Qual é o princípio de funcionamento de um transformador? Transformadores de corrente – princípio de funcionamento e aplicação

Transformador é um dispositivo eletromagnético estático que possui dois ou mais enrolamentos acoplados indutivamente e projetado para converter, por indução eletromagnética, um ou mais sistemas de corrente alternada em um ou mais outros sistemas de corrente alternada.

Os transformadores são amplamente utilizados para os seguintes propósitos.

Para transmissão e distribuição de energia elétrica. Normalmente, em usinas de energia, geradores de corrente alternada produzem energia elétrica com tensão de 6 a 24 kV.

Para alimentar diversos circuitos de equipamentos de rádio e televisão; dispositivos de comunicação, automação em telemecânica, eletrodomésticos; separar circuitos elétricos de vários elementos desses dispositivos; para correspondência de tensão

Incluir instrumentos de medição elétrica e alguns dispositivos, como relés, em circuitos elétricos de alta tensão ou em circuitos por onde passam grandes correntes, a fim de ampliar os limites de medição e garantir a segurança elétrica. Os transformadores usados ​​para esse propósito são chamados medindo. Possuem uma potência relativamente baixa, determinada pela potência consumida por instrumentos elétricos de medição, relés, etc.

Princípio de funcionamento do transformador

O circuito eletromagnético de um transformador monofásico de dois enrolamentos consiste em dois enrolamentos (Fig. 2.1) colocados em um circuito magnético fechado, que é feito de material ferromagnético. A utilização de um núcleo magnético ferromagnético permite fortalecer o acoplamento eletromagnético entre os enrolamentos, ou seja, reduzir a resistência magnética do circuito por onde passa o fluxo magnético da máquina. O enrolamento primário 1 está conectado a uma fonte de corrente alternada - uma rede elétrica com tensão você 1 . A resistência de carga Z H está conectada ao enrolamento secundário 2.

O enrolamento de maior tensão é chamado enrolamento de alta tensão (HV) e baixa tensão - enrolamento de baixa tensão (NN). O início e o fim do enrolamento de alta tensão são designados por letras A E X; Enrolamentos LV - letras A E X.

Quando conectado à rede, a corrente alternada aparece no enrolamento primário eu 1 , que cria um fluxo magnético alternado F, fechando ao longo do circuito magnético. O fluxo F ​​induz fems alternados em ambos os enrolamentos - e 1 E e 2 , proporcional, de acordo com a lei de Maxwell, ao número de voltas w 1 e c 2 Enrolamento correspondente e taxa de mudança de fluxo d F/ dt.

Assim, os valores instantâneos da fem induzida em cada enrolamento são

e 1 = - w 1 d F/dt; e2= -w 2 dФ/dt.

Consequentemente, a proporção de EMF instantâneo e efetivo nos enrolamentos é determinada pela expressão

Consequentemente, selecionando o número de voltas do enrolamento de acordo, em uma determinada tensão U 1 você pode obter a tensão desejada U 2 . Se for necessário aumentar a tensão secundária, então o número de voltas w 2 é considerado maior que o número w 1; tal transformador é chamado aumentando Se você precisar reduzir a tensão você 2 , então o número de voltas w 2 é menor que w 1; tal transformador é chamado para baixo,

Razão EMF E Enrolamentos HV de tensão mais alta para EMF E Enrolamentos LV de baixa tensão (ou a proporção de seu número de voltas) são chamados taxa de transformação

k= E VN/ E NN = c VN/ c NN

Coeficiente k sempre maior que um.

Em sistemas de transmissão e distribuição de energia, em alguns casos, são utilizados transformadores de três enrolamentos, e em radioeletrônica e dispositivos de automação, são utilizados transformadores de múltiplos enrolamentos. Nesses transformadores, três ou mais enrolamentos isolados entre si são colocados no núcleo magnético, o que permite receber duas ou mais tensões diferentes ao alimentar um dos enrolamentos (VOCÊ 2 , VOCÊ 3 , VOCÊ 4, etc.) para fornecimento de energia a dois ou mais grupos de consumidores. Em transformadores de potência de três enrolamentos, é feita uma distinção entre enrolamentos de alta, baixa e média tensão (MT).

Apenas tensões e correntes são convertidas em um transformador. A potência permanece aproximadamente constante (diminui um pouco devido às perdas internas de energia no transformador). Por isso,

EU 1 /EU 2 ≈ você 2 /VOCÊ 1 ≈ c 2 /c 1 .

Quando a tensão secundária do transformador aumenta em k vezes em comparação com o primário, atual eu 2 no enrolamento secundário diminui de acordo k uma vez.

O transformador só pode operar em circuitos de corrente alternada. Se o enrolamento primário de um transformador estiver conectado a uma fonte de corrente contínua, então um fluxo magnético é formado em seu fio magnético, constante em magnitude e direção ao longo do tempo. Portanto, nos enrolamentos primário e secundário em estado estacionário, a EMF não é induzida e, portanto, a energia elétrica não é transferida do circuito primário para o secundário. Este modo é perigoso para o transformador, pois devido à falta de EMF E 1 corrente do enrolamento primário EU 1 =você 1 R 1 é bem grande.

Uma propriedade importante de um transformador usado em dispositivos de automação e radioeletrônica é sua capacidade de converter a resistência de carga. Se você conectar uma resistência a uma fonte CA R através de um transformador com uma relação de transformação Para, então para o circuito fonte

R" = P 1 /EU 1 2 ≈ P 2 /EU 1 2 ≈ eu 2 2 R/I 1 2 ≈ k 2 R

Onde R 1 - potência consumida pelo transformador de fonte de corrente alternada, W; R 2 = eu 2 2 R≈ P 1 - potência consumida pela resistência R do transformador.

Por isso, o transformador altera o valor da resistência R para k 2 uma vez. Esta propriedade é amplamente utilizada no desenvolvimento de diversos circuitos elétricos para combinar a resistência da carga com a resistência interna das fontes de energia elétrica.

Transformadoré um dispositivo eletromagnético estático com dois (ou mais) enrolamentos, geralmente projetado para converter corrente alternada de uma tensão em corrente alternada de outra tensão. A conversão de energia em um transformador é realizada por um campo magnético alternado. Os transformadores são amplamente utilizados na transmissão de energia elétrica por longas distâncias, distribuindo-a entre receptores, bem como em diversos dispositivos de retificação, amplificação, sinalização e outros.

