Campo de aplicação de Transformadores

1. INTRODUÇÃO

O transformador é uma máquina elétrica para conversão eletromagnética de energia que se distingue das demais por não produzir energia mecânica útil. Seu campo de aplicação inclui todo tipo de conversores elétricos, sistemas de transmissão e distribuição de energia, acoplamentos de diferentes sistemas elétricos, isolação entre fontes, casamento de impedâncias, condicionamento de sinais, etc.

2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

O princípio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno conhecido como indução eletromagnética: quando um circuito é submetido a um campo magnético variável, aparece nele uma corrente elétrica cuja intensidade é proporcional às variações do fluxo magnético.

Os transformadores, na sua forma mais simples, consistem de dois enrolamentos de fio (o primário e o secundário), que geralmente envolvem os braços de um quadro metálico (o núcleo). Quando uma corrente alternada é aplicada ao primário produz um campo magnético proporcional à intensidade dessa corrente e ao número de espiras do enrolamento (número de voltas do fio em torno do braço metálico). Através do metal, o fluxo magnético quase não encontra resistência e, assim, concentra-se no núcleo, em grande parte, e chega ao enrolamento secundário com um mínimo de perdas. Ocorre, então, a indução eletromagnética: no secundário surge uma corrente elétrica, que varia de acordo com a corrente do primário e com a razão entre os números de espiras dos dois enrolamentos.

FIGURA 1

O transformador pode ser entendido como o dispositivo eletromagnético elementar baseado na lei de Faraday no qual existe o circuito indutor (enrolamento primário) e o circuito induzido (enrolamento secundário), que são interligados magneticamente por um núcleo comum, como ilustrado na figura 2:

Figura 2

Genericamente, a relação entre a tensão do primário e a do secundário é denominada relação de transformação (RT) no caso de um transformador ideal aplica-se a seguinte:

Graças às técnicas com que são fabricados, os transformadores modernos apresentam grande eficiência, permitindo transferir ao secundário cerca de 100% da energia aplicada no primário. As perdas - transformação de energia elétrica em calor - são devidas principalmente à histerese, às correntes parasitas e perdas no cobre.

1. Perdas no cobre. Resultam da resistência dos fios de cobre nas espiras primárias e secundárias. As perdas pela resistência do cobre são perdas sob a forma de calor e não podem ser evitadas.

2. Perdas por histerese. Energia é transformada em calor na reversão da polaridade magnética do núcleo transformador.

3. Perdas por correntes parasitas. Quando uma massa de metal condutor se desloca num campo magnético, ou é sujeita a um fluxo magnético móvel, circulam nela correntes induzidas. Essas correntes produzem calor devido às perdas na resistência do ferro.

Nota: O transformador ideal caracteriza-se por não apresentar qualquer tipo de perda, tanto elétrica como magnética.

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O significado da lei de Faraday pode ser compreendido com a ajuda da experiência ilustrada na figura abaixo.

Figura 4

Inicialmente Michael Farad trabalhava em experimentos de química, supervisionado por seu chefe sir Humphry Davy, mas à luz dos resultados obtidos por Oersted sobre como correntes elétricas geravam campos magnéticos, o interesse de Faraday o fez iniciar uma série de experiências que resultaram na exposição à Royal Society de Londres, no dia 24 de novembro de 1831, do "Experimental Researches in Eletricity``, um trabalho que continuou ao longo dos anos posteriores onde Faraday cobriu vários fenômenos elétricos. Nessa primeira etapa ele fez experiências na esperança de encontrar analogias entre o comportamento de cargas em movimento (corrente elétrica) e de cargas paradas em condutores.

A hipótese inicial era de que, assim como um corpo carregado pode induzir cargas elétricas em outros corpos, correntes elétricas seriam capazes de induzir correntes em circuitos próximos. No entanto, em suas experiências, Faraday foi capaz de perceber que uma corrente estacionária não gera nenhuma corrente em um circuito próximo. Contudo, o ato de ligar ou desligar essa corrente induzia sim uma força eletromotriz no circuito que esteve sempre desligado. Ao longo do trabalho no laboratório, ficou claro para ele que a geração de correntes induzidas dependia da variação temporal da corrente indutora.

Com esses resultados, Faraday foi em busca da lei que rege o fenômeno de indução. Para tal, ele trabalhou com o conceito de linhas de campo, conceito derivado dos padrões apresentados por limalhas de ferro quando expostas a um campo magnético. Para Faraday, todo o espaço seria preenchido pelas linhas de campo magnético e a densidade dessas linhas seria correspondente à intensidade do campo naquele ponto e portanto à força magnética naquele ponto.

Figura 5

Limalha de ferro sob efeito de um imã, a limalha se alinha com as linhas de campo

Mais tarde Faraday percebeu que um ímã natural também gerava uma corrente em um circuito próximo se esse ímã fosse aproximado ou se houvesse qualquer movimento relativo entre o circuito e o ímã. A indução então dependia do movimento relativo às linhas de campo magnético em sua proximidade. A descrição exata dessa relação foi tema de suas experiências durante muito tempo.

Em 1832 ele estabeleceu que correntes induzidas, produzidas sob as mesmas condições, em fios diferentes eram proporcionais à condutividade dos fios. Esse resultado mostra que a corrente induzida gera uma força eletromotriz e essa pode ser observada como uma corrente em um circuito