Os transformadores são os equipamentos mais reconhecidos em sistemas de potência. São grandes, distintos, simples em princípio, mas requerem muita manutenção, o que os faz parecer muito mais substanciais do que os “cabos”. No diagrama da rede elétrica, os transformadores são como nós do backbone, enquanto outros equipamentos servem como suas conexões.

Este artigo apresentará os componentes, princípios, funções, classificação e cenários de aplicação dos transformadores.

1.Composição de um Transformador

Um transformador consiste principalmente em um núcleo e enrolamentos.

O núcleo serve como caminho do circuito magnético do transformador, enquanto os enrolamentos são a parte do circuito elétrico, feita enrolando um certo número de voltas de fio-revestido de esmalte.

Aquele conectado à fonte de energia é chamado de enrolamento primário, também conhecido como bobina primária. Aquele conectado à carga é chamado de enrolamento secundário, também conhecido como bobina secundária, ou enrolamento lateral secundário.

As formas básicas de estruturas principais são o tipo de núcleo em forma de coração-e o tipo de shell.

• Transformador central-em forma de coração

As colunas de um transformador do tipo-núcleo são cercadas por enrolamentos. Simplificando, os enrolamentos circundam o núcleo, tornando a estrutura relativamente simples e mais fácil de montar e isolar, e é por isso que os transformadores geralmente usam uma estrutura do tipo-núcleo.

• Transformador-tipo Shell

Em um transformador-do tipo shell, o núcleo envolve o enrolamento. Os transformadores do tipo Shell-têm alta resistência mecânica e cantos salientes, mas seu processo de fabricação é complexo e requer mais materiais. Eles geralmente são usados ​​apenas em transformadores de baixa-tensão, alta-corrente ou transformadores de potência de pequena-capacidade.

2.Princípio Básico de Funcionamento de um Transformador

Um transformador opera com base no princípio da indução eletromagnética.

Quando uma fonte de alimentação CA adequada é conectada a ambas as extremidades do enrolamento primário, sob a ação da tensão de alimentação u₁, uma corrente CA i₀ flui através do enrolamento primário, gerando uma força magnetomotriz no enrolamento primário. Isso excita um fluxo magnético alternado ϕ no núcleo. Este fluxo alternado ϕ liga os enrolamentos primário e secundário. De acordo com a lei da indução eletromagnética, forças eletromotrizes induzidas e₁e e₂são gerados nos enrolamentos primário e secundário, respectivamente. Sob a influência da força eletromotriz induzida e₂, o enrolamento secundário pode fornecer energia à carga, conseguindo a transferência de energia.

A razão das forças eletromotrizes induzidas nos enrolamentos primário e secundário é igual à razão do número de voltas nos enrolamentos primário e secundário. A magnitude da força eletromotriz induzida e₁no lado primário está próximo da tensão aplicada u₁no lado primário, enquanto a magnitude da força eletromotriz induzida e₂no lado secundário está próximo da tensão de saída u₂no lado secundário.

Portanto, simplesmente alterando o número de voltas no enrolamento primário ou secundário uma ou duas vezes, a tensão de saída u₂pode ser ajustado. Este é o princípio básico de funcionamento de um transformador, que usa o princípio da indução eletromagnética para converter uma fonte de energia CA de um nível de tensão em uma fonte de energia CA da mesma frequência, mas com um nível de tensão diferente.

2. Funções básicas de um transformador

As funções básicas de um transformador incluem conversão de tensão, conversão de corrente, conversão de impedância, isolamento e regulação de tensão.

Transformação de Tensão: Os transformadores podem aumentar ou diminuir a tensão da corrente alternada para atender a diferentes necessidades de eletricidade. Por exemplo, um transformador-redutor é usado para aumentar a tensão de uma usina de energia para reduzir a perda de energia durante a transmissão, enquanto um transformador-redutor é usado para reduzir a alta tensão para uma tensão de uso segura.

Transformação de corrente: Ao alterar a tensão, um transformador também altera a corrente de forma correspondente. De acordo com a lei da conservação da potência, quando a tensão aumenta, a corrente diminui e vice-versa. Essa característica torna os transformadores muito importantes na transmissão de energia, pois podem gerenciar com eficácia as cargas de corrente.

Transformação de impedância: Os transformadores podem alterar a impedância de um circuito, tornando-o mais adequado para diferentes condições de carga. Isto é especialmente importante em equipamentos de áudio e outros dispositivos eletrônicos, pois pode melhorar a eficiência da transmissão do sinal.

Isolamento: Os transformadores podem fornecer isolamento elétrico, protegendo a segurança dos equipamentos e usuários. Esse isolamento pode evitar que a alta tensão danifique equipamentos-de baixa tensão, garantindo a operação segura do equipamento.

Regulação de Tensão: Certos tipos de transformadores (como reatores saturáveis) podem ser usados ​​para regulação de tensão, ajudando a manter a estabilidade da tensão e garantindo a confiabilidade e estabilidade do sistema de energia.

4.Classificação de Transformadores

4.1Classificado por capacidade

• Transformador pequeno: tensão abaixo de 10KV, capacidade entre 1 e 500KVA.

• Transformadores de-pequeno e médio porte: tensão de 35 kV e inferior, capacidade de 630 a 6300 kVA.

• Grandes transformadores: tensão de 110 kV e inferior, capacidade entre 8.000 e 63.000 kVA.