Ao transmitir energia elétrica de uma usina aos consumidores, a intensidade da corrente na linha provoca perdas de energia nesta linha e o consumo de metais não ferrosos para seu dispositivo. Se, com a mesma potência transmitida, a tensão for aumentada, a intensidade da corrente diminuirá na mesma medida e, portanto, será possível utilizar fios com seção transversal menor. Isso reduzirá o consumo de metais não ferrosos na construção de uma linha de transmissão de energia e reduzirá as perdas de energia nela.

A energia elétrica é gerada em usinas por geradores síncronos com tensão de 11 a 20 kV; em alguns casos, é usada uma tensão de 30-35 kV. Embora tais tensões sejam demasiado elevadas para utilização industrial e doméstica directa, não são suficientes para a transmissão económica de electricidade a longas distâncias. O aumento adicional da tensão nas linhas de energia (até 750 kV ou mais) é realizado por transformadores elevadores.

Os receptores de energia eléctrica (lâmpadas incandescentes, motores eléctricos, etc.) por razões de segurança dependem de uma tensão mais baixa (110-380 V). Além disso, a fabricação de dispositivos elétricos, instrumentos e máquinas para alta tensão está associada a dificuldades significativas de projeto, uma vez que as partes que transportam corrente desses dispositivos em alta tensão requerem isolamento reforçado. Portanto, a alta tensão na qual a energia é transmitida não pode ser usada diretamente para alimentar os receptores e é fornecida a eles por meio de transformadores abaixadores.

A energia elétrica CA deve ser transformada de 3 a 4 vezes ao longo do caminho, desde a usina onde é gerada até o consumidor. Nas redes de distribuição, os transformadores abaixadores são carregados de forma não simultânea e não em plena capacidade. Portanto, a potência total dos transformadores utilizados para transmissão e distribuição de eletricidade é 7 a 8 vezes maior que a potência dos geradores instalados nas usinas.

A conversão de energia em um transformador é realizada por um campo magnético alternado por meio de um núcleo magnético.

As tensões dos enrolamentos primário e secundário geralmente não são iguais. Se a tensão do primário for menor que a do secundário, o transformador é chamado de elevador, se for maior que o secundário, é chamado de abaixador. Qualquer transformador pode ser usado como transformador elevador e abaixador. Transformadores elevadores são usados ​​para transmitir eletricidade por longas distâncias, e transformadores abaixadores são usados ​​para distribuí-la entre os consumidores.

Dependendo da finalidade, existem transformadores de potência, transformadores de medição de tensão e transformadores de corrente

Transformadores de potência converter corrente alternada de uma tensão em corrente alternada de outra tensão para fornecer eletricidade aos consumidores. Dependendo da finalidade, podem ser crescentes ou decrescentes. Nas redes de distribuição, via de regra, são utilizados transformadores abaixadores trifásicos de dois enrolamentos, convertendo tensões de 6 e 10 kV em tensões de 0,4 kV. (Os principais tipos de transformadores são TMG, TMZ, TMF, TMB, TME, TMGSO, TM, TMZH, TDTN, TRDN, TSZ, TSZN, TSZGL e outros.)

Transformadores de tensão- São transformadores intermediários através dos quais os instrumentos de medição são ligados em altas tensões. Graças a isso, os instrumentos de medição ficam isolados da rede, o que permite a utilização de instrumentos padrão (com escala reclassificada) e, assim, amplia os limites das tensões medidas.

Os transformadores de tensão são utilizados tanto para medição de tensão, potência, energia, quanto para alimentação de circuitos de automação, alarmes e proteção de relés de linhas de energia contra faltas à terra.

Em alguns casos, os transformadores de tensão podem ser usados ​​como transformadores redutores de baixa potência ou como transformadores elevadores de teste (para testar o isolamento de dispositivos elétricos).

Os seguintes tipos de transformadores de tensão são apresentados no mercado russo:

3NOL.06, ZNOLP, ZNOLPM, ZNOL.01PMI, 3xZNOL.06, 3xZNOLP, 3xZNOLPM, NOL.08, NOL.11-6.O5, NOL.12 OM3, ZNOL.06-35 (ZNOLE-35), ZNOL 35 , NOL 35, NOL-35 III, NAMIT-10, ZNIOL, ZNIOL-10-1, ZNIOL-10-P, ZNIOL-20, ZNIOL-20-P, ZNIOL-35, ZNIOL-35-P, ZNIOL-35 -1, NIOL -20, NIOL-35, NOL-SESH -10, NOL-SESH -10-1, NOL-SESH-6, NOL-SESH-6-1, NOL-SESH-20, NOL-SESH-35 , 3xZNOL-SESH-6, 3xZNOL-SESH -10, NALI-SESH-10, NALI-SESH-6, NTMI 6, NTMI 10, NAMI 6, NAMI 10, NAMI 35, NAMI 110, ZNAMIT-6, ZNAMIT-10 , ZNOMP 35, NOM 6, NOM 10, NOM 35, NKF 110, NKF 150, NKF 220 e outros.

Para transformadores de medição de tensão, o enrolamento primário é 3000/√3, 6000/√3, 10000/√3, 13800/√3, 18000/√3, 24000/√3, 27000/√3, 35000/√3, 66000 /√3, 110000/√3, 150000/√3, 220000/√3, 330000/√3, 400000/√3, 500000/√3 e o secundário 100/√3 ou 110/√3.

Transformador de correnteé um dispositivo auxiliar no qual a corrente secundária é praticamente proporcional à corrente primária e foi projetado para incluir instrumentos de medição e relés em circuitos elétricos de corrente alternada.

Fornecido com classe de precisão: 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2S.

Os transformadores de corrente são usados ​​​​para converter corrente de qualquer valor e tensão em uma corrente conveniente para medição com instrumentos padrão (5 A), alimentar enrolamentos de corrente de relés, desconectar dispositivos, bem como isolar dispositivos e seu pessoal operacional de alta tensão.

