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Já pensou na frustração de comprar um equipamento industrial trifásico de última geração e, na hora da instalação, descobrir que a tensão da sua rede é 220V, mas a máquina só opera em 380V? Já pensou no tamanho absurdo que os cabos elétricos teriam que ter para atravessar o país se a energia fosse transmitida em baixa tensão, perdendo quase toda a força no caminho pelo calor? Já pensou se cada vez que a rede da concessionária oscilasse, o seu painel de comando sensível fritasse instantaneamente por falta de um isolamento adequado? Pois bem, os transformadores são os componentes que tornam a distribuição de energia viável e segura. Eles são os "adaptadores" de potência do mundo elétrico, capazes de elevar a tensão para que ela viaje por centenas de quilômetros de forma eficiente, ou de rebaixá-la para que você possa ligar um motor ou uma lâmpada sem causar um curto-circuito. A seguir, você vai entender o princípio da indução eletromagnética que faz essa mágica acontecer, as diferenças entre transformadores de potência e de comando, e como escolher o kVA correto para não deixar o seu sistema "passar fome" ou operar no limite do superaquecimento.

O funcionamento de um transformador baseia-se na Lei de Faraday-Lenz, isto é, a tradução matemática e física do fenômeno que chamamos de Indução Eletromagnética. Em termos simples, ele utiliza a eletricidade para criar magnetismo e, depois, usa esse magnetismo para criar eletricidade novamente. O processo ocorre em três etapas fundamentais:

A CRIAÇÃO DO CAMPO MAGNÉTICO (PRIMÁRIO): Quando aplicamos uma tensão alternada (Ve) no enrolamento primário, surge uma corrente elétrica. Como essa corrente é alternada, ela cria ao redor da bobina um fluxo magnético, representado pela letra grega phi (Φ), que varia constantemente de intensidade e direção.
A CONDUÇÃO PELO NÚCLEO: para que esse magnetismo não se perca no ar, as bobinas são enroladas em um núcleo de material ferromagnético (geralmente chapas de aço silício). O núcleo serve como uma "estrada" que canaliza quase todo o fluxo magnético do primário diretamente para o enrolamento secundário.
A INDUÇÃO DA TENSÃO (SECUNDÁRIO): O fluxo magnético variável atravessa as espiras da bobina secundária. De acordo com a Lei de Faraday, sempre que um condutor é "cortado" por um campo magnético variável, uma Força Eletromotriz (FEM) é induzida nele. Assim, surge a tensão de saída (Vs).

É importante levar em consideração/conhecer algumas variáveis que envolvem os transformadores como as que se relacionam às perdas, como a histerese magnética e as correntes de Foucalt, e aquelas que se relacionam com a indução eletromagnética, como a isolação galvânica.