4.2 Classificado por Uso

• Transformador de potência: Usado para aumentar, diminuir, distribuir e interconectar em sistemas de transmissão e distribuição de energia, ou usado especificamente como transformadores para usinas de energia e subestações.

• Transformadores de instrumentos: como transformadores de tensão e transformadores de corrente, utilizados para instrumentos de medição e dispositivos de proteção de relés.

• Transformador de potência: utilizado para controle de alimentação, iluminação e indicadores de equipamentos mecânicos em geral.

• Transformador eletrônico: usado em circuitos eletrônicos, como fontes de alimentação-comutadas, áudio, pulso e correspondência de impedância.

• Transformador de teste: capaz de gerar alta tensão para realizar testes de alta-tensão em equipamentos elétricos.

• Transformadores especiais: como transformadores de fornos elétricos, transformadores retificadores, transformadores reguladores de tensão, etc.

4.3Classificado pelo número de fases dos enrolamentos do transformador

• Transformador-monofásico: usado para cargas-monofásicas e bancos de transformadores-trifásicos.

• Transformador-trifásico: usado para aumentar ou diminuir a tensão em sistemas-trifásicos.

4.4 Classificado pelo Método de Resfriamento do Transformador

• Transformador-do tipo seco: resfriado por convecção de ar, geralmente usado para transformadores-de pequena capacidade, como iluminação local e circuitos eletrônicos.

• Transformador-imerso em óleo: um transformador que usa óleo de transformador como meio isolante e de resfriamento, com o núcleo e os enrolamentos completamente imersos no óleo isolante.

4.5 Classificado pelo tipo de conexão do enrolamento do transformador

• Transformador de-enrolamento duplo: usado para conectar dois níveis de tensão no sistema de energia.

• Transformador de três{0}}enrolamentos: geralmente usado em subestações regionais do sistema de energia para conectar três níveis de tensão.

• Autotransformador: Os enrolamentos primário e secundário são combinados em um, usado para conectar sistemas de energia de diferentes tensões. Ele também pode ser usado como um transformador elevador-regular ou redutor-regular.

4.6 Classificado pela Frequência Operacional do Transformador

• Transformador de frequência de potência: sua frequência de operação é 50Hz ou 60Hz.
• Transformador de frequência intermediária: sua frequência de operação é de 400–1000Hz.
• Transformador de frequência de áudio: sua frequência de operação é de 20 Hz a 20 kHz.

• Transformador de frequência supersônico: Sua frequência de operação é superior a 20 kHz, geralmente não ultrapassando 100 kHz.

• Transformador-de alta frequência: um transformador com frequência operacional variando de 20 Hz a mais de 100 kHz.

5. Cenários de aplicação de transformadores

5.1 Sistema de Energia

• Usinas de energia: os transformadores são usados ​​para aumentar a tensão gerada pelos geradores para transmissão à rede elétrica, permitindo a transmissão de eletricidade-de longa distância.

• Subestações: nas subestações, os transformadores convertem eletricidade de alta-tensão em eletricidade de baixa-tensão para atender às necessidades de diversos equipamentos elétricos. Ao mesmo tempo, os transformadores também podem desempenhar funções como compensação de potência reativa e ajuste de tensão, garantindo a operação estável do sistema de energia.

• Linhas de transmissão: nas linhas de transmissão, transformadores são usados ​​para aumentar a tensão e reduzir a perda de energia, alcançando uma transmissão eficiente de eletricidade-de longa distância.

5.2 Setor Civil

• Eletricidade doméstica: os transformadores de energia convertem eletricidade de alta-tensão em eletricidade de baixa-tensão adequada para uso doméstico, garantindo o consumo normal de eletricidade para os residentes.

• Carregar baterias: Seja um laptop, telefone ou veículo elétrico, esses dispositivos requerem baterias para funcionar, e carregar as baterias requer um transformador. A principal função de um transformador é regular a tensão e evitar que correntes de fuga ou surtos de corrente passem pelos dispositivos.

5.3 Campo de Comunicação

Os transformadores de comunicação são usados ​​em circuitos terminais telefônicos e produtos de linhas troncais para regular a qualidade e a condição dos circuitos de comunicação. Além disso, os transformadores de comunicação são amplamente utilizados em modems a cabo, placas de rede, hubs, equipamentos de comunicação de banda larga xDSL, switches, transceptores de fibra óptica, roteadores, sistemas embarcados e dispositivos de comunicação de rede VoIP.

5.4 Outras Aplicações Especiais

• Equipamento de áudio: Os transformadores de áudio são comumente usados ​​para fornecer isolamento para sinais que fluem através de um circuito e ajudar a combinar os valores de impedância da fonte e da carga. Eles também podem eliminar sinais indesejados ou ruidosos e filtrar o sinal de entrada. Esses tipos de transformadores são projetados especificamente para lidar com sinais dentro da faixa audível, ou seja, sinais com frequências entre 20Hz e 20kHz.

• Instrumentos de medição: medidores de corrente, medidores de tensão e várias outras ferramentas e dispositivos de medição normalmente usam transformadores para operação geral. Por exemplo, a medição de transformadores de corrente fornece a segurança necessária para o circuito, isolando o dispositivo de medição do resto do circuito e suprimindo ou reduzindo grandes correntes para valores ideais antes de alimentá-las ao amperímetro.

• Retificação: os transformadores retificadores podem converter CA em CC, com aplicações que incluem controle de motores, mineração, fornos elétricos, laboratórios de pesquisa e desenvolvimento, transmissão CC de alta-tensão e muito mais.