No artigo anterior, discutimos a classificação dos transformadores por material do núcleo, geometria e níveis de tensão. Os transformadores também podem ser classificados por sua aplicação e uso. Vamos explorar primeiro as duas grandes categorias de casos de uso – transformadores usados no domínio elétrico e transformadores usados no domínio eletrônico.
Os transformadores utilizados no domínio elétrico são classificados por suas aplicações da seguinte forma:
- Poder
- Distribuição
- Medição
No domínio da eletrônica, os transformadores são classificados pela faixa de frequência de operação da seguinte forma:
- Pulso
- Áudio
- SE
- RF
Transformadores de potência
Transformadores de potência são usados para reduzir a tensão de linha na linha de serviço público de 60 Hz. Esses transformadores vêm em uma variedade de tamanhos, formatos e proporções de enrolamento. Eles podem ser tão grandes quanto uma sala e tão pequenos quanto um cubo de Rubik, dependendo de onde são usados, o que pode variar desde usinas geradoras e linhas de energia de alta tensão até a parte de energia de aparelhos elétricos. Os transformadores de potência são usados para converter tensões CA (geralmente para redução) da linha de alimentação para circuitos elétricos ou de uma parte da linha de alimentação para outra. Esses transformadores são geralmente caracterizados pela capacidade máxima de tensão e corrente da bobina secundária.
Os maiores desses transformadores são utilizados em usinas de geração. Os engenheiros nada podem fazer em relação às perdas de energia devido à resistência dos fios e à potência consumida pelas cargas. Assim, eles ficam com a opção de transmitir energia de alta tensão pelas linhas de transmissão. Quanto maior a tensão, menor a corrente, de modo que as perdas de energia são minimizadas na transmissão de energia. Os transformadores de potência nas usinas geradoras convertem tensões baixas de alta corrente em CA de alta tensão e baixa corrente. As usinas de alta energia possuem transformadores de potência maiores que podem transferir potência de até 100 MVA pela linha de transmissão. Os transformadores de potência média têm uma potência nominal normalmente de 50 a 100 MVA, enquanto os transformadores de potência pequenos usados em estações de energia locais têm uma potência nominal normalmente de 500 a 700 KVA.
Os transformadores de potência são maiores que os transformadores de distribuição. Eles são projetados para ter eficiência energética máxima, pois permanecem carregados 24 horas por dia. Tais transformadores de potência podem ser conectados diretamente ao consumidor ou podem ser conectados a uma rede de distribuição. A maioria dos transformadores de potência possui configuração trifásica, enquanto alguns transformadores de potência pequenos podem ter configuração monofásica. Os transformadores de potência trifásicos são caros, embora tenham muita eficiência energética em comparação com os transformadores monofásicos.
Os transformadores são utilizados em diferentes pontos das redes de transmissão. As linhas de alta tensão transportam tensões em KV ou MT, que não podem ser fornecidas diretamente ao consumidor. Os transformadores de potência são implantados para reduzir essas tensões para tensões mais baixas nos pontos de ramificação. As tensões reduzidas são ainda mais reduzidas dentro da rede. Finalmente, a tensão CA é reduzida para 230 V ou 120 V RMS trifásico por transformadores de distribuição para alimentar o consumidor final.
Transformadores de potência de pequeno porte são usados na seção de potência dos aparelhos elétricos para reduzir ainda mais a rede CA para baixas tensões variando de 5V a 50V. A maioria dos eletrodomésticos requer 5V a 12V para funcionar com consumo mínimo de corrente. Diferentes transformadores de potência vêm em uma variedade de construções, configurações e tamanhos.
Transformadores automáticos
Autotransformadores são transformadores de potência que possuem primário e secundário em uma bobina comum. Tanto o primário quanto o secundário estão na mesma bobina e têm a mesma direção. A tensão é variada alterando a posição da derivação secundária.
Transformadores monofásicos e trifásicos
Os transformadores de potência podem ter configuração monofásica ou trifásica. Os transformadores monofásicos possuem um único par de enrolamentos primário e secundário. Esses transformadores são geralmente utilizados em aparelhos elétricos, onde convertem níveis de tensão a uma frequência constante.
Os transformadores trifásicos possuem três pares de enrolamentos primários e secundários conectados entre si. Esses transformadores são econômicos em comparação com transformadores monofásicos quando usados na geração, transmissão e distribuição de energia. As bobinas primárias e secundárias em transformadores trifásicos podem ter várias combinações de conexões estrela e delta, como conexões estrela-estrela, estrela-triângulo, delta-delta ou delta-estrela nos enrolamentos primário e secundário, respectivamente.
Representação esquemática de um transformador trifásico típico (Imagem: Quora)
Transformadores de distribuição
Os transformadores de distribuição são usados em redes de distribuição de energia para reduzir as tensões das linhas de transmissão para menos de 33KV para fins industriais e 230-440V para fins domésticos. Geralmente são usados no final de uma rede de distribuição como transformadores do tipo poste e também podem ser montados em pad ou transformadores subterrâneos no final da distribuição. Eles são pequenos, nem sempre estão totalmente carregados e podem ter isolamento do tipo seco ou imerso em líquido. Eles podem fornecer alimentação principal monofásica ou trifásica ao consumidor final. Esses transformadores são de baixo custo e projetados para ter uma eficiência energética de 50 a 70 por cento.
