Transformadores Monofásicos

Os transformadores monofásicos são usados em fontes de alimentação e outros equipamentos para converter tensões e correntes CA de um valor para outro. Os transformadores são essenciais para fornecer isolamento elétrico, necessário para a operação segura de muitos instrumentos de laboratório e dispositivos médicos. Se a entrada e a saída não compartilharem um terminal comum, o transformador poderá transferir energia com separação física completa. Isso evita que a eletricidade no lado perigoso de alta tensão de um sistema atinja circuitos e pessoas no lado seguro de baixa tensão. Compreender os componentes dentro de um transformador é importante para a análise e o projeto do transformador. Este vídeo demonstrará como medir os parâmetros elétricos dos componentes do transformador realizando vários testes.

Um transformador tem um par de terminais de entrada conectados a um enrolamento ou bobina primária e um par de terminais de saída conectados a um enrolamento secundário. Um núcleo composto por aço, ferrite ou mesmo simplesmente ar acopla magneticamente os dois enrolamentos. Uma tensão em um enrolamento faz com que a corrente flua através dele, criando um campo magnético. O fluxo magnético, que é a quantidade de campo magnético que passa por uma área, é então acoplado através do núcleo ao enrolamento secundário, onde induz uma tensão. Esse princípio é chamado de indução mútua. A Lei de Faraday afirma que a taxa de variação do fluxo vezes o número de enrolamentos é igual à tensão induzida. Também chamada de Força Eletromotriz ou EMF. Uma tensão CC no enrolamento primário é constante, portanto, o fluxo magnético resultante também é constante e a taxa de variação é zero. No entanto, uma tensão CA produz um fluxo magnético com uma taxa de variação diferente de zero e, consequentemente, induz uma tensão. Em outras palavras, uma tensão CA é necessária para que o transformador funcione. A relação de espiras do transformador é o número de voltas do fio no enrolamento primário dividido pelo número de voltas no enrolamento secundário. A razão entre a tensão no primário e a tensão no secundário é igual à razão de espiras. Dependendo da relação de espira, um transformador pode aumentar a tensão, diminuir a tensão ou mantê-la igual. A razão entre a corrente através do primário e a corrente através do secundário é igual ao inverso da razão de espira. Por exemplo, se a bobina primária tiver três voltas e a secundária tiver 30 voltas, a relação de espiras será de 0,1. Assim, 120 volts no primário deste transformador tornam-se 1200 volts no secundário. 10 amperes através do primário torna-se 1 amp através do secundário. Finalmente, se a bobina secundária tiver uma carga de impedância Z2, a bobina primária terá uma carga aparente ou reflexiva, Z2 prime. O valor dessa carga reflexiva é a impedância no lado secundário multiplicada pelo quadrado da razão de espiras. Um transformador pode ser considerado um par de indutores acoplados que, idealmente, transfere energia sem perda de uma bobina para a outra. No entanto, um transformador real vazou fluxo magnético ou indutância de vazamento que não contribui para a transferência de energia entre os enrolamentos. Além disso, um transformador real experimenta dissipação de energia e aquecimento das resistências do enrolamento. O fluxo magnético induzido no núcleo é uma fonte adicional de calor devido à resistência à perda do núcleo. Para evitar danos, é usada uma entrada de potência máxima especificada, chamada de classificação VA ou produto da tensão de entrada e a corrente que é a potência. Agora que os fundamentos de um transformador foram introduzidos, vamos dar uma olhada em como medir os parâmetros elétricos de um transformador.