IMPORTANTE! Os transformadores de corrente estão disponíveis com as seguintes relações de transformação: 5/5, 10/5, 15/5, 20/5, 30/5, 40/5, 50/5, 75/5, 100/5, 150/5, 200/5, 300/5, 400/5, 500/5, 600/5, 800/5, 1000/5, 1500/5, 2000/5, 2500/5, 3000/5, 5000/5, 8000/ 5, 10000/5.
Os transformadores de corrente no mercado russo são representados pelos seguintes modelos:

TOP-0,66, TShP-0,66, TOP-0,66-I, TShP-0,66-I, TShL-0,66, TNShL-0,66, TNSh-0,66, TOL-10, TLO-10, TOL-10-I, TOL-10- M, TOL-10-8, TOL-10-IM, TOL-10 III, TSHL-10, TLSH-10, TPL-10-M, TPOL-10, TPOL-10M, TPOL-10 III, TL-10, TL-10-M, TPLC-10, TOLK-6, TOLK-6-1, TOLK-10, TOLK-10-2, TOLK-10-1, TOL-20, TSL-20-I, TPL-20, TPL-35, TOL-35, TOL-35-III-IV, TOL-35 II-7.2, TLC-35, TV, TLC-10, TPL-10S, TLM-10, TSHLP-10, TPK-10, TVLM -10, TVK-10, TVLM-6, TLK-20, TLK-35-1, TLK-35-2, TLK-35-3, TOL-SESH 10, TOL-SESH-20, TOL-SESH-35, TSHL-SESH 0,66, transformadores Ritz, TPL-SESH 10, TZLK(R)-SESH 0,66, TV-SESH-10, TV-SESH-20, TV-SESH-35, TSHL-SESH-10, TSHL-SESH-20 , TZLV-SESH-10 e outros.

Classificação de transformadores de tensão

Os transformadores de tensão diferem:

A) pelo número de fases - monofásica e trifásica;
b) pelo número de enrolamentos - dois enrolamentos, três enrolamentos, quatro enrolamentos.
Exemplo 0,5/0,5S/10P;
c) de acordo com a classe de precisão, ou seja, de acordo com os valores de erro permitidos;
d) por método de resfriamento - transformadores com resfriamento a óleo (óleo), com resfriamento a ar natural (seco e com isolamento fundido);
e) por tipo de instalação - para instalação interna, para instalação externa e para quadro completo.

Para tensões de até 6 a 10 kV, os transformadores de potencial são fabricados a seco, ou seja, com resfriamento natural a ar. Para tensões acima de 6-10 kV, são utilizados transformadores de potencial a óleo.

Os transformadores internos são projetados para operar em temperaturas ambientes de -40 a + 45°C com umidade relativa de até 80%.

EM transformadores monofásicos tensões de 6 a 10 kV, o isolamento fundido é predominantemente usado. Os transformadores com isolamento fundido são total ou parcialmente (um enrolamento) preenchidos com massa isolante (resina epóxi). Esses transformadores, destinados à instalação interna, diferem favoravelmente dos transformadores a óleo: têm menos peso e dimensões gerais e quase não requerem manutenção durante a operação.

Transformadores trifásicos de dois enrolamentos as tensões possuem circuitos magnéticos convencionais de três hastes e circuitos blindados monofásicos de três enrolamentos.
Transformador trifásico de três enrolamentosé um grupo de três unidades monofásicas e unipolares, cujos enrolamentos são conectados de acordo com o circuito apropriado. Os transformadores de tensão trifásicos de três enrolamentos da série antiga (antes de 1968-1969) tinham núcleos magnéticos blindados. Um transformador trifásico é menor em peso e dimensões do que um grupo de três transformadores monofásicos. Ao operar um transformador trifásico para backup, é necessário ter outro transformador com potência máxima
Nos transformadores imersos em óleo, o principal meio isolante e de resfriamento é o óleo do transformador.

Transformador de óleo consiste em um circuito magnético, enrolamentos, um tanque, uma tampa com entradas. O núcleo magnético é montado a partir de chapas de aço elétrico laminadas a frio, isoladas umas das outras (para reduzir perdas por correntes parasitas). Os enrolamentos são feitos de fio de cobre ou alumínio. Para regular a tensão, o enrolamento de alta tensão possui ramificações conectadas à chave. Os transformadores fornecem dois tipos de comutação de taps: sob carga - comutador em carga (regulação em carga) e sem carga, após desconectar o transformador da rede - comutação sem carga (comutação não excitada). O segundo método de regulação de tensão é o mais comum por ser o mais simples.

Além dos já citados transformadores refrigerados a óleo (Transformer TM), os transformadores são produzidos em versão selada (TMG), em que o óleo não se comunica com o ar e, portanto, sua oxidação e umedecimento acelerados são excluídos. Os transformadores a óleo em design selado são totalmente preenchidos com óleo de transformador e não possuem expansor, e as mudanças de temperatura em seu volume durante o aquecimento e resfriamento são compensadas por mudanças no volume das ondulações das paredes do tanque. Esses transformadores são preenchidos com óleo sob vácuo, o que aumenta a resistência elétrica de seu isolamento.

Transformador seco, assim como o óleo, consiste em um núcleo magnético, enrolamentos de alta e baixa tensão, encerrados em uma caixa protetora. O principal meio isolante e de resfriamento é o ar atmosférico. No entanto, o ar é um meio isolante e de resfriamento menos perfeito que o óleo de transformador. Portanto, nos transformadores secos, todas as lacunas de isolamento e dutos de ventilação são maiores do que nos transformadores a óleo.

Os transformadores secos são fabricados com enrolamentos com isolamento de vidro classe de resistência ao calor B (TSZ), bem como com isolamento em vernizes de silicone classe N (TSZK). Para reduzir a higroscopicidade, os enrolamentos são impregnados com vernizes especiais. A utilização de fibra de vidro ou amianto como isolamento dos enrolamentos pode aumentar significativamente a temperatura de funcionamento dos enrolamentos e obter uma instalação praticamente à prova de fogo. Esta propriedade dos transformadores secos permite utilizá-los para instalação em ambientes secos nos casos em que a garantia da segurança contra incêndio da instalação seja um fator decisivo. Às vezes, os transformadores secos são substituídos por transformadores secos mais caros e difíceis de fabricar.

Os transformadores a seco possuem dimensões e peso totais ligeiramente maiores (transformador TSZ) e menor capacidade de sobrecarga que os a óleo, e são utilizados para operação em espaços fechados com umidade relativa não superior a 80%. As vantagens dos transformadores secos incluem a segurança contra incêndio (sem óleo), simplicidade comparativa de projeto e custos operacionais relativamente baixos.