HISTERESE MAGNÉTICA: O termo "histerese" vem do grego e significa "atraso", na elétrica a usamos para descrever o "atraso" do material em se desmagnetizar. Visto que o transformador opera em corrente alternada, o campo magnético inverte seu sentido constantemente (120 vezes por segundo em uma rede de 60 Hz). Isso obriga os pequenos ímãs internos do metal, chamados de domínios magnéticos, a girarem freneticamente para acompanhar essa mudança. O problema é que o material oferece uma resistência interna a esse giro, como se fosse um atrito entre os domínios. Para vencer essa resistência e forçar o realinhamento magnético, o transformador consome uma parte da energia que deveria ser entregue à carga. Essa energia "desperdiçada" é dissipada na forma de calor, aquecendo o núcleo de ferro mesmo quando o transformador está sem carga no secundário.
CORRENTES DE FOUCALT (Parasitas): são pequenas correntes elétricas circulares induzidas no próprio núcleo de metal do transformador. Elas ocorrem devido à Lei de Faraday, que diz que todo condutor (neste caso, o ferro do núcleo) sujeito a um campo magnético variável terá uma corrente gerada em si. Como o núcleo é maciço e feito de material condutor, essas correntes circulam sem um caminho útil, gerando calor intenso devido à resistência do metal (Efeito Joule). Para combater esse desperdício de energia, os transformadores não são construídos com um bloco de ferro sólido. Em vez disso, o núcleo é composto por centenas de chapas finas de aço-silício, empilhadas e isoladas umas das outras por uma camada de verniz. Esse "fatiamento" do núcleo serve para criar barreiras físicas que interrompem o caminho das correntes, impedindo que elas cresçam e gerem calor excessivo.
PERDAS NO COBRE (efeito Joule): Diferente das perdas no núcleo, que ocorrem no ferro, as perdas no cobre acontecem nos fios que formam as bobinas do transformador. Elas são causadas pela resistência física que o cobre oferece à passagem da corrente elétrica. Quando os elétrons atravessam o fio, eles colidem com os átomos do metal, gerando calor. Esse fenômeno é conhecido como Efeito Joule.
ISOLAÇÃO GALVÂNICA: A isolação galvânica refere-se exclusivamente à separação entre o circuito elétrico de entrada (primário) e o circuito elétrico de saída (secundário). Propicia o surgimento de uma "rede flutuante", isto é, quando ela não possui nenhuma conexão direta com a terra. Enquanto antes do enrolamento primário do trafo dedicado (o de uma instalação particular (condomínio, fábrica etc.), o neutro do transformador da rede (que vem da concessionária ou é criado no próprio trafo) é aterrado, o que significa que ao tocar em uma das fases e encostar no chão fecha-se o circuito como se estivesse encostando fase-neutro, pois o neutro está em contato com a terra devido o aterramento, e a corrente circula da terra para o transformador da concessionária. Quando coloca-se um transformador particular, isto é, da própria instalação (chama-se transformador dedicado), seja ele elevador, rebaixador ou isolador, cria-se uma nova rede, onde não há mais neutro aterrado e sim um neutro em aberto, isto quer dizer que se você encostar na fase tocando o chão, não haverá corrente passando por você, seja em um sistema monofásico (fase e neutro), bifásico (duas fases e neutro) e trifásico (três fases e neutro fictício (originado a partir de um ponto comum às três fases e aterrado, portanto não vem da concessionária)). Obviamente se você aterrar o neutro do trafo dedicado perde-se a isolação galvânica - é comum aterrar nos transformadores elevadores e rebaixadores, mas nunca no isolador pois esta é sua única utilidade. A vantagem é que em uma indústria ao ter uma rede flutuante ela ficará livre de ruídos, como harmônicas (vindo de inversores e soft-starters), transientes/surtos de manobra (picos de tensão oriundas de motores grandes e máquinas de solda de grande porte), ruído de comutação (EMI/RFI) e, principalmente, ruido de neutro ("neutro sujo", isto é, se o vizinho tem um desequilíbrio de fases ou uma fuga de corrente, o neutro dele fica energizado, e como o seu Neutro está ligado ao dele pelo poste, a "sujeira" elétrica dele entra direto no "chão" do seu circuito eletrônico), vindo de empresas vizinhas pela rede da própria concessionária.

Existem três tipos de transformadores, os elevadores, rebaixadores e os isoladores, e além do transformador em si existe o autotransformador. Confira a seguir cada um deles.

