Funções e Classificação de Núcleos de Transformadores

1. Funções dos núcleos do transformador

Os transformadores práticos sempre operam em condições de corrente alternada (CA). As perdas de potência ocorrem não apenas na resistência dos enrolamentos, mas também no núcleo devido à magnetização CA. A perda de potência dentro do núcleo é comumente chamada de 'perda de ferro' (ou perda de núcleo), que é causada por dois fatores principais: 'perda de histerese' e 'perda de corrente parasita'. A perda de histerese é a energia dissipada durante o processo de magnetização devido ao fenômeno de histerese. A magnitude desta perda é proporcional à área delimitada pelo ciclo de histerese do material. Como o aço silício tem um circuito de histerese estreito, usá-lo como material de núcleo reduz significativamente a perda de histerese e minimiza substancialmente a geração de calor.

Como o aço silício tem essas vantagens, por que o núcleo não é feito de um bloco sólido de aço silício, mas processado em folhas finas? Isso ocorre porque um núcleo laminado reduz outro tipo de perda de ferro – perda por correntes parasitas. Durante a operação, a corrente alternada nos enrolamentos gera um fluxo magnético alternado. Essa mudança no fluxo magnético induz correntes dentro do núcleo. Essas correntes induzidas circulam em planos perpendiculares à direção do fluxo magnético e são, portanto, chamadas de correntes parasitas. A perda de corrente parasita também faz com que o núcleo aqueça. Para minimizar esta perda, o núcleo do transformador é construído empilhando chapas de aço silício isoladas umas das outras. Isso força as correntes parasitas a fluir através de circuitos estreitos com uma área de seção transversal menor, aumentando assim a resistência elétrica do caminho da corrente parasita. Além disso, o silício no aço aumenta a resistividade elétrica do material, o que ajuda ainda mais a reduzir as correntes parasitas. Para núcleos de transformadores, geralmente são selecionadas chapas de aço silício laminadas a frio com 0,35 mm de espessura. Eles são cortados em tiras retangulares de acordo com as dimensões do núcleo exigidas e, em seguida, empilhados para formar uma forma de 'oito' ou moldura retangular. Em teoria, quanto mais finas as chapas de aço silício e mais estreitas as tiras, melhor será o efeito na redução das correntes parasitas. Isso não apenas reduz a perda de correntes parasitas e diminui o aumento de temperatura, mas também economiza material. Contudo, na produção real, estes factores favoráveis ​​não são as únicas considerações. Tornar as folhas demasiado finas e estreitas aumentaria significativamente as horas de trabalho e reduziria a área efectiva da secção transversal do núcleo. Portanto, ao fabricar núcleos de aço silício, deve-se pesar os prós e os contras com base em circunstâncias específicas para selecionar as dimensões ideais.

Os transformadores são fabricados com base no princípio da indução eletromagnética. Dois enrolamentos são enrolados em torno de um núcleo fechado: o enrolamento primário e o enrolamento secundário. Quando uma tensão CA é aplicada ao enrolamento primário, uma corrente alternada flui através dele, estabelecendo uma força magnetomotriz (FMM). Sob a influência deste MMF, um fluxo magnético principal alternado é gerado no núcleo. Este fluxo magnético principal passa e liga os enrolamentos primário e secundário. Devido à indução eletromagnética, forças eletromotrizes (EMF) são geradas em ambos os enrolamentos. A razão pela qual pode aumentar ou diminuir a tensão é explicada pela Lei de Lenz: o fluxo magnético gerado pela corrente induzida sempre se opõe à mudança no fluxo magnético original. Quando o fluxo magnético original aumenta, o fluxo magnético produzido pela corrente induzida se opõe a ele. Em outras palavras, o fluxo magnético induzido no enrolamento secundário é oposto ao fluxo magnético principal produzido pelo enrolamento primário, resultando em uma tensão alternada de nível inferior através do enrolamento secundário. Assim, o núcleo serve como circuito magnético do transformador, enquanto os enrolamentos constituem o seu circuito elétrico.

2. Classificação das configurações principais do transformador

Núcleos do tipo Shell e do tipo Core

A parte do núcleo em torno da qual os enrolamentos são enrolados é chamada de 'membro central', enquanto a parte que não possui enrolamentos, mas serve apenas como um caminho magnético, é chamada de 'jugo'. Um núcleo é referido como 'tipo casca' quando o núcleo envolve os enrolamentos, e 'tipo núcleo' quando os enrolamentos circundam o membro central. As configurações do tipo shell e do tipo núcleo têm características distintas, mas os processos de fabricação que elas determinam são significativamente diferentes. Depois que uma estrutura específica é selecionada, é difícil mudar para outra. Na China, a maioria dos núcleos de transformadores utiliza um design do tipo núcleo empilhado.

Chapas de aço silício são usadas para transformadores de baixa frequência e vêm em vários tipos. Com base no processo de fabricação, podem ser divididos em:
A: Recozidos (chapas pretas)
N: Não recozidos (chapas brancas)

Com base em seu formato, eles podem ser classificados em: tipo EI, tipo UI, tipo C e tipo quadrado (boca).