Classificação de transformadores de corrente

Os transformadores de corrente são classificados de acordo com vários critérios:

1. De acordo com sua finalidade, os transformadores de corrente podem ser divididos em medição (TOL-SESH-10, TLM-10), proteção, intermediário (para inclusão de instrumentos de medição em circuitos de corrente de proteção de relé, para equalização de correntes em circuitos de proteção diferencial, etc.) e laboratório (alta precisão, bem como com muitas taxas de transformação).

2. De acordo com o tipo de instalação, os transformadores de corrente são diferenciados:
a) para instalação externa, instalado em quadro aberto (TLK-35-2.1 UHL1);
b) para instalação interna;
c) incorporados em aparelhos e máquinas elétricas: interruptores, transformadores, geradores, etc.;
d) aéreo - colocado no topo da bucha (por exemplo, na entrada de alta tensão de um transformador de potência);
e) portátil (para medições de controle e testes laboratoriais).

3. De acordo com o projeto do enrolamento primário, os transformadores de corrente são divididos:
a) multivoltas (bobina, enrolamento em loop e enrolamento em forma de oito);
b) volta única (haste);
c) pneus (TSh-0,66).

4. De acordo com o método de instalação, os transformadores de corrente para instalação interna e externa são divididos:
a) postos de controle (TPK-10, TPL-SESH-10);
b) suporte (TLK-10, TLM-10).

5. Com base no isolamento, os transformadores de corrente podem ser divididos em grupos:
a) com isolamento seco (porcelanato, baquelite, isolamento epóxi fundido, etc.);
b) com isolamento de papel-óleo e com isolamento de papel-óleo de capacitor;
c) preenchido com composto.

6. De acordo com o número de estágios de transformação, existem transformadores de corrente:
a) estágio único;
b) dois estágios (cascata).

7. Os transformadores são classificados de acordo com a tensão de operação:
a) para tensão nominal acima de 1000 V;
b) para tensão nominal até 1000 V.

A combinação de várias características de classificação é incluída na designação do tipo de transformador de corrente, que consiste em partes alfabéticas e digitais.

Os transformadores de corrente são caracterizados por corrente nominal, tensão, classe de precisão e design. Na tensão de 6-10 kV são feitos como enrolamentos de suporte e passagem com um ou dois enrolamentos secundários de classe de precisão 0,2; 0,5; 1 e 3. A classe de precisão indica o erro máximo introduzido pelo transformador de corrente nos resultados da medição. Transformadores de classes de precisão 0,2, que apresentam erro mínimo, são utilizados para medições de laboratório, 0,5 - para alimentação de medidores, 1 e 3 - para alimentação de enrolamentos de corrente de relés e instrumentos técnicos de medição. Para uma operação segura, os enrolamentos secundários devem ser aterrados e não devem estar em circuito aberto.
Na instalação de quadros com tensão de 6 a 10 kV, são utilizados transformadores de corrente com isolamento fundido e porcelana, e para tensões até 1000 V - com isolamento fundido, algodão e porcelana.

Um exemplo é o transformador de corrente de referência TOL-SESH-10 de 2 enrolamentos com isolamento fundido para tensão nominal de 10 kV, versão de projeto 11, com enrolamentos secundários:

Para conexão de circuitos de medição, com classe de precisão 0,5 e carga 10 VA;
- para ligação de circuitos de proteção, com classe de precisão 10P e carga 15 VA;

Para uma corrente primária nominal de 150 Amperes, uma corrente secundária nominal de 5 Amperes, modificação climática “U”, categoria de colocação 2 de acordo com GOST 15150-69 ao fazer um pedido de produção da JSC VolgaEnergoKomplekt:

TOL-SESH-10-11-0.5/10R-10/15-150/5 U2 - com corrente primária nominal - 150A, secundária - 5A.

A operação de um transformador é baseada no fenômeno da indução mútua. Se o enrolamento primário de um transformador estiver conectado a uma fonte de corrente alternada, então uma corrente alternada fluirá através dele, o que criará um fluxo magnético alternado no núcleo do transformador. Este fluxo magnético, penetrando nas espiras do enrolamento secundário, induzirá nele uma força eletromotriz (EMF). Se o enrolamento secundário estiver em curto-circuito com qualquer receptor de energia, então, sob a influência do EMF induzido, uma corrente começará a fluir através deste enrolamento e através do receptor de energia.

Ao mesmo tempo, uma corrente de carga também aparecerá no enrolamento primário. Assim, a energia elétrica, ao ser transformada, é transferida da rede primária para a secundária na tensão para a qual foi projetado o receptor de energia conectado à rede secundária.

Para melhorar a conexão magnética entre os enrolamentos primário e secundário, eles são colocados sobre um núcleo magnético de aço. Os enrolamentos são isolados uns dos outros e do circuito magnético. O enrolamento de tensão mais alta é chamado de enrolamento de alta tensão (HV), e o enrolamento de tensão mais baixa é chamado de enrolamento de baixa tensão (LV). O enrolamento conectado à rede da fonte de energia elétrica é denominado primário; o enrolamento a partir do qual a energia é fornecida ao receptor é secundário.

Normalmente, as tensões dos enrolamentos primário e secundário não são iguais. Se a tensão do primário for menor que a do secundário, o transformador é chamado de elevador, se for maior que o secundário, é chamado de abaixador. Qualquer transformador pode ser usado como transformador elevador e abaixador. Transformadores elevadores são usados ​​para transmitir eletricidade por longas distâncias, e transformadores abaixadores são usados ​​para distribuí-la entre os consumidores.

Nos transformadores de três enrolamentos, três enrolamentos isolados um do outro são colocados no núcleo magnético. Tal transformador, alimentado por um dos enrolamentos, permite receber duas tensões diferentes e fornecer energia elétrica a dois grupos diferentes de receptores. Além dos enrolamentos de alta e baixa tensão, o transformador de três enrolamentos possui um enrolamento de média tensão (MT).

Os enrolamentos do transformador têm formato predominantemente cilíndrico, feitos de fio de cobre redondo isolado em baixas correntes e de barras retangulares de cobre em altas correntes.

O enrolamento de baixa tensão está localizado mais próximo do núcleo magnético, pois é mais fácil isolá-lo dele do que o enrolamento de alta tensão.

O enrolamento de baixa tensão é isolado da haste por uma camada de algum material isolante. A mesma junta isolante é colocada entre os enrolamentos de alta e baixa tensão.