TRANSFORMADOR ELEVADOR: O transformador elevador é aquele projetado para que a tensão de saída (secundário) seja maior do que a tensão de entrada (primário). Para que isso aconteça, ele utiliza o princípio da proporção entre o número de voltas de fio (espiras "N") em cada bobina. O trafo elevador possui menos voltas de fio no enrolamento primário, isto é, na bobina que é aplicada a tensão que será convertida, porém apresentam um condutor (fio) geralmente mais grosso para suportar uma corrente maior. O enrolamento secundário, isto é, a bobina por onde a tensão já convertida sai, possui muitas voltas de fio, mas com um condutor mais fino, já que a corrente será menor.
É fundamental lembrar que o transformador não "cria" energia. De acordo com a lei da conservação de energia, se aumentamos a tensão (V), a corrente (I) deve diminuir obrigatoriamente, portanto, no transformador a corrente é inversamente proporcional à tensão. Por exemplo, se um transformador eleva a tensão de 220V para 440V (dobrou a tensão), a corrente que era de 10A no primário cairá para 5A no secundário (metade da corrente), por esse motivo a potência de entrada é igual (ou aproximadamente devido as perdas) a potência de saída.
TRANSFORMADOR REBAIXADOR: O transformador rebaixador é projetado para entregar uma tensão de saída (secundário) menor do que a tensão de entrada (primário). Para isso, a proporção de espiras é invertida, no enrolamento primário (N1), há muitas espiras de fio mais fino, ele recebe a tensão alta da rede, seja 127, 220, 380 etc., e no enrolamento secundário (N2) há poucas espiras de fio mais grosso, já que, como a tensão será menor, a corrente disponível será maior, exigindo um condutor mais robusto para não derreter. Como a potência deve se manter equilibrada entre a entrada e a saída, ou seja ser igual ou aproximada igual, ao "rebaixar" a tensão, o transformador "ganha" capacidade de corrente. Por exemplo, imagine um transformador que reduz de 220V para 22V (redução de 10 vezes), se no primário ele consome 1A, no secundário ele poderá entregar até 10A para a carga - e é por isso que fontes de notebooks e carregadores de celular conseguem carregar baterias rapidamente com correntes altas, mesmo sendo ligados em tomadas comuns.
TRANSFORMADOR ISOLADOR: Este é um dos componentes mais importantes quando o assunto é segurança do operador e proteção de eletrônicos sensíveis. É chamado de isolador pois a maioria desses transformadores tem uma relação de 1:1, o que significa que, se entrar 220V, sairão 220V. O objetivo não é alterar a tensão, mas sim criar uma "barreira" física. Como o secundário não tem referência direta com o "Neutro" ou com o "Terra" da concessionária, através da rede flutuante, já discutido acima, o risco de choque elétrico em relação à terra é drasticamente reduzido. É utilizado em áreas médicas, para evitar choques em pacientes e interferência em monitores vitais; laboratórios de eletrônica, para permitir medições com osciloscópios sem queimar o equipamento (evitando curtos pelo "jacaré" do terra); circuitos de comando industrial, para evitar que ruídos de motores vizinhos "travem" a lógica do CLP.

Barreira Magnética: Ruídos de alta frequência e transientes têm dificuldade de "pular" de uma bobina para a outra através do magnetismo. Eles acabam virando calor no núcleo ou sendo bloqueados.
Novo Neutro: Ao usar um trafo isolador, você descarta o neutro sujo da rua e cria o seu próprio neutro no secundário. É como se você filtrasse a água da rua antes de beber; você separa a sua "sujeira" da sujeira dos outros.

AUTOTRANSFORMADOR (atrafo): É um transformador que possui só um enrolamento para funções de primário (ou entrada) e secundário (ou saída). É criado mediante a situação de que as duas bobinas do transformador são colocadas em série. Neste sentido, enquanto o transformador convencional transforma a energia através da indução, o atrafo transforma através da indução bem como da condução. Para caracterizá-lo vamos listar suas vantagens e desvantagens, bem como suas diferenças em relação ao trafo comum.

VANTAGENS DO ATRAFO:

Possível transferir mais potência com o mesmo equipamento, onde a potência aparente (S) do atrafo é maior que a potência aparente do trafo, isto é, Sat > St, nas mesmas condições;
Devido o atrafo transformar somente parte da energia através da indução, economiza-se na quantidade de material no núcleo e, consequentemente, vamos obter uma redução de peso, volume e custo;
Aumento de eficiência para mesma potência nominal;
Podem ser usados como fontes de tensão variáveis através de contatos móveis (escovas), que é o caso do VARIAC

DESVANTAGENS DO ATRAFO:

Maiores requisitos de isolação das bobinas, pois agora elas estão em contato;
Perda da isolação galvânica
Preocupação com segurança contra choque elétricos, pois agora não há mais isolação galvânica;
Fabricação da derivação requer cuidados;
Limitação de níveis de tensão de entrada e saída, na faixa de 3:1;
Aumento significativo da corrente de curto-circuito.

Assim como o transformador convencional, o atrafo também possuí as configurações de elevação e rebaixamento de tensão, e seus diagramas encontram-se abaixo.

