Transformadores de múltiplos enrolamentos

Tanto os conversores de energia AC/DC quanto os DC/DC e as fontes de alimentação usam o transformador. Os transformadores são um componente vital de qualquer circuito elétrico. Ele pode aumentar e diminuir as tensões até um limite seguro. Os transformadores são um componente obrigatório para qualquer circuito que possua saída CC e entrada de tensão de linha. No circuito DC/DC, o transformador funciona comutando os sinais PWM em vez do sinal senoidal AC.

Os transformadores com vários enrolamentos podem nos fornecer potência de saída com alta eficiência e em vários trilhos. Esses transformadores possuem múltiplas bobinas secundárias para aumentar ou diminuir a tensão de entrada até o valor desejado. Esses transformadores também são usados ​​para isolar vários trilhos em um sistema de energia.

Esboço rápido:

• O que é transformador de enrolamento múltiplo
• Introdução aos transformadores de dupla tensão
• Torneiras de transformador de enrolamento múltiplo
• Configurações de tensão para transformadores de múltiplos enrolamentos
• O que é transformador de múltiplos enrolamentos com derivação central
• Transformadores com derivação central usando transformador de dupla tensão
• Conclusão

O que é transformador de enrolamento múltiplo

Transformadores que possuem mais de um enrolamento em cada lado são chamados Transformadores de múltiplos enrolamentos . Eles geralmente têm um enrolamento primário e dois ou mais enrolamentos secundários. Esses transformadores são úteis para diferentes finalidades, como regulação de tensão, isolamento e casamento de impedância.

Os transformadores de enrolamentos múltiplos funcionam da mesma maneira que os transformadores comuns. Uma diferença é que eles têm mais de um enrolamento em cada lado . Para conectá-los, precisamos verificar as polaridades de tensão de cada enrolamento, que estão marcadas por pontos. Os pontos mostram a extremidade positiva (ou negativa) do enrolamento.

Os transformadores funcionam em indução mútua, o que significa que a tensão em cada enrolamento é proporcional ao número de voltas, conforme mostrado abaixo:

A potência em cada enrolamento é a mesma, então a relação de espiras é igual à razão de tensões. Por exemplo, se o enrolamento primário tiver 10 voltas e 100 volts, e o enrolamento secundário tiver 5 voltas, então a tensão secundária será de 50 volts. É assim que transformadores de enrolamentos múltiplos podem ter tensões de saída diferentes para bobinas diferentes.

Um transformador que pode ter diferentes secundários com espiras de fio variáveis. O número de voltas afeta a tensão da eletricidade. Mais voltas significam tensão mais alta e menos voltas significam tensão mais baixa. Portanto, um transformador pode produzir tensões diferentes para dispositivos diferentes a partir de uma fonte de eletricidade. Isto é útil para circuitos eletrônicos, como fontes de alimentação e conversores.

A seguir está um transformador de múltiplos enrolamentos com múltiplas conexões de enrolamento secundário. Cada um desses enrolamentos secundários fornece uma saída de tensão diferente.

Podemos usar o enrolamento primário individualmente ou conectá-lo a um par de outros enrolamentos diferentes para operar um transformador. No entanto, a conexão do enrolamento secundário depende de quanta tensão precisamos no lado da saída. O enrolamento secundário em configuração paralela só é possível se os dois enrolamentos conectados forem eletricamente idênticos. Em outras palavras, suas classificações de corrente e tensão devem corresponder.

Introdução aos transformadores de dupla tensão

Os transformadores de dupla tensão contêm enrolamentos primários duplos e enrolamentos secundários duplos. As especificações de tensão e corrente de ambos os primários são idênticas. Da mesma forma, as classificações de tensão e corrente de ambos os enrolamentos secundários também são as mesmas. Esses transformadores são projetados de forma que possam ser utilizados em diversas aplicações. Podemos alterar as derivações do transformador desses enrolamentos para criar uma combinação em série e paralelo para requisitos mais elevados de corrente e tensão. Esses tipos de transformadores de enrolamentos múltiplos são chamados de Transformadores de Dupla Tensão .

Torneiras de transformador de enrolamento múltiplo

Alguns transformadores são projetados de forma que você possa modificar sua relação de rotação alterando as conexões laterais primária e secundária. Essas conexões nos lados primário ou secundário de um transformador são chamadas torneiras de transformador .

O diagrama de conexão do transformador mostra a conexão de derivação única dos enrolamentos primário e secundário. Nesta imagem, podemos ver que as voltas da bobina secundária (400) são maiores que as voltas da bobina primária (100). Portanto, este é o diagrama de conexão de um transformador abaixador com enrolamento primário duplo e secundário duplo.

O transformador fornecido possui enrolamentos primários duplos e secundários duplos. Nestes enrolamentos, cada extremidade é chamada de terminal e existe um par de terminais para cada enrolamento.

Os terminais laterais primários ou de alta tensão são nomeados H₁ e H₂ .