No caso de enrolamentos cilíndricos, é aconselhável dar à seção transversal do núcleo magnético um formato redondo para que não fiquem lacunas não magnéticas na área coberta pelos enrolamentos. Quanto menores forem as lacunas não magnéticas, menor será o comprimento das voltas do enrolamento e, portanto, a massa de cobre para uma determinada área da seção transversal da barra de aço.

No entanto, é difícil produzir varetas redondas. O núcleo magnético é montado a partir de finas chapas de aço, e para obter uma haste redonda seria necessário um grande número de chapas de aço de diferentes larguras, e isso exigiria a fabricação de muitas matrizes. Portanto, em transformadores de alta potência, a haste tem uma seção transversal escalonada com um número de etapas não superior a 15-17. O número de passos na seção da haste é determinado pelo número de ângulos em um quarto do círculo. A culatra do circuito magnético, ou seja, aquela parte que conecta as hastes, também tem uma seção transversal escalonada.

Para melhor resfriamento, dutos de ventilação são instalados em núcleos magnéticos, bem como nos enrolamentos de potentes transformadores, em planos paralelos e perpendiculares ao plano das chapas de aço.
Nos transformadores de baixa potência, a área da seção transversal do fio é pequena e os enrolamentos são simplificados. Os núcleos magnéticos de tais transformadores têm seção transversal retangular.

Classificações do transformador

A potência útil para a qual um transformador é projetado de acordo com as condições de aquecimento, ou seja, a potência de seu enrolamento secundário em carga total (nominal) é chamada de potência nominal do transformador. Essa potência é expressa em unidades de potência aparente - volt-amperes (VA) ou quilovolt-amperes (kVA). A potência ativa de um transformador é expressa em watts ou quilowatts, ou seja, a potência que pode ser convertida de elétrica em mecânica, térmica, química, luminosa, etc. bem como qualquer aparelho elétrico ou máquina elétrica, são determinados não pela componente ativa da corrente ou potência ativa, mas pela corrente total que flui através do condutor e, portanto, pela potência total. Todos os demais valores que caracterizam o funcionamento de um transformador nas condições para as quais foi projetado também são chamados de nominais.

Cada transformador está equipado com uma blindagem de material que não está sujeito às influências atmosféricas. A placa é fixada no tanque do transformador em local visível e contém seus dados de classificação, que são gravados, gravados, gofrados ou de outra forma para garantir a durabilidade da sinalização. Os seguintes dados são indicados no painel do transformador:

1. Marca do fabricante.
2. Ano de fabricação.
3. Número de série.
4. Designação de tipo.
5. Número da norma à qual corresponde o transformador fabricado.
6. Potência nominal (kVA). (Para três enrolamentos, indique a potência de cada enrolamento.)
7. Tensões nominais e tensões de ramificação dos enrolamentos (V ou kV).
8. Correntes nominais de cada enrolamento (A).
9. Número de fases.
10. Frequência atual (Hz).
11. Diagrama e grupo de conexão dos enrolamentos do transformador.
12. Tensão de curto-circuito (%).
13. Tipo de instalação (interna ou externa).
14. Método de resfriamento.
15. Massa total do transformador (kg ou t).
16. Massa de óleo (kg ou t).
17. Massa da parte ativa (kg ou t).
18. Posições da chave indicadas em seu acionamento.

Para um transformador com refrigeração artificial a ar, sua potência é adicionalmente indicada quando a refrigeração é desligada. O número de série do transformador também está estampado no tanque sob a blindagem, na tampa próxima à entrada HV da fase A e na extremidade esquerda do flange superior do feixe de culatra do circuito magnético. O símbolo do transformador consiste em partes alfabéticas e digitais. As letras significam o seguinte:

T - trifásico,
O - monofásico,
M - resfriamento natural do óleo,
D - resfriamento do óleo com jateamento (ar artificial e com circulação natural do óleo),
C - resfriamento de óleo com circulação forçada de óleo através de refrigerador de água,
DC - óleo com explosão e circulação forçada de óleo,
G - transformador à prova de raios,
H no final da designação - transformador com regulação de tensão sob carga,
H em segundo lugar - preenchido com dielétrico líquido não inflamável,
T em terceiro lugar está um transformador de três enrolamentos.

O primeiro número após a designação da letra do transformador mostra a potência nominal (kVA), o segundo número - a tensão nominal do enrolamento de alta tensão (kV). Assim, tipo TM 6300/35 significa um transformador trifásico de dois enrolamentos com refrigeração natural a óleo com potência de 6300 kVA e tensão de enrolamento de alta tensão de 35 kV. A letra A na designação do tipo de transformador significa autotransformador. Na designação de autotransformadores de três enrolamentos, a letra A é colocada em primeiro ou em último lugar. Se o circuito do autotransformador for o principal (os enrolamentos de AT e MT formam um autotransformador, e o enrolamento de BT é adicional), a letra A é colocada primeiro; se o circuito do autotransformador for adicional, a letra A é colocada por último.

Um transformador é um dispositivo indispensável na engenharia elétrica.

Sem ele, o sistema energético na sua forma atual não poderia existir.

Esses elementos também estão presentes em muitos aparelhos elétricos.

Quem quiser conhecê-los melhor está convidado a ler este artigo, cujo tema é o transformador: princípio de funcionamento e tipos de dispositivos, bem como sua finalidade.

Este é o nome dado a um dispositivo que altera a magnitude da tensão elétrica alternada. Existem variedades que podem alterar sua frequência.

Muitos dispositivos estão equipados com esses dispositivos e também são usados ​​​​de forma independente.

Por exemplo, instalações que aumentam a tensão para transmitir corrente ao longo de rodovias elétricas.

Eles aumentam a tensão gerada pela usina para 35 - 750 kV, o que proporciona um benefício duplo:

• as perdas nos fios são reduzidas;
• são necessários fios menores.

Nas redes elétricas urbanas, a tensão é novamente reduzida para 6,1 kV, novamente utilizando. Nas redes de distribuição que distribuem eletricidade aos consumidores, a tensão é reduzida para 0,4 kV (este é o habitual 380/).

Princípio da Operação

O funcionamento de um dispositivo transformador é baseado no fenômeno da indução eletromagnética, que consiste no seguinte: quando os parâmetros do campo magnético que atravessa um condutor mudam, surge neste último um EMF (força eletromotriz). O condutor em um transformador está presente na forma de uma bobina ou enrolamento e a fem total é igual à soma da fem de cada volta.