Transformadores de medição/instrumentos
Os transformadores de instrumento são usados para medir corrente e tensão de alto valor e são usados junto com instrumentos de medição de baixa faixa como transformadores de relação precisa. Esses transformadores convertem a alta tensão ou corrente em baixa tensão ou corrente por uma proporção precisa que pode ser medida por um amperímetro, voltímetro ou wattímetro típico. Podem ser transformadores de corrente que devem ser usados com um amperímetro ou transformadores de potencial que devem ser usados com um voltímetro CA.
Um transformador de isolamento de instrumento 120:120 mostrando duas convenções de marcação de polaridade (Imagem: Wikipedia).
Estes são essencialmente transformadores de isolamento que isolam com segurança a linha de alimentação com o instrumento de medição. A tensão da linha de alimentação é reduzida com precisão por uma alta relação de rotação para uma tensão mais baixa, de modo que um instrumento de medição típico possa medi-la facilmente. Os transformadores de corrente são conectados em série à linha de alimentação para medir a corrente. A corrente da linha de alimentação é medida como a soma da corrente de excitação e da corrente secundária multiplicada pela relação de espiras. Os transformadores de corrente com menor precisão também são utilizados como transformadores de proteção.
Para medir tensões de alto valor, o primário dos transformadores de potencial ou transformadores de potencial é conectado à linha de alimentação e a tensão da linha de alimentação é reduzida até um limite seguro no secundário. Os transformadores de tensão podem ser do tipo eletromagnético, capacitor ou óptico. Os tipos eletromagnéticos são transformadores redutores de fio simples, os tipos capacitores usam um divisor de tensão do capacitor e os tipos ópticos usam componentes optoeletrônicos.
Transformadores de pulso
Transformadores de pulso são transformadores montados em PCB de pequeno porte, usados em dispositivos eletrônicos para gerar pulsos de amplitude fixa. Esses transformadores isolam um circuito de carga digital e fornecem pulsos de amplitude constante a ele.
Transformadores de áudio
É mais apropriado classificar os transformadores utilizados no domínio da eletrônica pela faixa de frequência de sua operação. Os transformadores eletrônicos que operam na faixa de frequência de 20 Hz a 20 kHz são classificados como transformadores de áudio. Geralmente, são transformadores utilitários de pequeno porte com núcleo EI laminado semelhante aos transformadores utilitários típicos de 60 Hz. Estes podem ser transformadores elevadores ou redutores. Os transformadores de áudio são usados principalmente para correspondência de impedância e são projetados para oferecer reatância quase zero. Pode haver várias bobinas primárias e secundárias em um transformador de áudio, que podem ser separadas ou com derivação central.
Transformadores SE
Os transformadores IF são usados para sintonizar sinais de frequência intermediária. São transformadores blindados, geralmente com núcleo de ferrite de alta permeabilidade.
Transformadores RF
Os transformadores eletrônicos usados em radiofrequências são chamados de transformadores de RF. Estes podem ser transformadores de fio enrolado, como transformadores de utilidades, ou podem ser transformadores de linha de transmissão. Os transformadores de fio enrolado com núcleo toroidal de ferro em pó são os mais comuns. Os transformadores de RF com núcleo de ar são usados para aplicações de alta potência. Embora os transformadores com núcleo de ferro em pó tenham alta permeabilidade e autoproteção, os transformadores com núcleo de ar são muito mais eficientes em termos energéticos, embora tenham EMI significativa. Esses transformadores também são chamados de transformadores de banda larga e são usados para uma faixa de frequência de 3 MHz a 30 MHz. Em frequências mais altas, são usados transformadores de linha de transmissão como antenas de quarto de onda. Podem ser linhas de fios paralelos ou cabos coaxiais.
Aplicações de transformadores
Os transformadores são amplamente utilizados no domínio elétrico e eletrônico. No domínio elétrico, os transformadores são geralmente usados para reduzir tensões CA em estações de energia, redes de distribuição ou para medição. Na eletrônica, os transformadores são usados para muitas aplicações, como aumento ou redução de tensões, casamento de impedância, geração de pulso, acoplamento e isolamento.
Os transformadores usados no domínio da eletrônica geralmente têm suas especificações, como tensão primária, tensão secundária e classificação de potência impressas neles. Em geral, os esquemas de cores identificam os terminais da bobina primária, do enrolamento secundário e da derivação central.
Atividade 12
Isso é o suficiente sobre transformadores. Agora que você já conhece bem o funcionamento e as especificações dos transformadores, é hora de experimentar alguns circuitos. Obtenha os diagramas de circuitos e suje as mãos com alguns dos circuitos de hobby que usam transformadores como retificador de meia onda, retificador de onda completa, fonte de alimentação de bancada simétrica de 12V ou 9V, amplificador de potência de áudio e pré-amplificador. Inspecione a função e as especificações exigidas dos transformadores usados nesses circuitos.
Atividade 13
Prepare uma lista de alguns transformadores de geração de pulsos por seus números de peça. Baixe e inspecione suas planilhas de dados. Descubra características elétricas importantes mencionadas em suas fichas técnicas que podem ser úteis em sua aplicação.
No próximo artigo, discutiremos fontes de alimentação.
