Como o Transformador de Potência Eleva ou Reduz a Tensão?

Os transformadores aumentam ou diminuem a tensão alternada por meio de indução eletromagnética . A tensão de saída é determinada principalmente pela relação entre o número de espiras no enrolamento primário e o número de espiras no enrolamento secundário.

Se o secundário tiver mais espiras do que o primário, o transformador eleva a tensão. Se o secundário tiver menos espiras, ele reduz a tensão.

Embora o princípio seja simples, um transformador prático também deve ser projetado para a corrente exigida, potência nominal, frequência, isolamento, elevação de temperatura, eficiência e normas de segurança aplicáveis.

O que é um Transformador ?

Um transformador é um dispositivo elétrico passivo que transfere energia entre dois ou mais enrolamentos por meio de um campo magnético variável.

Um transformador convencional de isolamento contém três partes principais:

• Enrolamento Primário: conectado à fonte de alimentação de entrada
• Enrolamento Secundário: fornece tensão à carga
• Núcleo Magnético: oferece um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético alternado

Os enrolamentos primário e secundário normalmente estão isolados eletricamente, mas acoplados magneticamente através do núcleo. Esse isolamento pode melhorar a segurança elétrica e impedir uma conexão condutiva direta entre a entrada e a saída.

No entanto, nem todo transformador fornece isolamento. Um autotransformador transformador autotransformador, por exemplo, utiliza um enrolamento compartilhado e, portanto, não oferece a mesma separação galvânica.

Como um Transformador Funciona?

O funcionamento do transformador baseia-se em A lei de indução eletromagnética de Faraday um fluxo magnético variável através de uma bobina induz uma força eletromotriz nessa bobina.

O processo pode ser compreendido em três etapas.

1. O enrolamento primário produz fluxo magnético

Quando uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário, ela gera uma corrente alternada. Essa corrente estabelece um fluxo magnético variável no núcleo do transformador.

2. O núcleo acopla o fluxo magnético

O núcleo magnético direciona a maior parte do fluxo magnético variável para ambos os enrolamentos. Os materiais e os métodos de construção do núcleo são selecionados para garantir um acoplamento magnético eficaz, ao mesmo tempo que limitam as perdas por correntes parasitas e por histerese.

3. O enrolamento secundário desenvolve uma tensão

Como o fluxo magnético variável do núcleo atravessa o enrolamento secundário, ele induz uma tensão nesse enrolamento. A tensão induzida aumenta com o número de espiras do secundário.

Essa relação decorre diretamente da lei de Faraday e constitui a base tanto dos transformadores elevadores quanto dos transformadores abaixadores. OpenStax University Physics fornece uma derivação detalhada das equações do transformador.

O Transformador Fórmula da relação de espiras

Para um transformador ideal:

Vs / Vp = Ns / Np

Onde:

• Vp = tensão de entrada primária
• Vs = tensão de saída secundária
• Np = número de espiras no enrolamento primário
• Ns = número de espiras no enrolamento secundário

A relação de tensão é, portanto, igual à relação de espiras dos enrolamentos.

Transformador Elevador

Um transformador eleva a tensão quando:

Ns > Np

Portanto:

Vs > Vp

O enrolamento secundário tem mais espiras do que o enrolamento primário, logo a tensão secundária é maior do que a tensão primária.

Transformador Redutor

Um transformador reduz a tensão quando:

Ns < Np

Portanto:

Vs < Vp

O enrolamento secundário tem menos espiras do que o enrolamento primário, logo a tensão secundária é menor do que a tensão primária.

Transformador de isolamento 1:1

Quando os enrolamentos primário e secundário têm aproximadamente o mesmo número de espiras:

Ns = Np

Portanto:

Vs ≈ Vp

A tensão de saída é aproximadamente igual à tensão de entrada.

Exemplo prático de transformador redutor

Suponha que um transformador deva converter 230 V CA em 24 V CA.

A relação de espiras necessária é:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Se o enrolamento primário tiver 1.000 espiras:

Ns = 1.000 × 0,104

Ns ≈ 104 espiras

Portanto, o enrolamento secundário ideal teria aproximadamente 104 espiras.

Num transformador prático, o fabricante pode acrescentar espiras ao enrolamento secundário para compensar a resistência do enrolamento e a queda de tensão sob carga.

Exemplo prático de transformador elevador

Suponha que um transformador deva elevar a tensão de 120 V CA para 240 V CA.

A relação de espiras necessária é:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Se o enrolamento primário tiver 500 espiras:

Ns = 500 × 2

Ns = 1.000 espiras

O enrolamento secundário requer, portanto, aproximadamente o dobro de espiras em comparação com o enrolamento primário.

O que Acontece com a Corrente?

Um transformador altera a corrente na direção oposta à da tensão.

Para um transformador ideal, a potência de entrada é igual à potência de saída:

Vp × Ip = Vs × Is

Onde:

• Vp = Tensão primária
• Ip = Corrente primária
• Vs = Tensão secundária
• Is = Corrente secundária

A razão entre as correntes é:

Is / Ip = Np / Ns

Portanto:

• Transformador elevador: a tensão aumenta e a corrente disponível diminui.
• Transformador abaixador: a tensão diminui e a corrente disponível aumenta.