Ao olhar para o transformador pelo lado secundário, o terminal de alta tensão do transformador é rotulado como H₁ . De acordo com a CSA, isso se tornou um padrão da indústria para rotular o terminal de alta tensão quando visto pelo lado secundário.

Da mesma forma, os outros terminais laterais do enrolamento de alta tensão são rotulados como H₃ e H₄ .

Pela figura podemos ver que para rotular o terminal secundário de um transformador de alta tensão a letra utilizada é X . Os dois terminais laterais secundários ou de baixa tensão são rotulados X ₁ , X ₂ , e X ₃ , X ₄ .

Transformadores com enrolamento duplo em cada um dos enrolamentos primário e secundário têm a vantagem. Desta forma, cada par de enrolamentos do transformador é unido em série ou em paralelo.

Agora considere o diagrama de conexão da torneira do transformador abaixo. Esta configuração também contém enrolamento primário duplo e secundário duplo. Aqui, ambos os enrolamentos do lado primário estão em série, enquanto os secundários estão em paralelo.

Pela conexão da torneira, você pode ver que no lado de alta tensão, o terminal H₂ está conectado ao terminal H₃ . Portanto, desta forma, ambos os enrolamentos de alta tensão estão em série um com o outro. O número de voltas para ambos os enrolamentos primários de alta tensão é de 400 voltas cada. Portanto, o lado primário ou de alta tensão tem um total de 800 voltas.

terminal X ₁ no lado de baixa tensão está ligado ao terminal X ₃ , enquanto terminal X ₂ está unido ao terminal X ₄ .

Os dois enrolamentos de baixa tensão, cada um com 100 voltas, são conectados em paralelo. Isso cria um único enrolamento secundário que tem um total de 100 voltas.

Portanto, este transformador tem um primário de 800 espiras e um secundário de 100 espiras e agora está configurado como um transformador abaixador com uma relação de espiras de 8:1 .

Agora considere o mesmo transformador com uma configuração diferente de conexões de tap. Neste cenário, os enrolamentos de alta tensão e os enrolamentos de baixa tensão são interligados em série.

Os enrolamentos de alta tensão possuem dois enrolamentos primários de 400 voltas, que são unidos em série. Isso criará um enrolamento único de alta tensão com um total de 800 voltas. Da mesma forma, os dois enrolamentos de baixa tensão de 100 espiras também estão ligados em série. Isso resultará em um único enrolamento secundário com 200 voltas. Portanto, a nova relação de rotação modificada que obteremos é agora 800:200 ou 4:1 .

Nesta configuração do transformador, ambos os enrolamentos do lado primário estão em conexão paralela, enquanto as conexões de ambos os lados secundários estão em série. Como os enrolamentos primários estão em paralelo, ambos os enrolamentos primários de 400 voltas atuarão como um único enrolamento primário com 400 voltas.

Ambos os enrolamentos dos lados secundários são conectados em série, cada um com 1.000 voltas. Ambos se somam para criar um único enrolamento secundário de baixa tensão de 200 voltas. A nova relação de espiras que obteremos para esta configuração de transformador é 400:200 ou 2:1 .

Portanto, cobrimos diferentes configurações do transformador com enrolamento primário duplo e secundário duplo. Desta forma, podemos ajustar as conexões dos taps primário e secundário para produzir diferentes relações de rotação.

Configurações de tensão para transformadores de múltiplos enrolamentos

Diferentes configurações permitem conectar os transformadores de múltiplos enrolamentos. A conexão de cada tipo depende de vários fatores, como a tensão de saída necessária e o barramento de energia ao qual precisamos conectar um transformador. Também depende da configuração da bobina se os lados primário ou secundário estão conectados em série ou em paralelo.

Vamos dar uma olhada em algumas configurações principais de transformadores com vários enrolamentos:

1. Configuração do transformador com vários enrolamentos

Um transformador com vários enrolamentos possui enrolamentos primários duplos e secundários duplos. Considere o seguinte transformador de enrolamentos múltiplos fornecido na imagem:

Algumas características principais de um transformador de enrolamentos múltiplos são:

• Os transformadores podem ter vários enrolamentos primários, vários enrolamentos secundários ou ambos.
• A tensão máxima em cada enrolamento do lado de alta tensão é a mais baixa das duas tensões.
• A tensão máxima em cada enrolamento de baixa tensão é a mais baixa das duas tensões secundárias.
• O isolamento pode ser danificado por qualquer tensão superior às classificações especificadas.
• Cada enrolamento de um transformador pode suportar com segurança metade da classificação de quilovolt-amperes (kVA) do transformador.
• Para obter a tensão necessária, podemos conectar baterias em série ou paralelo.

2. Transformador de distribuição multibobina

O transformador fornecido é classificado como 50 kVA, 2.400/4.800 V – 120/240 V. Disto podemos concluir que o lado de alta tensão pode suportar um máximo de 2.400 V por enrolamento. E esta tensão será sempre menor das duas tensões. Da mesma forma, o enrolamento do lado de baixa tensão ou secundário é classificado para uma tensão máxima de 120 V por enrolamento. Lembre-se de que exceder essas classificações de tensão pode danificar o isolamento.