O transformador usado neste experimento é classificado para tolerar um máximo de 115 volts no enrolamento primário e um máximo de 24 volts no enrolamento secundário. Além disso, este transformador tem uma potência nominal de 100VA, o que significa que pode aceitar um máximo de 100 watts de potência. Este teste DC mede a resistência de cada enrolamento para uso no modelo de circuito equivalente do transformador. Primeiro defina a saída de tensão da fonte de alimentação CC de baixa tensão para zero volts e o limite de corrente para 0.8 amperes. Em seguida, desligue o abastecimento. Conecte a saída da fonte de alimentação através do enrolamento primário. Não conecte nada ao enrolamento secundário. Ligue a fonte de alimentação CC e aumente a tensão gradualmente até que o limite de corrente seja atingido. Registre as leituras de tensão e corrente no visor da fonte de alimentação. Calcule a resistência do enrolamento primário dividindo a tensão pela corrente. Defina a tensão da fonte de alimentação de volta para zero volts e desligue-a. Conecte a fonte de alimentação através do enrolamento secundário deixando um circuito aberto no enrolamento primário. Defina o limite de corrente na fonte de alimentação para quatro amperes. Em seguida, aumente a tensão gradualmente até atingir o limite de corrente. Registre as leituras de tensão e corrente no visor da fonte de alimentação. Calcule a resistência do enrolamento secundário. Defina a tensão da fonte de alimentação de volta para zero volts, desligue-a e desconecte-a do transformador. Por fim, use um multímetro para confirmar as resistências calculadas nos enrolamentos primário e secundário.

O teste de circuito aberto mede os reagentes mútuos ou a oposição a uma mudança na corrente da resistência à perda do núcleo. A resistência à perda de núcleo é o parâmetro de circuito equivalente para dissipação de energia e se aproxima das perdas de energia no núcleo do transformador. Com a fonte de alimentação trifásica desligada e o Variac definido para zero por cento, monte o circuito conforme mostrado. Em seguida, use um medidor de energia digital para medir a corrente e a tensão de circuito aberto no lado primário. Ligue a fonte de alimentação trifásica e ajuste lentamente o botão de controle do Variac para aumentar a tensão até que o medidor de energia digital marque 24 volts. Registre a tensão de circuito aberto, a corrente de circuito aberto, a potência real de circuito aberto e o fator de potência. Use esses valores para calcular parâmetros de circuito equivalentes para o transformador. A resistência à perda do núcleo, RC é calculada a partir da tensão de circuito aberto e da potência de circuito aberto. A reatância mútua XM é calculada de forma semelhante usando tensão, potência e corrente de circuito aberto.

O teste de curto-circuito mede os reagentes de vazamento e também pode determinar a resistência do fio de ambos os enrolamentos. Primeiro calcule a corrente de entrada nominal do transformador dividindo a classificação VA pela classificação de tensão para o lado de entrada. Com a fonte de alimentação desligada e a saída de zero por cento, monte o circuito conforme mostrado. Desta vez, use o medidor de energia digital para medir a corrente e a tensão de curto-circuito. Ligue a fonte de alimentação trifásica e ajuste lentamente o Variac para aumentar a tensão até que a leitura da corrente no medidor de energia digital atinja a corrente de entrada nominal. Registre a tensão e a corrente do curto-circuito, bem como a potência real do curto-circuito e o fator de potência. Os reagentes de fuga são a soma dos reagentes do lado primário e dos reagentes do lado secundário refletidos, que são assumidos como iguais. Calcule os reagentes de fuga com as medições do ensaio de curto-circuito. Por fim, calcule a resistência total do fio de ambos os enrolamentos como a soma da resistência do enrolamento primário e a resistência refletida do enrolamento lateral secundário.

Os transformadores são dispositivos elétricos muito úteis que têm aplicações na área de conversão de energia e isolamento elétrico para segurança. O teste de carga mede a relação entre a tensão no primário e a tensão no secundário, bem como a relação entre a corrente no primário e a corrente no secundário. O circuito foi montado com um resistor de 100 Ohm conectado ao lado secundário e a corrente e a tensão medidas em ambos os lados. Com o lado primário em 115 volts, a tensão, corrente, potência real e fator de potência foram medidos em ambos os lados. A relação entre a tensão primária e a tensão secundária deve ser idealmente igual à relação de espiras. Um estudo dos neurônios sensoriais olfativos de camundongos usou luz ultravioleta de um tubo de flash de xenônio para dissociar certos compostos. O circuito para acionar um tubo de flash exigia altas tensões geradas com um transformador elevador. Como acontece com todos os equipamentos de alta tensão, o projeto seguro usa transformadores para isolamento elétrico para evitar curtos-circuitos acidentais entre componentes com tensões perigosas e outros componentes eletrônicos no circuito.

Você acabou de assistir à introdução de Jove aos transformadores monofásicos. Agora você deve entender como um transformador funciona e como medir seus parâmetros de circuito equivalentes. Obrigado por assistir!