Função do transformador

Um transformador é constituído por um circuito magnético, conhecido como núcleo, e tem pelo menos dois enrolamentos com um número fixo de voltas através dos quais circulam a corrente e a tensão. Os enrolamentos voltados para a tensão eléctrica (tensão de rede) são designados por lado primário (bobina primária), o lado do consumidor e da carga eléctrica é designado por lado secundário (bobina secundária). A potência de entrada da corrente e da tensão é transformada numa potência de saída da corrente e da tensão.

Um transformador é essencialmente constituído por duas ou mais bobinas e um núcleo de ferro comum. Num transformador monofásico , é frequentemente utilizada apenas uma bobina; para potências mais elevadas, são ligadas duas bobinas em paralelo ou em série. O transformador trifásico é composto por três bobinas, cada uma das quais é ligada entre si de acordo com o grupo de comutação pretendido. Os enrolamentos de um transformador são geralmente feitos de fio de cobre esmaltado isolado e são enrolados no núcleo de ferro, quer num formador de bobinas separado, quer com hastes espaçadoras e isolamento, respeitando as distâncias de folga e de fuga. É aqui que a tensão CA é ligada, criando um campo magnético alternado. O fluxo magnético passa através da bobina secundária com a ajuda do núcleo de ferro. A tensão CA (tensão induzida) no lado da saída pode, por conseguinte, ser retirada do lado secundário do transformador com a corrente CA desejada. A relação de enrolamento das bobinas primária e secundária define se a tensão na saída é menor ou maior do que a tensão de entrada. Se o número de espiras da bobina secundária for superior ao da bobina primária, a tensão de saída é superior à tensão de entrada. No entanto, se o número de espiras da bobina secundária for inferior, a tensão de saída é inferior à tensão de entrada. A relação do número de espiras N1/N2 é determinante para a variação da potência ou da tensão e corrente alternadas. A espessura do fio utilizado nas bobinas é definida pela corrente.

A tecnologia de fabrico do núcleo e a qualidade do núcleo do transformador (núcleo de ferro) utilizado têm um efeito no circuito magnético. Idealmente, o circuito magnético de um transformador (campo magnético) deve gerar baixas perdas por correntes de Foucault e ter baixas perdas por remagnetização (perdas por histerese). Outro aspeto são as resistências no enrolamento de um transformador. As perdas no enrolamento só podem ser reduzidas com enrolamentos em camadas e ordenados nas bobinas primária e secundária e com o melhor metal de enrolamento. A tensão é regulada pelo número de voltas da bobina. A intensidade da corrente determina o diâmetro do metal de enrolamento.

A potência nominal de um transformador é expressa em VA ou kVA (VA significa volt-ampere e é a unidade de medida da potência eléctrica aparente, kVA significa kilovolt-ampere).
Com exceção da prata, o cobre tem o melhor valor de condutividade com γ = 56. O alumínio, por outro lado, tem apenas γ = 36. O alumínio segue-se com uma diferença de cerca de 35 por cento. O cobre é, portanto, o melhor metal e o alumínio “apenas” o segundo melhor dos materiais condutores de energia eléctrica técnica e economicamente utilizáveis. Todos os outros metais não podem ser considerados condutores, e as ligas têm geralmente uma condutividade consideravelmente mais baixa do que os metais puros. A prata e o ouro estão completamente excluídos devido ao seu elevado preço.

O transformador ideal não existe. O transformador ideal não tem perdas e é utilizado apenas como um modelo para descrever a função dos transformadores. Num transformador ideal, a tensão através dos enrolamentos é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético e ao número de espiras do enrolamento do transformador devido à indução electromagnética. Isto significa que a tensão no enrolamento é proporcional ao número de espiras do transformador. Se uma máquina (carga) estiver ligada à bobina secundária, esta retira energia do transformador no lado secundário. O fluxo de corrente dentro de um transformador funciona de acordo com a regra de Lenz. As correntes nos enrolamentos são, portanto, opostas. A corrente primária num transformador flui para a direita em relação ao núcleo, a corrente secundária para a esquerda. Num transformador ideal, a combinação das equações para a transformação de tensão mostra que a energia fornecida ao lado primário é igual à energia removida do lado secundário. Isto significa que, em teoria, um transformador ideal não está sujeito a quaisquer perdas de calor.

As diferenças em relação a um transformador real podem ser definidas da seguinte forma. Um transformador real tem resistências no enrolamento que conduzem a perdas de energia. Além disso, num transformador real é sempre de esperar que a remagnetização e as correntes de Foucault também conduzam a perdas de energia. Isto resulta em perdas de cobre (resistência no enrolamento), perdas por histerese (remagnetização) e perdas por correntes de Foucault (perda devido a correntes de Foucault). Além disso, ocorrem sempre fluxos de fuga (o fluxo magnético que flui através do lado primário não flui proporcionalmente através do lado secundário). Além disso, a permeabilidade de um núcleo de ferro depende da intensidade do fluxo magnético (densidade do fluxo magnético).

Geralmente, os transformadores são diferenciados de acordo com o seu isolamento galvânico. Os transformadores de isolamento não têm qualquer ligação entre o lado de entrada e o lado de saída. Estes dois enrolamentos estão separados um do outro. Nos autotransformadores, o lado secundário capta a sua tensão na parte do enrolamento primário; não existe um enrolamento secundário independente e separado, pelo que não existe aqui isolamento galvânico. A vantagem dos autotransformadores é o seu tamanho mais pequeno em comparação com os transformadores de isolamento. A utilização de autotransformadores só é possível até certo ponto e deve ser verificada caso a caso.

O transformador pode alterar a tensão CA e a corrente CA entre a entrada e a saída, mas não pode alterar a frequência. A frequência de entrada é sempre a mesma que a frequência de saída. Os transformadores também podem ser calculados para altas frequências.