Para o funcionamento normal é necessário excluir o contato elétrico entre as espiras, pois utilizam um fio em bainha isolante. Esta bobina é chamada de secundária.

O campo magnético necessário para gerar EMF na bobina secundária é criado por outra bobina. Ele está conectado a uma fonte de corrente e é chamado de primário. O funcionamento da bobina primária baseia-se no fato de que quando a corrente flui através de um condutor, um campo eletromagnético se forma ao seu redor e, se for enrolado em uma bobina, é amplificado.

Como funciona um transformador?

Ao fluir através da bobina, os parâmetros do campo eletromagnético não mudam e não é capaz de causar um EMF na bobina secundária. Portanto, os transformadores funcionam apenas com tensão alternada.

A natureza da conversão de tensão é influenciada pela relação entre o número de voltas nos enrolamentos - primário e secundário. É designado “Kt” - coeficiente de transformação. A lei está em vigor:

Kt = W1 / W2 = U1 / U2,

• W1 e W2 - número de voltas nos enrolamentos primário e secundário;
• U1 e U2 - tensão em seus terminais.

Portanto, se houver mais voltas na bobina primária, a tensão nos terminais da bobina secundária será menor. Tal dispositivo é chamado de dispositivo redutor; seu Kt é maior que um. Se houver mais voltas na bobina secundária, o transformador aumenta a tensão e é chamado de transformador elevador. Seu Kt é menor que um.

Grande transformador de potência

Se negligenciarmos as perdas (transformador ideal), segue-se da lei da conservação da energia:

P1 = P2,

onde P1 e P2 são a potência atual nos enrolamentos.

Porque o P=U*I, Nós temos:

• U1 * I1 = U2 * I2;
• I1 = I2 * (U2 / U1) = I2 / Kt.

Isso significa:

• na bobina primária do dispositivo abaixador (Kt > 1) flui uma corrente de menor intensidade do que no circuito secundário;
• com transformadores elevadores (Kt< 1) все наоборот: сила тока в первичной катушке выше, чем в цепи вторичной.

Esta circunstância é levada em consideração na seleção da seção transversal dos fios para os enrolamentos dos dispositivos.

Projeto

Os enrolamentos do transformador são colocados em um núcleo magnético - uma peça feita de aço ferromagnético, transformador ou outro aço magnético macio. Ele serve como condutor do campo eletromagnético da bobina primária para a bobina secundária.

Sob a influência de um campo magnético alternado, também são geradas correntes no circuito magnético - elas são chamadas de correntes parasitas. Essas correntes levam a perdas de energia e aquecimento do circuito magnético. Esta última, para reduzir ao mínimo este fenómeno, é constituída por muitas placas isoladas umas das outras.

As bobinas são colocadas no circuito magnético de duas maneiras:

• aproximar;
• enrole um em cima do outro.

Os enrolamentos dos microtransformadores são feitos de folha com espessura de 20 a 30 mícrons. Como resultado da oxidação, sua superfície torna-se dielétrica e desempenha a função de isolante.

Projeto do transformador

Na prática, é impossível atingir a relação P1 = P2 devido a três tipos de perdas:

1. dissipação de campo magnético;
2. aquecimento de fios e circuito magnético;
3. histerese.

As perdas por histerese são custos de energia para reversão da magnetização do circuito magnético. A direção das linhas do campo eletromagnético muda constantemente. Cada vez é preciso vencer a resistência dos dipolos na estrutura do circuito magnético, alinhados de uma determinada forma na fase anterior.

Eles se esforçam para reduzir as perdas por histerese usando diferentes designs de núcleos magnéticos.

Então, na realidade, os valores de P1 e P2 são diferentes e a relação P2/P1 é chamada de eficiência do aparelho. Para medi-lo, são utilizados os seguintes modos de operação do transformador:

• movimento ocioso;
• em curto-circuito;
• com carga.

Em alguns tipos de transformadores operando com tensão de alta frequência, não existe circuito magnético.

Modo inativo

O enrolamento primário está conectado a uma fonte de corrente e o circuito secundário está aberto. Com esta conexão, a corrente sem carga flui na bobina, que representa principalmente a corrente de magnetização reativa.

Este modo permite determinar:

• Eficiência do dispositivo;
• taxa de transformação;
• perdas no circuito magnético (na linguagem dos profissionais - perdas no aço).

Circuito transformador em modo inativo

Modo de curto-circuito

Os terminais do enrolamento secundário são fechados sem carga (em curto-circuito), de forma que a corrente no circuito é limitada apenas pela sua resistência. A tensão é aplicada aos contatos primários para que a corrente no circuito do enrolamento secundário não exceda a nominal.

Esta conexão permite determinar as perdas de aquecimento dos enrolamentos (perdas de cobre). Isto é necessário ao implementar circuitos que utilizam resistência ativa em vez de um transformador real.

Modo de carregamento

Neste estado, um consumidor está conectado aos terminais do enrolamento secundário.

Resfriamento

Durante a operação, o transformador aquece.

Três métodos de resfriamento são usados:

1. natural: para modelos de baixo consumo de energia;
2. ar forçado (sopro de ventilador): modelos de média potência;
3. transformadores potentes são resfriados com líquido (principalmente óleo).

Dispositivo refrigerado a óleo

Tipos de transformadores

Os dispositivos são classificados de acordo com a finalidade, tipo de circuito magnético e potência.

Transformadores de potência

O grupo mais numeroso. Isto inclui todos os transformadores que operam na rede elétrica.

Autotransformador

Este tipo possui contato elétrico entre os enrolamentos primário e secundário. Ao enrolar o fio, são tiradas várias conclusões - ao alternar entre elas, é utilizado um número diferente de voltas, o que altera a relação de transformação.

• Maior eficiência. Isso se explica pelo fato de apenas parte da energia ser convertida. Isto é especialmente importante quando a diferença entre as tensões de entrada e saída é pequena.
• Baixo custo. Isso se deve ao menor consumo de aço e cobre (o autotransformador possui dimensões compactas).

Esses dispositivos são vantajosos para uso em redes com tensões de 110 kV ou mais com aterramento efetivo em Kt não superior a 3-4.

Transformador de corrente

Usado para reduzir a corrente no enrolamento primário conectado à fonte de alimentação. O dispositivo é utilizado em sistemas de proteção, medição, sinalização e controle. A vantagem em relação aos circuitos de medição shunt é a presença de isolamento galvânico (sem contato elétrico entre os enrolamentos).

