 - Circuitos 2 - Engenharia

Transformadores

Conceitos

O transformador, ou trafo, é um dispositivo que converte a energia elétrica de um nível de tensão e corrente, a outro.

O transformador está baseado no principio de que a energia elétrica pode se transportar de uma bobina para outra, por meio de indução eletromagnética.

O transformador é constituído de duas ou mais bobinas, ou enrolamentos, e um “caminho”, ou circuito magnético, que “acopla” essas bobinas.

Bobina, nada mais é do que um fio enrolado sobre ele mesmo, reduzindo espaço e concentrando os campos eletro-magnéticos. Ao enrolarmos, chamamos cada “volta” de espira.

Existe diversos tipos de transformadores com diferentes tipos de construção, mas todos funcionam com o mesmo princípio: indução eletromagnética.

• Enrolamento primário é no qual entra a energia que vai ser transformada, lado esquerdo

do desenho.

• Enrolamento secundário é onde sai a energia que foi transformada, lado direito.
• O caminho, nesse caso, é um núcleo metálico que concentra os campos eletro-magnéticos,

o quadrado onde estão enroladas as bobinas.

Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera com base nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz, que resumidamente, dizem:

"Todo condutor quando percorrido por energia elétrica gera em torno de si, campo eletromagnético proporcional ao comprimento do condutor ou ao valor da energia utilizada."

"Todo condutor quando inserido em um campo eletro-magnético sofre a indução de energia
elétrica proporcional ao comprimento do condutor ou à intensidade desse campo."

"A tensão induzida em circuito fechado por um fluxo magnético variável produzirá uma corrente de oposição à variação do fluxo que a criou"

Observe que o gerador fornece corrente elétrica para um enrolamento, o primário, e a variação desta corrente gera o campo eletro-magnético, representado pelas setas vermelhas.

Nesse campo, e sem nenhum contato físico com o primário, introduzimos outro enrolamento, o secundário, no qual será induzida outra corrente (e outra tensão) por esse campo, que pode ser medida pelo multímetro.

Embora o fluxo magnético seja conveniente para se entender o funcionamento do transformador, ele não é usado na análise dos circuitos dos transformadores. Ao contrário, ou são usada as relações das espiras, ou as indutâncias, como será explicado.

Aplicações dos trafos

Os trafos são componentes elétricos muito importantes.

As principais aplicações dos trafos são:

• Nos sistemas de potência elétrica:
  • adequar os níveis de tensão nos sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica
  • aumentar a eficiência da transmissão.

Exemplo da necessidade do uso de trafos em sistemas de potência:

Seja um gerador com tensão terminal de 10KV e capacidade de 200 MW, e que se deseja que esta energia/potência seja transmitida para uma carga situada a uma distância de 20km. Qual seria a perda??

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Tem-se que:

Com o uso de trafos:

• Nas aplicações eletrônicas:
  • combinam as impedâncias da carga às impedâncias da fonte, para máxima transferência de potência.
  • podem acoplar amplificadores sem qualquer conexão metálica, que poderiam conduzir/propagar correntes cc.
  • isolar eletricamente circuitos de controle e eletrônica, do circuito de potência principal ("fonte")
  • podem funcionar com capacitores para filtrar sinais.

Regra da mão direita

A direção do fluxo produzido pela corrente que passa num enrolamento pode ser determinada pela regra da mão direita:

Se os dedos da mão direita envolvem um enrolamento na direção da corrente, o polegar vai apontar na direção do fluxo produzido no enrolamento, por esta corrente.

Princípio de funcionamento

• O que acontece se energizarmos a bobina 1 com uma fonte de corrente contínua??

• O que observa a bobina 2?

• O que acontece se energizarmos a bobina 1 com uma fonte de corrente alternada??

• O que observa a bobina 2?

Pela lei de indução de Faraday, surge uma tensão induzida na bobina 2 do transformador:

Se uma carga for conectada à bobina 2, uma corrente i2 circulará pela mesma.

Pela lei de Lenz, o sentido da corrente i2 é de forma a se opor à variação do fluxo magnético que a criou.

Transformador ideal

No transformador ideal, isto é, sem perdas, a resistência dos enrolamentos é desprezível.

A permeabilidade do núcleo é infinita (portanto, a corrente de magnetização é nula).

Não há dispersão.

Não há perdas no núcleo.

Equação fundamental do transformador

Considerando o trafo ideal em vazio (i2 = 0):

Desta forma, temos:

Em que a é a relação de espiras do transformador, denominada de relação de transformação.

Convenção dos pontos

O uso de pontos nos terminais dos enrolamentos, de acordo com a convenção dos pontos é um método conveniente para especificar as relações da direção dos enrolamentos.

Um terminal de cada enrolamento é ponteado, ou marcado de alguma maneira, sendo escolhidos os terminais ponteados para que as correntes que atravessam os terminais ponteados produzam fluxos que se adicionem.

Tipos de trafos

Existe uma infinidade de tipo e modelos de transformadores. Eles estão presentes na maioria dos aparelhos elétricos e eletrônicos encontrados normalmente em casa, tais como, por exemplo, computador, aparelho de som e televisor. Cabe-lhes abaixar ou aumentar a tensão da rede elétrica, de forma a alimentar de modo conveniente os vários circuitos que necessitam dela.

O mais comum é o redutor, que abaixa o valor da tensão da tomada para utilização em equipamentos de baixa potência como celulares, aparelhos de som, rádios, tv entre outros.

Com já vimos acima, o princípio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno conhecido como indução eletromagnética: quando um condutor é submetido a um campo magnético variável, seja pela ação de movimento mecânico de um imã permanente ou quando ligado em corrente alternada, aparece nele uma corrente elétrica cuja intensidade é proporcional ao valor desse campo magnético, também chamado fluxo magnético.

A relação entre as tensões no primário e no secundário, bem como as correntes, pode ser facilmente obtida: se o primário tem Np espiras e o secundário Ns, a tensão no primário (Vp) está relacionada à tensão no secundário (Vs) por:

Vp/Vs = Np/Ns

, e as correntes por Ip/Is = Ns/Np.

Desse modo um transformador ideal (que não dissipa energia), com cem espiras no primário e cinqüenta no secundário, percorrido por uma corrente de 1 ampère, sob 110 volts, fornece no secundário, uma corrente de 2 ampères sob 55 volts. Entendeu? Nada, não é? Resumindo: em um transformador onde a quantidade de fio do primário é maior que a do secundário, a tensão de saída será menor do que a entrada e vice-versa. Ao final, a potência deve ser igual. Basta lembrar que P=V.i e no caso acima teremos: No primário: 1A x 110V=110W. No secundário: 2A x 55V=110W Perdas no transformador Graças às técnicas com que são fabricados, os transformadores modernos apresentam grande eficiência, permitindo transferir ao secundário cerca de 98% da energia aplicada no primário. As perdas são devidas, entre outras coisas, às resistências dos fios de cobre nas espiras primárias e secundárias, são sob a forma de calor e não podem ser evitadas.