Como funciona um transformador?

Os transformadores são dispositivos essenciais na transmissão e distribuição de energia elétrica em todo o mundo. Transformadores são encontrados em postes, estações de energia e até mesmo em nossos aparelhos eletrônicos.

Mas você já se perguntou como funciona um transformador? Neste artigo, exploraremos em detalhes o funcionamento desse dispositivo crucial, abordando conceitos como transformador, transformador de tensão, transformador de energia, autotransformador e entenderemos como ele opera para possibilitar a transferência eficiente de energia.

Leia também

• Como escolher fusível para proteção de circuitos elétricos?
• Funcionamento do Disjuntor Diferencial Residual (DDR)

O que é um transformador?

Um transformador é um dispositivo eletromagnético utilizado para transferir energia elétrica de um circuito para outro, sem alterar a frequência da corrente alternada e por meio de um campo magnético variável.

Ele consiste em duas bobinas de fio condutor enroladas, conhecidas como enrolamentos primário e secundário, que são envolvidas em torno de um núcleo ferromagnético compartilhado.

Como funciona um transformador?

Seu princípio de funcionamento é baseado nas leis desenvolvidas para análise de circuitos magnéticos.

A Lei de Ampère, formulada por André-Marie Ampère, estabelece que o campo magnético ao redor de um condutor é proporcional à corrente elétrica que o atravessa. Essa lei descreve como os campos magnéticos são gerados por correntes elétricas.

A Lei de Faraday, formulada por Michael Faraday, estabelece que uma variação no fluxo magnético através de um circuito produz uma força eletromotriz (f.e.m.) induzida no circuito.

Isso significa que quando o fluxo magnético através de uma bobina varia, uma corrente elétrica é induzida na bobina.

Em resposta a essa variação do fluxo magnético, a Lei de Lenz, formulada por Heinrich Lenz, está relacionada à Lei de Faraday e estabelece que a corrente induzida em um circuito é sempre oposta à variação do fluxo magnético que a gerou.

Essa lei garante que a energia seja conservada e impede que a corrente induzida anule o próprio campo magnético que a gerou.

Como funciona um transformador?

Agora, vamos analisar o funcionamento de um transformador usando os conceitos citados anteriormente.

Quando uma corrente alternada passa pelo enrolamento primário, um campo magnético alternado é gerado ao redor do primário de acordo com a Lei de Ampère.

Esse campo magnético varia no tempo, gerando um fluxo magnético variável através do núcleo ferromagnético compartilhado pelo primário e pelo secundário.

De acordo com a Lei de Faraday, essa variação no fluxo magnético induz uma f.e.m. no enrolamento secundário. A f.e.m. induzida é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético.

Como resultado da f.e.m. induzida no secundário, uma corrente elétrica é gerada no circuito secundário, de acordo com a Lei de Lenz. Essa corrente será oposta à variação do fluxo magnético para manter a conservação de energia.

A relação entre as tensões e correntes no primário e no secundário do transformador é determinada pela relação de espiras (ou voltas) entre as bobinas. Se o número de espiras no secundário for maior que o número de espiras no primário, a tensão no secundário será maior que a tensão no primário. Se o número de espiras for menor, a tensão será reduzida.

Eficiência e conservação de energia

Os transformadores são projetados para operar com alta eficiência e rendimento, minimizando as perdas de energia durante a transferência.

Para reduzir as perdas, os transformadores são construídos com fios de cobre de alta condutividade e são projetados com materiais magnéticos de baixa relutância para o núcleo, como o ferro silício.

Além disso, os transformadores são isolados para evitar vazamentos de corrente e proteger os usuários contra riscos elétricos.

Os seguintes aspectos contribuem para que os transformadores apresentam valores baixos de perdas:

• O transformador é uma máquina estática, ou seja, não tem partes rotativas, não apresentando, portanto, perdas por atrito no eixo e por resistência do ar no entreferro
• O núcleo é constituído por placas laminadas e dotadas de materiais de alta resistência elétrica, as quais têm o objetivo de minimizar as perdas por correntes parasitas
• Materiais com alta permeabilidade magnética são utilizados para diminuir as perdas por histerese

Em geral, para a análise de circuito inicial dos transformadores, é utilizado o que chamamos de transformador ideal. Um transformador ideal não apresenta perdas e toda potência aplicada ao primário é entregue a carga.

Entretanto, no transformador real, as resistências dos enrolamentos não são desprezíveis, a permeabilidade do núcleo é finita. Há também uma corrente de magnetização não nula e a relutância do núcleo é diferente de zero.

Outra característica do transformador real é a dispersão das linhas de campo magnético, além das perdas no núcleo, por correntes parasitas, histerese, ruído, magneto estricção, por exemplo.

Para a representação do transformador real, é utilizado um modelo final igual ao transformador ideal adicionando as impedâncias internas e externas, representando as perdas.

Principais aplicações dos transformadores

Os transformadores são utilizados para transferir energia elétrica entre diferentes circuitos elétricos através de um campo magnético, usualmente com diferentes níveis de tensão.

As principais aplicações dos transformadores são:

• Adequar os níveis de tensão em sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica
• Isolar eletricamente sistemas de controle e eletrônicos do circuito de potência principal (toda a energia é transferida somente através do campo magnético)
• Realizar casamento de impedância de forma a maximizar a transferência de potência
• Evitar que a corrente contínua de um circuito elétrico seja transferida para outro circuito elétrico
• Realizar medidas de tensão e corrente. Um transformador pode fornecer isolação entre linhas de distribuição e dispositivos de medição

Transformador de tensão e transformador de energia

Uma das aplicações mais comuns dos transformadores é a alteração da tensão elétrica.

Como funciona um transformador?

Os transformadores de tensão possuem um número diferente de espiras no primário e no secundário, permitindo o ajuste da tensão elétrica de acordo com as necessidades.

Se o número de espiras no secundário for maior do que no primário, o transformador é chamado de transformador de elevação de tensão. Ele é usado em sistemas de transmissão de energia elétrica, onde a tensão precisa ser aumentada para minimizar as perdas durante a transmissão.

Por outro lado, se o número de espiras no secundário for menor, o transformador é conhecido como transformador de abaixamento de tensão. Ele é usado em aparelhos eletrônicos e em nossas residências para reduzir a tensão da rede de transmissão para níveis adequados de uso.

Autotransformador

Outra variante do transformador é o autotransformador, que difere dos transformadores convencionais por possuir apenas um enrolamento condutor que atua simultaneamente como primário e secundário. O autotransformador é usado em situações em que é necessário ajustar pequenas variações de tensão, como em equipamentos eletrônicos sensíveis.

O funcionamento do autotransformador é similar ao do transformador convencional, onde a variação do fluxo magnético induz uma f.e.m. e, consequentemente, uma corrente elétrica. A diferença reside no fato de que, no autotransformador, uma parte da corrente flui diretamente do enrolamento de entrada para o enrolamento de saída, sem passar por todo o percurso do fio condutor. Isso resulta em uma maior eficiência e menor perda de energia.

Para continuar aprendendo e descobrir como funciona um transformador de subestação, assista o vídeo abaixo!

Caso tenha dúvidas ou sugestões para próximos artigos, deixe abaixo nos comentários que te responderemos!

Veja também

A vida e legado de Nikola Tesla: o desenvolvimento da eletricidade

O que são componentes elétricos?

Entendendo as bobinas: princípios básicos e funcionamento

Diferença entre uma instalação elétrica monofásica, bifásica e trifásica