Sendo as variáveis:
Va = Tensão na Alta;
Vb = Tensão na Baixa;
Vse = Tensão no enrolamento Série;
Vc = Tensão no enrolamento Comum, comum pois a tensão neste enrolamento é exatamente igual a tensão que entra ou sai;
Ib = Corrente da Baixa;
Ia = Corrente da Alta;
Ise = Corrente no enrolamento Série;
Ic = Corrente no Enrolamento Comum

Assim como os motores, os transformadores encontram-se em configurações diferentes de fornecimentos de tensão: monofásicos, bifásicos e trifásicos, além dos tipos de ligação e fechamento, como estrela, triângulo e zig-zag.

TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

Este é o transformador da REDE MONOFÁSICA/MRT (Monofilar com Retorno por Terra), e como o nome já diz entra-se com uma fase no no enrolamento/bobina do primário (H1) que é aterrada, fechando-se o circuito fase-terra e fluindo corrente para gerar o campo magnético. No caso da imagem, geralmente a tensão da rede é 13.8kV (13800). Ao entrar os 13.8kV, saem duas fases (X1 e X3) e um neutro (X2), que se origina no tap central do secundário e que está aterrado, permitindo dois níveis de tensão distintos (fase-neutro, a tensão de fase, e fase-fase, a tensão de linha). É interessante conhecer a ligação em Delta Aberto (também conhecida como ligação V-V), é uma configuração fascinante e muito específica que acontece quando usamos apenas dois transformadores monofásicos para fornecer energia trifásica - muito comum na paisagem urbana.

TRANSFORMADOR BIFÁSICO

Como o nome sugere, o transformador é alimentado com duas fases no primário, ideal para redes bifásicas ou, ainda, trifásicas. Contêm no primário duas bobinas, e seu esquema de ligação é semelhante ao monofásico, porém a bobina primária não é mais fechada no terra, e sim entre as fases, fechando-se o circuito fase-fase, com o secundário saindo duas fases mais o neutro aterrado. Existem duas configurações possíveis para o primário do transformador bifásico, sendo a primeira as duas bobinas conectadas em série e o ponto comum entre elas é aterrado confeccionando maiores valores de tensão na entrada e se adaptando à rede; a segunda conta com as bobinas em paralelo, que confere maior capacidade de corrente e mantém o valor nominal de tensão das bobinas.

TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Muito difundido no meio urbano, o transformador trifásico é o ideal para as redes trifásicas, pois como o nome sugere entram no primário, onde encontram-se três enrolamentos, três fases. Estes trafos podem ser construídos de duas formas diferentes em relação ao núcleo, sendo o banco trifásico e o núcleo trifásico. O banco trifásico dispõe de três transformadores monofásicos, sendo o modo construtivo mais caro, porém de mais fácil manutenção. Já o núcleo trifásico, intuitivamente, um único núcleo ferromagnético é compartilhado entre as fases, o que confere menos material nuclear, deixando o trafo leve e barato, porém mais dificultoso para manutenções. Existem muitas formas de ligação para os trafos trifásicos, cada uma com suas peculiaridades, e que posteriormente iremos falar delas mais detalhadamente:

LIGAÇÃO ESTRELA - ESTRELA (Y - Y);
LIGAÇÃO DELTA - DELTA (Δ - Δ);
LIGAÇÃO ESTRELA - DELTA (Y - Δ );
LIGAÇÃO DELTA - ESTRELA (Δ - Y);
LIGAÇÃO ZIG-ZAG (ou "estrela interconectada")

Obviamente, além destes transformadores citados inicialmente existem os transformadores que são utilizados em bancadas, dentro de painéis elétricos e em cabines primárias. No entanto, mostrei aqueles em que a denominação comum de transformadores se expandem rapidamente aos que mais estão visiveis no dia a dia: os transformadores presentes nos postes, pois eles são o que vem logo a mente, mas o principio que rege estes transformadores não difere dos outros que existem por debaixo do pano. Abaixo você pode conhecer mais especificamente sobre os transformadores, basta clicar na guia "CLIQUE AQUI PARA SABER MAIS".

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