Um transformador não cria energia adicional. Num transformador real, a potência de saída é ligeiramente inferior à potência de entrada devido às perdas no cobre, nas perdas no núcleo e a outras perdas.

Por que o enrolamento de baixa tensão utiliza fio mais grosso?

O enrolamento secundário de um transformador abaixador normalmente conduz mais corrente do que o seu enrolamento primário. Por isso, geralmente exige fio mais grosso.

O tamanho do condutor deve ser selecionado de acordo com:

• Corrente eficaz (RMS)
• Densidade de corrente admissível
• Temperatura do Enrolamento
• Temperatura ambiente
• Ciclo de trabalho
• Condições de refrigeração
• Espessura da Isolação
• Espaço disponível para enrolamento

Utilizar fio muito fino aumenta a resistência, a queda de tensão, as perdas no cobre e a temperatura do enrolamento. Temperaturas excessivas podem reduzir a vida útil do isolamento e criar um risco de segurança.

Num transformador elevador, o enrolamento de alta tensão normalmente utiliza mais espiras de fio mais fino, pois conduz menos corrente. O tamanho exato do condutor ainda requer um cálculo de engenharia.

Por que os transformadores são usados na transmissão de energia?

Para uma potência transmitida dada, aumentar a tensão reduz a corrente:

I = P / V

Onde:

• I = Corrente
• P = Potência
• V = Tensão

Quando a tensão aumenta, a corrente necessária para transmitir a mesma potência diminui.

Como a corrente está elevada ao quadrado nesta equação, reduzi-la pode diminuir significativamente o aquecimento do condutor e as perdas na transmissão.

Os sistemas elétricos, portanto, utilizam transformadores elevadores para aumentar a tensão gerada para transmissão em longa distância. Próximo ao ponto de consumo, transformadores abaixadores reduzem a tensão a níveis adequados para distribuição e utilização. O Departamento de Energia dos EUA explica de forma semelhante que a transmissão em alta tensão reduz a corrente necessária e diminui as perdas nas linhas. Departamento de Energia dos EUA

Um transformador pode operar com corrente contínua?

Um transformador convencional exige fluxo magnético variável e, portanto, não consegue transformar continuamente uma tensão contínua constante.

Se uma corrente contínua constante for aplicada diretamente ao enrolamento de um transformador padrão:

• Não há ação transformadora contínua após a transiente inicial.
• A corrente no enrolamento pode atingir níveis perigosamente elevados.
• O núcleo pode entrar em saturação.
• O enrolamento pode superaquecer ou falhar.

Fontes de alimentação eletrônicas podem converter tensão contínua primeiro comutando-a numa frequência controlada. A forma de onda alternada resultante pode então acionar um transformador de alta frequência ou um indutor acoplado. É assim que funcionam muitos conversores do tipo flyback, forward, push-pull, half-bridge e full-bridge.

A distinção importante é que um transformador convencional não transforma diretamente uma corrente contínua constante; essa corrente contínua deve ser primeiramente comutada eletronicamente.

Equações ideais versus desempenho real do transformador

A equação da relação de espiras descreve um transformador ideal. Transformadores reais apresentam perdas e quedas de tensão.

Perda no cobre

A perda resistiva de potência em um condutor é:

Perda de potência = I² × R

Para compatibilidade máxima com o WordPress, isso também pode ser escrito como:

Perda de potência = I × I × R

Onde:

• I = Corrente que flui através do condutor
• R = Resistência do condutor

Como a corrente é elevada ao quadrado neste cálculo, reduzir a corrente pode diminuir significativamente as perdas na linha de transmissão.

Perdas no núcleo baixas

Um campo magnético alternado causa perdas por histerese e correntes parasitas no núcleo. A perda no núcleo é afetada por:

• Material do núcleo
• Frequência de operação
• Tensão Aplicada
• Número de espiras primárias
• Área da seção transversal do núcleo
• Densidade de Fluxo Magnético
• Espessura da laminação

Fluxo de fuga

Nem todo o fluxo magnético liga ambos os enrolamentos. O fluxo de fuga afeta a regulação de tensão e pode gerar interferência eletromagnética.

Corrente sem carga

Mesmo sem carga secundária, o primário consome corrente para magnetizar o núcleo e suprir as perdas no núcleo.

Aumento da temperatura

As perdas em cobre e no núcleo geram calor. Um transformador deve permanecer dentro dos limites de temperatura do seu sistema de isolamento, nas condições especificadas de carga e ambiente.

Regulação de tensão

A tensão de saída normalmente diminui entre as condições de sem carga e plena carga devido à impedância interna.

A regulação de tensão pode ser expressa como:

Regulação de tensão (%) = [(Vsem-carga − Vplena-carga) / Vplena-carga] × 100

Por essa razão, os fabricantes podem projetar a tensão secundária em vazio ligeiramente acima da tensão de saída nominal.

A frequência afeta o projeto de transformadores?