A bobina primária é conectada ao circuito de corrente alternada – sendo testado ou controlado – com a carga em série. Um dispositivo indicador de atuação, por exemplo, um relé ou um dispositivo de medição, é conectado aos terminais do enrolamento secundário.

Transformador de corrente

A resistência permitida no circuito da bobina secundária é limitada a valores escassos - quase um curto-circuito. Para a maioria das bobinas de corrente, a corrente nominal nesta bobina é de 1 ou 5 A. Quando o circuito é aberto, é gerada uma alta tensão nele, que pode romper o isolamento e danificar os dispositivos conectados.

Transformador de pulso

Funciona com pulsos curtos, cuja duração é medida em dezenas de microssegundos. A forma do pulso praticamente não é distorcida. Usado principalmente em sistemas de vídeo.

Transformador de soldagem

Este aparelho:

• reduz a tensão;
• projetado para corrente nominal no circuito do enrolamento secundário de até milhares de amperes.

É possível regular a corrente de soldagem alterando o número de voltas dos enrolamentos envolvidos no processo (eles possuem vários terminais). Neste caso, o valor da reatância indutiva ou da tensão secundária de circuito aberto muda. Por meio de terminais adicionais, os enrolamentos são divididos em seções, portanto a corrente de soldagem é ajustada em etapas.

As dimensões do transformador dependem em grande parte da frequência da corrente alternada. Quanto mais alto, mais compacto será o dispositivo.

Transformador de soldagem TDM 70-460

O projeto das modernas máquinas de solda inverter é baseado neste princípio. Neles, a corrente alternada é processada antes de ser fornecida ao transformador:

• retificado por meio de ponte de diodos;
• no inversor - uma unidade eletrônica controlada por microprocessador com transistores de chave de comutação rápida - torna-se novamente variável, mas com uma frequência de 60 a 80 kHz.

É por isso que estas máquinas de soldar são tão leves e pequenas.

Fontes de alimentação do tipo switching também são usadas, por exemplo, em PCs.

Transformador de isolação

Este dispositivo possui necessariamente isolamento galvânico (não há contato elétrico entre os enrolamentos primário e secundário), e Kt é igual a um. Ou seja, o transformador de isolamento deixa a tensão inalterada. É necessário melhorar a segurança da conexão.

Tocar em elementos energizados de equipamentos conectados à rede por meio de tal transformador não resultará em choque elétrico grave.

Na vida cotidiana, este método de conexão de aparelhos elétricos é apropriado em ambientes úmidos - em banheiros, etc.

Além dos transformadores de potência, existem transformadores de isolamento de sinal. Eles são instalados em um circuito elétrico para isolamento galvânico.

Núcleos magnéticos

Existem três tipos:

1. Haste. Feito em forma de haste com seção escalonada. As características deixam muito a desejar, mas são fáceis de implementar.
2. Blindado. Eles conduzem melhor o campo magnético que os de haste e, além disso, protegem os enrolamentos de influências mecânicas. Desvantagem: alto custo (requer muito aço).
3. Toroidal. O tipo mais eficaz: criam um campo magnético concentrado e uniforme, o que ajuda a reduzir perdas. Transformadores com núcleo magnético toroidal têm a maior eficiência, mas são caros devido à complexidade de fabricação.

Poder

A potência é geralmente indicada em volt-amperes (VA). De acordo com este critério, os dispositivos são classificados da seguinte forma:

• baixa potência: menos de 100 VA;
• potência média: várias centenas de VA;

Existem instalações de alta potência, medidas em milhares de VA.

Os transformadores diferem em finalidade e características, mas seu princípio de funcionamento é o mesmo: um campo magnético alternado gerado por um enrolamento excita um EMF no segundo, cuja magnitude depende do número de voltas.

A necessidade de converter tensão surge com muita frequência, razão pela qual os transformadores são amplamente utilizados. Este dispositivo pode ser feito de forma independente.

O princípio de funcionamento do transformador é baseado na famosa lei da indução mútua. Se você ligar o enrolamento primário deste, a corrente alternada começará a fluir através deste enrolamento. Esta corrente criará um fluxo magnético alternado no núcleo. Este fluxo magnético começará a penetrar nas espiras do enrolamento secundário do transformador. Um EMF alternado (força eletromotriz) será induzido neste enrolamento. Se você conectar (curto-circuitar) o enrolamento secundário a algum tipo de receptor de energia elétrica (por exemplo, a uma lâmpada incandescente convencional), então, sob a influência de uma força eletromotriz induzida, uma corrente elétrica alternada fluirá através do enrolamento secundário para o receptor.

Ao mesmo tempo, a corrente de carga fluirá através do enrolamento primário. Isto significa que a eletricidade será transformada e transmitida do enrolamento secundário para o enrolamento primário na tensão para a qual a carga foi projetada (ou seja, o receptor de eletricidade conectado à rede secundária). O princípio de funcionamento do transformador baseia-se nesta interação simples.

Para melhorar a transmissão do fluxo magnético e fortalecer o acoplamento magnético, o enrolamento do transformador, tanto primário quanto secundário, é colocado em um núcleo magnético de aço especial. Os enrolamentos são isolados do circuito magnético e uns dos outros.

O princípio de funcionamento do transformador varia de acordo com a tensão dos enrolamentos. Se a tensão dos enrolamentos secundário e primário for igual, será igual à unidade, e então o próprio significado do transformador como conversor de tensão na rede se perde. Transformadores abaixadores e elevadores separados. Se a tensão primária for menor que a secundária, esse dispositivo elétrico será chamado de transformador elevador. Se o secundário for menor, então para baixo. No entanto, o mesmo transformador pode ser usado como transformador elevador e abaixador. Um transformador elevador é usado para transmitir energia a várias distâncias, para trânsito e outras coisas. Os redutores são usados ​​​​principalmente para redistribuir eletricidade entre os consumidores. O cálculo geralmente é feito levando-se em consideração sua posterior utilização como abaixador ou elevador de tensão.

Conforme mencionado acima, o princípio de funcionamento do transformador é bastante simples. No entanto, existem alguns detalhes interessantes no seu design.