Conexão do lado primário (alta tensão)

• Se quiser ligar o lado de alta tensão deste transformador de 50 kVA a um barramento de 4800 V, você precisará conectar os dois enrolamentos em série. Desta forma, a tensão do barramento de 4.800 V será dividida uniformemente, com cada enrolamento tendo que suportar a carga de 2.400 V.
• Ao conectar o lado de alta tensão a um barramento de 2.400 V, opte por uma conexão paralela. Isso garantirá que cada um dos enrolamentos experimente 2.400 V.

Conexão do Lado Secundário (Baixa Tensão)

• Para conectar o lado de baixa tensão ou secundário a um barramento de 240 V, conecte os dois enrolamentos em série. Isto divide a tensão do barramento igualmente, fornecendo 120 V para cada enrolamento.
• Se você precisar conectar o lado de baixa tensão a um barramento de 120 V, use uma conexão paralela. Dessa forma, cada enrolamento passa a trabalhar com 120 V.

3. Cálculos Atuais

Em um transformador, a classificação de volt-amperes (VA) pode ser calculada tomando o produto da tensão pela corrente. O transformador fornecido na configuração anterior pode suportar apenas metade do kVA total. Cada enrolamento de alta tensão e cada enrolamento de baixa tensão são classificados em 25 kVA.

Cálculo da corrente para enrolamento de alta tensão (primário):

Assim, a partir do resultado acima, podemos concluir que a corrente máxima que o enrolamento de alta tensão pode suportar é de 10,4 A.

Cálculo da corrente para enrolamento de baixa tensão (secundário):

Para enrolamentos de baixa tensão, a corrente máxima que pode suportar é de 208,3 Amps.

Agora, vejamos os valores combinados quando ambas as bobinas são consideradas juntas:

Cálculo da corrente para enrolamento de alta tensão (primário) com VA total:

A corrente máxima para o enrolamento de alta tensão quando ambas as bobinas do primário são consideradas é de 10,4 A.

Cálculo da corrente para enrolamento de baixa tensão (secundário) com VA total:

Novamente, a corrente máxima para o enrolamento de baixa tensão é 208,3 Amps.

Portanto, quer consideremos uma única bobina e metade do VA ou ambas as bobinas com VA completo, as correntes máximas calculadas para os enrolamentos de alta e baixa tensão permanecem as mesmas. Isto se deve ao projeto específico e à classificação do transformador.

4. Conexões de três fios do transformador multienrolamento

A derivação central do transformador com a linha única resultará em uma saída de 120 V, enquanto a derivação dupla com ambas as linhas resultará em 240 V.

Nas conexões secundárias de três fios (120/240 V), o transformador fornecerá kVA completo somente quando tiver uma carga perfeitamente equilibrada. Uma carga desequilibrada resulta na sobrecarga de um enrolamento. Isto resultará na superação da corrente nominal, já que cada enrolamento só pode suportar metade do kVA nominal.

O que é transformador de múltiplos enrolamentos com derivação central

Um transformador de derivação central é projetado para fornecer duas tensões secundárias diferentes. Estas tensões são EM _A e EM _B , com uma conexão compartilhada entre eles. Esta configuração do transformador criará uma fonte de alimentação bifásica de 3 fios.

As tensões secundárias e a tensão de alimentação EM _p são iguais e em proporção direta. Como resultado, a potência em cada enrolamento é a mesma. As tensões nesses enrolamentos secundários dependem da relação de espiras.

No diagrama acima, você pode ver um transformador de derivação central padrão. O ponto de derivação central está no centro do enrolamento secundário. Isso criará uma conexão comum para duas tensões secundárias que são iguais em magnitude, mas opostas em polaridade. Quando você aterra a torneira central, o EM _A a tensão se tornará positiva em relação ao solo. Enquanto o EM _B se tornará negativo e está na direção oposta. Isso significa que eles estão eletricamente 180° fora de fase.

No entanto, há uma desvantagem em usar um transformador de derivação central não aterrado. Devido ao fluxo desigual de corrente através da terceira conexão, resultará em tensões desequilibradas nos dois enrolamentos secundários. Você verá este caso especialmente quando as cargas estão desequilibradas.

Transformadores com derivação central usando transformador de dupla tensão

Também podemos criar um transformador de derivação central usando o transformador de dupla tensão. Para isso, conecte os enrolamentos secundários em série e seu elo central servindo como derivação. Se a saída de cada enrolamento secundário for V, então a tensão total de saída do secundário será 2V.

Conclusão

Transformadores de múltiplos enrolamentos têm muitas aplicações em circuitos elétricos e eletrônicos. Esses transformadores de enrolamento duplo ou de enrolamento múltiplo podem fornecer diferentes tensões de saída dependendo da relação do número de voltas secundárias. Vários transformadores de enrolamento podem ser interconectados em configurações em série ou paralelo para gerar tensões ou correntes aumentadas. Você também pode criar um transformador com derivação central ligando ambos os enrolamentos secundários em série.