Sim. A frequência é um parâmetro crítico de projeto.

Para uma forma de onda senoidal, a tensão RMS aproximada por enrolamento relaciona-se com a frequência, o número de espiras, a área do núcleo e a densidade máxima de fluxo magnético pela fórmula:

V = 4,44 × f × N × A × Bmáx

Onde:

• V = tensão RMS do enrolamento
• f = frequência de operação em hertz
• N = número de espiras do enrolamento
• A = área efetiva da seção transversal do núcleo
• Bmáx = densidade máxima de fluxo magnético

Um transformador projetado para 60 Hz não deve ser operado automaticamente a 50 Hz na mesma tensão. A frequência mais baixa pode aumentar a densidade de fluxo magnético, o que pode levar à saturação do núcleo, corrente excessiva, ruído e superaquecimento.

O fabricante deve conhecer a faixa real de frequência e tensão de entrada antes de finalizar o projeto.

Como Especificar um Transformador Elevador ou Redutor

Uma especificação profissional de transformador deve incluir mais do que apenas tensões de entrada e saída.

Forneça as seguintes informações ao solicitar um projeto ou orçamento:

• Tensão de entrada nominal
• Tensão mínima e máxima de entrada
• Frequência de Entrada
• Tensão ou tensões de saída exigidas
• Corrente de saída contínua
• Corrente de pico e sua duração
• Tipo de carga
• Potência aparente (VA) exigida
• Ciclo de trabalho
• Dimensões Máximas
• Método de montagem
• Requisitos quanto aos fios condutores ou terminais
• Temperatura ambiente
• Condições de refrigeração e invólucro
• Aumento máximo de temperatura permitido
• Classe de isolamento
• Requisitos de rigidez dielétrica
• Proteção eletrostática ou magnética exigida
• Requisitos de fusível térmico ou protetor térmico
• País ou mercado-alvo
• Requisitos de segurança e ambientais aplicáveis
• Quantidade estimada de produção

Fornecer condições operacionais completas ajuda a evitar dimensionamento incorreto e melhora a regulação de tensão, a confiabilidade e a vida útil.

Perguntas Frequentes

Um transformador elevador aumenta a potência?

Não. Um transformador elevador aumenta a tensão, mas reduz a corrente disponível. A potência de saída é sempre ligeiramente inferior à potência de entrada, pois um transformador real apresenta perdas em cobre, no núcleo e outras.

Um transformador abaixador sempre fornece mais corrente?

Pode fornecer uma corrente secundária nominal mais elevada para o mesmo nível aproximado de potência, mas a corrente real é determinada pela carga conectada e pela capacidade nominal do transformador. Um transformador não impõe sua corrente máxima à carga.

Os enrolamentos primário e secundário estão ligados?

Num transformador de isolamento, eles são eletricamente separados e acoplados através do núcleo magnético. Num autotransformador, parte do enrolamento é compartilhada, logo não há isolamento galvânico equivalente.

Um transformador pode fornecer várias tensões de saída?

Sim. Um transformador pode utilizar múltiplos enrolamentos secundários, enrolamentos com tomada central ou derivações nos enrolamentos para fornecer diferentes tensões de saída.

Como calculo a potência aparente (VA) de um transformador?

Para um transformador CA simples com um único enrolamento secundário:

VA = Vs × Is

Onde:

• VA = classificação da potência aparente do transformador
• Vs = tensão secundária nominal
• Is = Corrente secundária nominal

Exemplo:

Tensão secundária = 24 V CA
Corrente secundária = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Para múltiplas saídas secundárias, a potência aparente total necessária é calculada com base nas cargas combinadas dos enrolamentos, considerando adequadamente o tipo de carga, ciclo de trabalho, eficiência, regulação, retificação e elevação de temperatura.

Transformadores personalizados de aumento e redução da Dingxin

A Dingxin fabrica transformadores personalizados, incluindo soluções de transformadores para clientes e equipamentos destinados ao mercado europeu.

Os transformadores podem ser desenvolvidos conforme requisitos elétricos, mecânicos, térmicos e de aplicação especificados, incluindo:

• Tensões de entrada e saída personalizadas
• Projetos de aumento e redução de tensão
• Múltiplos enrolamentos secundários
• Construções EI e toroidais
• aplicações em 50 Hz e 60 Hz
• Classificações personalizadas em VA
• Fios condutores, terminais, suportes e opções de montagem
• Blindagem eletrostática
• Fusíveis térmicos e protetores térmicos
• Sistemas de isolamento específicos para cada aplicação
• Projetos baseados nos requisitos do mercado-alvo do cliente

Os requisitos finais de conformidade e certificação devem ser confirmados durante o processo de engenharia, de acordo com o projeto do transformador, o equipamento pretendido e o mercado de destino.

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1. Tensão e Frequência de Entrada
2. Tensão e corrente de saída exigidas
3. Condições de carga contínua e de pico
4. Dimensões Máximas
5. Requisitos de Montagem e Conexão
6. Temperatura de operação
7. Mercado-alvo e requisitos de conformidade
8. Quantidade Estimada do Pedido

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