Por S. Hussain Ather
Atualizado em 24 de março de 2022

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Os transformadores são o coração da distribuição de energia moderna, convertendo corrente alternada (CA) nas tensões exigidas por eletrodomésticos e equipamentos industriais. A chave para sua operação é a relação de espiras – a proporção de espiras da bobina no enrolamento primário em comparação com o enrolamento secundário. Compreender esta relação é essencial para projetar sistemas de transformadores eficientes e confiáveis.

Cálculo da relação de espiras do transformador

A relação de espiras do transformador, indicada como 05 , é calculado dividindo o número de voltas no enrolamento primário (14 ) pelo número de voltas no enrolamento secundário (22 ):

36

Esta relação é diretamente proporcional à relação de tensão:

44

Aqui, 52 é a tensão primária e 65 é a tensão secundária. O enrolamento primário é a bobina energizada que induz um campo magnético; o enrolamento secundário é a bobina não energizada que recebe a tensão induzida.

Para transformadores ideais, os ângulos de fase das correntes primária e secundária são iguais (77 ), garantindo operação síncrona.

Como a forma de onda de entrada é senoidal, a relação de espiras determina diretamente como a tensão muda conforme a corrente passa do primário para o secundário. Observe que o termo “proporção” neste contexto representa na verdade uma fração; por exemplo, uma relação de enrolamento de 5:10 é igual a uma fração de 1/2, reduzindo pela metade a tensão de entrada.

Dependendo se a tensão secundária é maior ou menor que a primária, o transformador atua como um dispositivo elevador ou redutor. Um transformador com tensão idêntica em ambos os lados é conhecido como transformador de impedância, usado para combinar impedâncias de circuito ou isolar seções.

Visão geral da construção do transformador

Em sua essência, um transformador consiste em duas bobinas enroladas em torno de um núcleo ferromagnético. O núcleo, muitas vezes laminado para reduzir correntes parasitas, fornece um caminho magnético comum que liga os enrolamentos primário e secundário. Folhas de metal finas e isoladas no núcleo reduzem a resistência e melhoram a eficiência.

As perdas de energia surgem de acoplamento de fluxo magnético não ideal e correntes parasitas. Os transformadores modernos atenuam essas perdas através de um projeto cuidadoso do núcleo e da seleção de materiais, alcançando eficiências acima de 95%.

Princípios Eletromagnéticos Fundamentais

Quando uma tensão CA é aplicada à bobina primária, ela gera um campo magnético variável no tempo. A taxa de variação do fluxo magnético (84 ) induz uma força eletromotriz (EMF) em ambos os enrolamentos, conforme descrito pela Lei de Faraday:

94

Como o fluxo magnético que liga ambos os enrolamentos é essencialmente o mesmo, os CEM induzidos são diretamente proporcionais às suas respectivas contagens de espiras, levando de volta à equação da relação de espiras.

O próprio fluxo magnético pode ser expresso como:

101

Para um solenóide simples, isso simplifica para 119 onde 124 é a intensidade do campo magnético e 138 é a área central da secção transversal.

Aplicações práticas em distribuição de energia

As usinas de energia geram eletricidade como CC ou CA de baixa frequência, que é convertida em CA de alta frequência para transmissão. Os transformadores aumentam esta tensão para uma entrega eficiente a longa distância e diminuem-na para uma utilização residencial segura. Ao longo do caminho, as redes de distribuição utilizam barramentos e disjuntores para gerir a carga e proteger a infraestrutura.

A eficiência do transformador é calculada como:

140

onde 153 é a potência de saída e 160 é a potência de entrada. A corrente de magnetização – necessária para estabelecer o campo magnético do núcleo – é normalmente pequena em relação à corrente de carga, contribuindo para a alta eficiência dos projetos modernos.

Indutância mútua e efeitos de carga

A indutância mútua descreve como uma mudança na corrente em um enrolamento induz uma tensão no outro. Quando uma carga é aplicada ao secundário, o primário deve aumentar sua corrente para manter o fluxo magnético, conforme expresso na equação da tensão primária:

173

Da mesma forma, a tensão secundária satisfaz:

180

Aqui, 191 é a indutância mútua entre as bobinas.

Estas equações ilustram como as mudanças de carga no secundário influenciam a corrente primária, uma consideração crítica no projeto e proteção do transformador.