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As Indústrias ou até pequenos comércios, tem a necessidade de manter seguro o funcionamento da sua produção. A princípio não imaginamos que os problemas que aparecem nas máquinas são devidos à instabilidades na tensão elétrica de alimentação. Já que são essas variações elétricas nas tensões do local instalado, as responsáveis pela forma incorreta de funcionamento. Nesse sentido é preciso um transformador isolador para minimizar tais problemas.
Primeiramente, o transformador é um dispositivo que permite elevar ou abaixar os valores de tensão em um circuito de CA. Dessa forma, a maioria dos equipamentos eletrônicos emprega transformadores para elevar ou abaixar tensões.
Ao se ligar uma bobina a uma fonte de CA, um campo magnético variável surge ao seu redor. Assim sendo, se outra bobina for aproximada da primeira, o campo magnético da bobina cortará as espiras da segunda bobina.
Por consequência da variação do campo magnético sobre as espiras, surge uma tensão induzida na segunda bobina.
A bobina na qual se aplica a tensão CA é denominada primário do transformador isolador. A bobina onde surge a tensão induzida é denominada secundário do transformador de baixa tensão.
Tensão Induzida no Secundário
Isolação Magnética
As bobinas primária e secundária são eletricamente isoladas entre si. Em outras palavras, a transferência de energia de uma para a outra se dá exclusivamente através das linhas de forças magnéticas. Dessa forma, a tensão induzida no secundário é proporcional ao número de linhas magnéticas que cortam a bobina secundária e ao número de suas espiras. Por isso, o primário e o secundário são montados sobre um núcleo de material ferromagnético.
Isolação Magnética por Núcleo Comum
A função do núcleo é diminuir a dispersão do campo magnético, fazendo com que o secundário seja cortado pelo maior número possível de linhas magnéticas. Como resultado, obtém-se uma transferência melhor de energia entre primário e secundário. A figura a seguir mostra isso:
Campo Magnético com a Presença de um Núcleo Ferromagnético
Com o emprego do núcleo, embora o aproveitamento do fluxo magnético gerado seja melhor, o ferro maciço sofre perdas por aquecimento causadas por dois fatores: a histerese magnética e as correntes parasitas.
As perdas por histerese magnética são causadas pela oposição que o ferro oferece à passagem do fluxo magnético. Embora essas perdas sejam diminuídas com o emprego de ferro doce na fabricação do núcleo.
As perdas por corrente parasita (ou por correntes de Foucault) aquecem o ferro. Em suma, porque a massa metálica sob variação do fluxo gera dentro de si mesma uma força eletromotriz (FEM). Sendo assim, a FEM gera uma circulação de corrente parasita que, por Efeito Joule, aquece o núcleo.
O transformador isolador isola também os ruídos, eliminando as interferências. Desse modo é bem usado no setor de áudio e vídeo e eliminando possíveis ruídos de interligação. Além disso, também é uado para alimentar motores, geradores, no-break, equipamentos de ar condicionado, em área civis, compressores,hospitais etc.
Características Construtivas de um Transformador Isolador
A fim de que seu aquecimento seja minimizado, os núcleos são construídos com chapas de ferro isoladas entre si. Inegavelmente o uso de lâminas não elimina o aquecimento, mas este se torna bastante reduzido em relação ao núcleo de ferro maciço.
Chapas Empilhadas – Núcleo
Além disso, as chapas de ferro contêm uma porcentagem de silício em sua com posição. Isso favorece a condutibilidade do fluxo magnético.
Entenda como funciona um Transformador Isolador na representação abaixo.
A figura a seguir mostra os símbolos usados para representar o transformador isolador, segundo a norma da ABNT:
Representação do Transformador Isolador segundo a ABNT
Além disso, os traços colocados no símbolo entre as bobinas do primário e secundário indicam o núcleo de ferro laminado. O núcleo de ferro é usado em transformadores que funcionam em baixas freqüências (50, 60 e 120Hz).
Contudo, para frequências altas (kHz), os transformadores são geralmente montados em núcleo de ferrite, cujo símbolo é mostrado a seguir:
Núcleo em Ferrite
Fabricação de um Transformador Isolador
O transformador isolador é fabricado com enrolamento em alumínio, ou cobre e lâminas de aço silício, seja em grão orientado, ou não orientado. Além disso apresenta isolação a seco em verniz . Depois de finalizado é alojado em um invólucro em aço, com pintura eletrostática. Em síntese, procedimento dentro dos padrões exigidos pela norma da ABNT.
Esse tipo de transformador isolador de baixa tensão tem como vantagem não agredir a natureza por não liberar gases tóxicos. Em segundo lugar, adaptam-se com facilidade ao sistema de ventilação forçada, aumentando a capacidade nominal em até 40%. Alem de resistir a altas temperaturas e de apresentar um baixo nível de ruído e serem isentos de manutenção.
O núcleo utilizado para formar o transformador isolador tem que ser de alta qualidade com grãos orientados, o que garante maior rendimento, segurança e economia.
Transformador Isolador com mais de um Enrolamento Secundário
Com o intuito de se obter várias tensões diferentes, o transformador de baixa tensão podem ser construídos com mais de um secundário, como mostrado a seguir:
Múltiplos Enrolamentos Secundários
Relação de Transformação do Transformador de Baixa Tensão
De acordo com o visto anteriormente, a aplicação de uma tensão CA ao primário de um transformador causa o aparecimento de uma tensão induzida em seu secundário. Analogamente, aumentando-se a tensão aplicada ao primário, a tensão induzida no secundário aumenta na mesma proporção. Essa relação entre as tensões depende fundamentalmente da relação entre o número de espiras no primário e secundário.
Por exemplo, em um transformador isolador de baixa tensão com primário de 100 espiras e secundário de 200 espiras, a tensão do secundário será o dobro da tensão do primário. Desse modo, Np sendo o número de espiras do primário e Ns do secundário, pode-se escrever:
Vs/VP = 2 Ns/Np
O resultado da relação Vs/VP e Ns/ NP é chamado de relação de transformação e expressa relação entre a tensão aplicada ao primário e a tensão induzida no secundário. Então um transformador pode ser construído de forma a ter qualquer relação de transformação que seja necessária. Veja exemplo na tabela a seguir:
Sabe-se que um transformador isolador recebe uma quantidade de energia elétrica no primário. Em seguida, é transformada em campo magnético e, posteriormente convertida novamente em energia elétrica que será disponibilizada no secundário
Primeiramente, a quantidade de energia absorvida da rede elétrica pelo primário é denominada de potência do primário, representada pela notação PP. Admitindo-se que não existam perdas por aquecimento do núcleo, pode-se concluir que toda a energia absorvida no primário está disponível no secundário.
A energia disponível no secundário chama-se potência do secundário (PS). Sendo assim, se não existem perdas, é possível afirmar que PS = PP.
A potência do primário depende da tensão aplicada e da corrente absorvida da rede, ou seja:
Assim sendo, a potência do secundário é o produto da tensão e corrente no secundário, ou seja:
Em suma, a relação de potência do transformador ideal é, portanto:
Vs x Is = Vp x Ip.
Essa expressão permite que se determine qualquer um dos valores do transformador isolador se outros três forem conhecidos.