Nos transformadores de três enrolamentos, três enrolamentos isolados são colocados em um núcleo magnético. Tal transformador pode receber duas tensões diferentes e transmitir energia para dois grupos de receptores de eletricidade ao mesmo tempo. Nesse caso, dizem que além dos enrolamentos de baixa tensão, um transformador de três enrolamentos também possui um enrolamento de média tensão.

Os enrolamentos do transformador têm formato cilíndrico e são completamente isolados uns dos outros. Com tal enrolamento, a seção transversal da haste terá um formato redondo para reduzir as lacunas não magnetizadas. Quanto menos lacunas, menor será a massa de cobre e, conseqüentemente, a massa e o custo do transformador.

Com a descoberta e início do uso industrial da eletricidade, surgiu a necessidade de criar sistemas para a sua conversão e entrega aos consumidores. Foi assim que surgiram os transformadores, cujo princípio de funcionamento será discutido.

Seu aparecimento foi precedido pela descoberta do fenômeno da indução eletromagnética pelo grande físico inglês Michael Faraday, há quase 200 anos. Mais tarde, ele e seu colega americano D. Henry desenharam um diagrama do futuro transformador.

Transformador Faraday

A primeira concretização da ideia em ferro ocorreu em 1848 com a criação de uma bobina de indução pelo mecânico francês G. Ruhmkorff. Os cientistas russos também deram a sua contribuição. Em 1872, o professor da Universidade de Moscou A.G. Stoletov descobriu o circuito de histerese e descreveu a estrutura de um ferromagneto, e 4 anos depois, o notável inventor russo PN Yablochkov recebeu uma patente para a invenção do primeiro transformador de corrente alternada.

Como funciona um transformador e como funciona

Transformadores são o nome de uma enorme “família” que inclui transformadores monofásicos, trifásicos, abaixadores, elevadores, de medição e muitos outros tipos. Seu principal objetivo é converter uma ou mais tensões de corrente alternada em outra baseada na indução eletromagnética em frequência constante.

Então, resumidamente, como funciona o transformador monofásico mais simples. Consiste em três elementos principais - os enrolamentos primário e secundário e o circuito magnético que os une em um único todo, no qual são, por assim dizer, amarrados. A fonte é conectada exclusivamente ao enrolamento primário, enquanto o enrolamento secundário retira e transmite ao consumidor a tensão já alterada.

O enrolamento primário conectado à rede cria um campo eletromagnético alternado no circuito magnético e forma um fluxo magnético, que passa a circular entre os enrolamentos, induzindo neles uma força eletromotriz (EMF). Seu valor depende do número de voltas nos enrolamentos. Por exemplo, para diminuir a tensão, é necessário que haja mais espiras no enrolamento primário do que no secundário. É neste princípio que funcionam os transformadores abaixadores e elevadores.

Uma característica importante do projeto do transformador é que o núcleo magnético possui estrutura de aço, e os enrolamentos, geralmente de formato cilíndrico, são isolados dele, não estão diretamente conectados entre si e possuem marcações próprias.

Transformadores de tensão

Este é talvez o tipo mais numeroso de família de transformadores. Em suma, sua principal função é disponibilizar a energia produzida nas usinas para consumo de diversos dispositivos. Para tanto, existe um sistema de transmissão de energia composto por subestações transformadoras elevadoras e redutoras e linhas de energia.

Primeiro, a eletricidade produzida pela usina é fornecida a uma subestação transformadora elevadora (por exemplo, de 12 a 500 kV). Isto é necessário para compensar as inevitáveis ​​perdas de eletricidade durante a transmissão em longas distâncias.

A próxima etapa é uma subestação abaixadora, de onde a eletricidade é fornecida através de uma linha de baixa tensão para um transformador abaixador e depois para o consumidor na forma de uma tensão de 220 V.

Mas o trabalho dos transformadores não termina aí. A maioria dos eletrodomésticos que nos rodeiam - PCs, TVs, impressoras, máquinas de lavar automáticas, geladeiras, fornos de microondas, DVDs e até lâmpadas economizadoras de energia possuem transformadores abaixadores. Um exemplo de transformador de “bolso” individual é um carregador de celular (smartphone).

A enorme variedade de dispositivos eletrônicos modernos e as funções que eles desempenham correspondem a diversos tipos de transformadores. Esta não é uma lista completa deles: transformadores de potência, pulso, soldagem, separação, correspondência, rotação, trifásico, de pico, transformadores de corrente, toroidal, haste e armadura.

O que são eles, transformadores do futuro?

A indústria de transformadores é considerada bastante conservadora. No entanto, também tem de contar com mudanças revolucionárias no campo da engenharia eléctrica, onde a nanotecnologia se torna cada vez mais conhecida. Como muitos outros dispositivos, eles estão gradualmente ficando mais inteligentes.

Está em andamento uma busca ativa por novos materiais estruturais – isolantes e magnéticos – que possam proporcionar maior confiabilidade aos equipamentos transformadores. Uma direção poderia ser o uso de materiais amorfos, o que aumentará significativamente sua segurança e confiabilidade contra incêndio.

Surgirão transformadores à prova de explosão e fogo nos quais os bifenilos clorados, usados ​​para impregnar materiais isolantes elétricos, serão substituídos por dielétricos líquidos não tóxicos e ecologicamente corretos.

Um exemplo disso são os transformadores de potência SF6, onde a função do refrigerante é desempenhada pelo gás SF6 não inflamável, hexafluoreto de enxofre, em vez do óleo de transformador nada seguro.

É uma questão de tempo criar redes elétricas “inteligentes” equipadas com transformadores semicondutores de estado sólido com controle eletrônico, com a ajuda dos quais será possível regular a tensão em função das necessidades dos consumidores, em particular, conectar energias renováveis ​​​​e industriais fontes de energia para a rede doméstica ou, inversamente, desligue as desnecessárias quando não forem necessárias.

Outra área promissora são os transformadores supercondutores de baixa temperatura. O trabalho em sua criação começou na década de 60. O principal problema enfrentado pelos cientistas é o enorme tamanho dos sistemas criogênicos necessários para produzir hélio líquido. Tudo mudou em 1986, quando foram descobertos materiais supercondutores de alta temperatura. Graças a eles, foi possível abandonar dispositivos de refrigeração volumosos.

Os transformadores supercondutores têm uma qualidade única: em altas densidades de corrente, as perdas neles são mínimas, mas quando a corrente atinge valores críticos, a resistência do nível zero aumenta acentuadamente.