Chapas de aço silício do tipo quadrado são comumente usadas em transformadores de alta potência. Eles oferecem excelente desempenho de isolamento, facilidade de dissipação de calor e um caminho magnético curto. Eles são usados ​​principalmente para transformadores com potências acima de 500–1000 W e transformadores de alta potência. Um conjunto de chapas de aço silício composto por duas chapas do tipo C é denominado núcleo do tipo CD. Para transformadores de potência fabricados com chapas tipo CD, sob a mesma área de seção transversal, quanto mais alta a janela, maior será a capacidade de potência do transformador. Como as bobinas podem ser instaladas separadamente em ambos os lados do núcleo, o número de voltas da bobina pode ser distribuído entre duas bobinas, resultando em um comprimento médio de volta mais curto por bobina e redução na perda de cobre. Além disso, se duas bobinas simétricas forem enroladas em bobinas separadas, pode ser alcançada uma simetria perfeita.

Um conjunto de chapas de aço silício composto por quatro chapas tipo C é chamado de núcleo tipo ED. Os transformadores feitos com núcleos do tipo ED possuem um perfil plano e largo. Sob a mesma classificação de potência, os transformadores do tipo ED são mais curtos e mais largos que os transformadores do tipo CD. Como as bobinas são instaladas no centro das chapas de aço silício com um caminho magnético externo, elas apresentam baixo fluxo de vazamento e interferência mínima nos componentes circundantes. No entanto, todas as bobinas são enroladas em uma única bobina grossa, resultando em um comprimento médio de volta mais longo e maior perda de cobre.

Os núcleos tipo C oferecem desempenho superior, resultando em transformadores compactos, leves e altamente eficientes. Do ponto de vista da montagem, os núcleos do tipo C requerem muito poucas peças e têm alta versatilidade, levando a uma alta eficiência de produção. Porém, o processo de usinagem de chapas de aço silício tipo C é complexo e requer equipamentos especializados, tornando seu custo atual relativamente elevado.

As chapas de aço silício tipo E, também conhecidas como chapas tipo casca ou figura oito, têm a principal vantagem de compartilhar uma única bobina para enrolamentos primários e secundários, produzindo um alto fator de espaço de janela (Fator de espaço Km: a razão entre a área líquida da seção transversal do fio de cobre e a área da janela). As chapas de aço silício formam uma camada protetora ao redor dos enrolamentos, evitando danos mecânicos. Eles também fornecem uma grande área de dissipação de calor e minimizam a dispersão do campo magnético. No entanto, apresentam maior indutância de fuga entre os enrolamentos primário e secundário e maior suscetibilidade a interferências magnéticas externas. Além disso, devido ao maior perímetro médio dos enrolamentos, os transformadores tipo E requerem mais fio de cobre para o mesmo número de voltas e área de seção transversal do núcleo.

As espessuras comuns para chapas de aço silício são 0,35 mm e 0,5 mm. Existem dois métodos de montagem para chapas de aço silício: intercalação e empilhamento. O método de intercalação alterna as extremidades abertas das folhas em lados opostos. Este método é mais tedioso, mas resulta em entreferros menores e menor relutância magnética, o que é benéfico para aumentar o fluxo magnético; portanto, é amplamente utilizado em transformadores de potência. O método de empilhamento de topo é comumente usado em aplicações com corrente contínua (CC). Para evitar a saturação causada pela corrente CC, deve ser deixado um espaço de ar entre as chapas de aço silício. Neste método, as folhas E e as folhas I são colocadas em lados opostos e o entreferro entre elas pode ser ajustado usando calços de papel.

3. Tipos de núcleo de bobina

São divididos em três tipos:
A. NÚCLEO TOROIDAL: Feito por empilhamento de laminações tipo O ou por enrolamento de chapas de aço silício. Enrolar o fio neste tipo de núcleo é muito difícil.
B. NÚCLEO DA HASTE: Um núcleo de ferro em forma de haste.
C. NÚCLEO DO TAMBOR: Um núcleo de ferro em forma de tambor.

4. Classificação dos materiais do núcleo do transformador

1. Categoria de alta frequência: Núcleos de ferrite
Os núcleos de ferrite são usados ​​em transformadores de alta frequência. São ímãs cerâmicos com estrutura cristalina de espinélio, compostos por óxido de ferro e outros compostos metálicos divalentes, como kFe₂O₄ (onde k representa outros metais). Os metais comumente usados ​​atualmente incluem manganês (Mn), zinco (Zn), níquel (Ni), magnésio (Mg) e cobre (Cu). As combinações comuns incluem as séries Manganês-Zinco (MnZn), Níquel-Zinco (NiZn) e Magnésio-Zinco (MgZn). Esses materiais possuem características de alta permeabilidade e impedância, com faixa de frequência de operação de 1 kHz a mais de 200 kHz.
Faixa de frequência do núcleo de ferrite: 18 kHz a mais de 1 MHz.

2. Categoria de baixa frequência: chapas de aço silício e ligas amorfas
Faixa de frequência do núcleo de aço silício: 5 Hz a 1 kHz.
Transformadores que usam aço silício normalmente operam a 50 Hz. Porém, em termos de eficiência, uma frequência ligeiramente mais alta pode produzir melhores resultados, dependendo da classificação Gauss da chapa de aço silício. Embora as frequências de áudio possam atingir acima de 20 kHz, isso não é prático. Recomenda-se operar em 50–60 Hz, embora possam funcionar normalmente dentro de uma faixa de frequência de 50–200 Hz.
Faixa de frequência do núcleo amorfo: 2 kHz a 13 kHz.