Teoria do Transformador em Operação com Carga e Sem Carga

Definição do Transformador

Um transformador é definido como um dispositivo elétrico que transfere energia elétrica entre dois ou mais circuitos através de indução eletromagnética.

Teoria do Transformador em Carga Nula

Sem Resistência de Enrolamento e sem Reatância de Fuga

Considere um transformador com apenas perdas no núcleo, o que significa que não há perda de cobre ou reatância de fuga. Quando uma fonte de corrente alternada é aplicada ao primário, ela fornece corrente para magnetizar o núcleo do transformador.

Mas esta corrente não é a corrente de magnetização real; ela é um pouco maior que a corrente de magnetização real. A corrente total fornecida pela fonte tem dois componentes, um é a corrente de magnetização, que é utilizada apenas para magnetizar o núcleo, e outro componente da corrente da fonte é consumido para compensar as perdas no núcleo do transformador.

Devido ao componente de perda no núcleo, a corrente da fonte em carga nula não fica atrasada em relação à tensão de alimentação exatamente 90°, mas por um ângulo θ, que é menor que 90°. A corrente total Io tem um componente Iw em fase com a tensão de alimentação V1, representando o componente de perda no núcleo.

Este componente é tomado em fase com a tensão da fonte porque está associado às perdas ativas ou de trabalho no transformador. Outro componente da corrente da fonte é denotado como Iμ.

Este componente produz o fluxo magnético alternado no núcleo, portanto, é wattless; significa que é a parte reativa da corrente da fonte do transformador. Portanto, Iμ estará em quadratura com V1 e em fase com o fluxo alternado Φ. Assim, a corrente primária total em um transformador em condição de carga nula pode ser representada como:

Agora você viu quão simples é explicar a teoria do transformador em carga nula.

Teoria do Transformador sob Carga

Sem Resistência de Enrolamento e Reatância de Fuga

Agora examinaremos o comportamento do transformador mencionado acima sob carga, o que significa que a carga está conectada aos terminais secundários. Considere um transformador com perdas no núcleo, mas sem perda de cobre e reatância de fuga. Sempre que uma carga é conectada ao enrolamento secundário, a corrente de carga começará a fluir através da carga e também do enrolamento secundário.

Esta corrente de carga depende exclusivamente das características da carga e também da tensão secundária do transformador. Esta corrente é chamada de corrente secundária ou corrente de carga, aqui denotada como I2. Como I2 está fluindo pelo secundário, será produzida uma MMF (Força Magnetomotriz) no enrolamento secundário. Aqui, é N2I2, onde N2 é o número de espiras do enrolamento secundário do transformador.

Esta MMF ou força magnetomotriz no enrolamento secundário produz o fluxo φ2. Este φ2 opor-se-á ao fluxo de magnetização principal e momentaneamente enfraquecerá o fluxo principal, tentando reduzir a auto-indução E1 no primário. Se E1 cair abaixo da tensão de alimentação V1, haverá uma corrente extra fluindo da fonte para o enrolamento primário.

Esta corrente primária extra I2′ produz um fluxo extra φ′ no núcleo, que neutraliza o fluxo contrário secundário φ2. Portanto, o fluxo de magnetização principal do núcleo, Φ, permanece inalterado, independentemente da carga. Assim, a corrente total que este transformador retira da fonte pode ser dividida em dois componentes.

O primeiro é utilizado para magnetizar o núcleo e compensar as perdas no núcleo, isto é, Io. É o componente de carga nula da corrente primária. O segundo é utilizado para compensar o fluxo contrário do enrolamento secundário.

É conhecido como o componente de carga da corrente primária. Portanto, a corrente primária total I1 de um transformador de potência elétrica sem resistência de enrolamento e reatância de fuga pode ser representada como segue:

Onde θ2 é o ângulo entre a Tensão Secundária e a Corrente Secundária do transformador. Agora, daremos um passo adiante em direção a um aspecto mais prático do transformador.

Teoria do Transformador Sob Carga, com Enrolamentos Resistentes, mas sem Reatância de Fuga

Agora, considere a resistência dos enrolamentos do transformador, mas sem reatância de fuga. Até agora, discutimos o transformador que possui enrolamentos ideais, ou seja, enrolamentos sem resistência e reatância de fuga, mas agora consideraremos um transformador que possui resistência interna nos enrolamentos, mas sem reatância de fuga. Como os enrolamentos são resistentes, haverá uma queda de tensão nos enrolamentos.

Comprovamos anteriormente que a corrente primária total da fonte sob carga é I1. A queda de tensão no enrolamento primário com resistência R1 é R1I1. Obviamente, a força eletromotriz induzida no enrolamento primário E1 não é exatamente igual à tensão da fonte V1. E1 é menor que V1 pela queda de tensão I1R1.

Novamente, no caso do secundário, a tensão induzida no enrolamento secundário, E2, não aparece totalmente na carga, pois também cai por uma quantidade I2R2, onde R2 é a resistência do enrolamento secundário e I2 é a corrente secundária ou corrente de carga.

Da mesma forma, a equação de tensão do lado secundário do transformador será:

Teoria do Transformador Sob Carga, com Resistência e Reatância de Fuga

Agora, consideraremos a condição quando há reatância de fuga do transformador, bem como resistência dos enrolamentos do transformador.

Sejam as reatâncias de fuga dos enrolamentos primário e secundário do transformador X1 e X2, respectivamente. Portanto, a impedância total dos enrolamentos primário e secundário do transformador, com resistências R1 e R2, respectivamente, pode ser representada como:

Já estabelecemos a equação de tensão de um transformador sob carga, com apenas resistências nos enrolamentos, onde as quedas de tensão nos enrolamentos ocorrem apenas devido à queda de tensão resistiva.

Mas, quando consideramos a reatância de fuga dos enrolamentos do transformador, a queda de tensão ocorre nos enrolamentos não apenas devido à resistência, mas também devido à impedância dos enrolamentos do transformador. Portanto, a equação de tensão real do transformador pode ser facilmente determinada substituindo as resistências R1 & R2 nas equações de tensão estabelecidas anteriormente por Z1 e Z2.

Portanto, as equações de tensão são:

As quedas de resistência estão na direção do vetor de corrente. Mas uma queda reativa será perpendicular ao vetor de corrente, conforme mostrado no diagrama vetorial acima do transformador.