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 energia ocorrem não apenas na resistência dos enrolamentos, mas também dentro do núcleo de ferro, à medida que é magnetizado pela corrente alternada. Essas perdas de potência no núcleo de ferro são geralmente chamadas de 'perdas no núcleo', que são causadas por dois fatores: perda por histerese e perda por correntes parasitas. A perda de histerese ocorre durante o processo de magnetização devido à histerese magnética, e sua magnitude é proporcional à área delimitada pelo loop de histerese do material. O aço silício possui um circuito de histerese estreito; portanto, usá-lo para núcleos de transformadores resulta em menores perdas por histerese, reduzindo significativamente a geração de calor.

Dadas estas vantagens do aço silício, por que ele é processado em laminações em vez de usado como um bloco sólido? Isso ocorre porque os núcleos laminados ajudam a minimizar outro tipo de perda do núcleo: perda por correntes parasitas. Durante a operação, a corrente alternada nos enrolamentos gera fluxo magnético alternado, que induz correntes dentro do núcleo de ferro. Essas correntes induzidas circulam em planos perpendiculares à direção do fluxo magnético e são, portanto, chamadas de correntes parasitas. As perdas por correntes parasitas também causam o aquecimento do núcleo. Para reduzir essas perdas, o núcleo do transformador é montado a partir de chapas de aço silício isoladas entre si. Isso força as correntes parasitas a fluir através de circuitos estreitos e alongados com áreas transversais menores, aumentando assim a resistência elétrica ao longo de seu caminho. Além disso, o teor de silício no aço aumenta a resistividade elétrica do material, reduzindo ainda mais as correntes parasitas.

Para núcleos de transformadores, normalmente são selecionadas chapas de aço silício laminadas a frio com 0,35 mm de espessura. Com base nas dimensões exigidas do núcleo, eles são cortados em tiras retangulares e empilhados em formatos 'EI' ou quadrados ('□'). Em teoria, para minimizar as correntes parasitas, folhas mais finas e tiras mais estreitas produzem melhores resultados. Isso não apenas reduz as perdas por correntes parasitas e o aumento de temperatura, mas também economiza materiais de aço silício. Contudo, na fabricação prática, outros fatores devem ser considerados. A utilização de folhas excessivamente finas ou estreitas aumentaria drasticamente as horas de trabalho e reduziria a secção transversal efectiva do núcleo. Portanto, ao fabricar núcleos de transformadores em aço silício, os engenheiros devem pesar os prós e os contras com base em condições específicas para selecionar as dimensões ideais.

Os transformadores são construídos com base no princípio da indução eletromagnética. Dois enrolamentos - um enrolamento primário e um enrolamento secundário - são enrolados em torno de membros fechados com núcleo de ferro. Quando uma tensão CA é aplicada ao enrolamento primário, uma corrente alternada flui, estabelecendo uma força magnetomotriz (FMM). Sob a influência deste MMF, um fluxo magnético principal alternado é gerado dentro do núcleo. Este fluxo principal passa simultaneamente pelos enrolamentos primário e secundário. Devido à indução eletromagnética, forças eletromotrizes (EMFs) são geradas em ambos os enrolamentos. O mecanismo de aumento ou redução da tensão pode ser explicado pela Lei de Lenz: o fluxo magnético gerado pela corrente induzida sempre se opõe à mudança no fluxo magnético original. Quando o fluxo original aumenta, o fluxo induzido atua na direção oposta. Isto significa que o fluxo magnético induzido no enrolamento secundário se opõe ao fluxo principal produzido pelo enrolamento primário, resultando em uma tensão CA transformada através do enrolamento secundário. Assim, o núcleo de ferro serve como circuito magnético do transformador, enquanto os enrolamentos formam o seu circuito elétrico.

2. Classificação das estruturas centrais do transformador

Núcleos de ferro do tipo concha e do tipo núcleo
A parte do núcleo de ferro que abriga os enrolamentos é chamada de 'membro do núcleo', enquanto a parte que não abriga os enrolamentos e serve apenas como um caminho magnético é chamada de 'jugo'. se os enrolamentos envolvem os membros centrais, é denominado núcleo do tipo núcleo. Embora ambos tenham características distintas, os processos de fabricação ditados pelos seus projetos estruturais diferem significativamente, tornando difícil alternar entre eles depois de escolhidos. Na China, a maioria dos núcleos de transformadores utiliza a estrutura do tipo núcleo empilhado.

O aço silício é comumente usado para transformadores de baixa frequência. Com base nos processos de fabricação, eles são divididos em:
A. Recozidos (Folhas Pretas)
N. Não Recozidos (Folhas Brancas)

Com base na forma, eles são categorizados em tipo EI, tipo UI, tipo C e tipo quadrado (□).

• Tipo Quadrado (□): Frequentemente usados ​​em transformadores de alta potência, oferecem excelente isolamento, fácil dissipação de calor e um caminho magnético curto. Eles são usados ​​principalmente para transformadores com classificação acima de 500~1000W.

• Tipo CD: Consiste em duas chapas de aço silício tipo C. Para transformadores do tipo CD com áreas de seção transversal idênticas, uma altura de janela mais alta equivale a maior capacidade de potência. Como as bobinas podem ser instaladas em ambos os lados do núcleo, o número total de voltas pode ser distribuído entre duas bobinas. Isto reduz o comprimento médio da volta por bobina, diminuindo as perdas de cobre. Além disso, colocar bobinas simétricas em bobinas separadas proporciona uma simetria perfeita.

• Tipo ED: Composto por quatro chapas de aço silício tipo C, os transformadores tipo ED possuem perfil plano e largo. Sob a mesma classificação de potência, eles são mais curtos, mas mais largos que os tipos de CD. Como as bobinas são instaladas no centro do aço silício com um caminho magnético externo, o fluxo de fuga e a interferência geral são mínimos. No entanto, como todas as bobinas são enroladas em uma única bobina grossa, o comprimento médio da volta é maior, resultando em maiores perdas de cobre.

• Tipo C: Os transformadores feitos de núcleos do tipo C são compactos, leves e altamente eficientes. Do ponto de vista da montagem, os componentes do tipo C são poucos e altamente versáteis, levando a uma alta eficiência de produção. No entanto, o processamento do aço silício tipo C envolve inúmeras etapas complexas e requer equipamentos especializados, tornando-os atualmente mais caros.

• Tipo E (Tipo Shell / Tipo EI): Sua principal vantagem é que as bobinas primária e secundária compartilham uma bobina comum, produzindo um alto fator de espaço de janela (a relação entre a área da seção transversal líquida do fio de cobre e a área da janela). O aço silício forma uma camada protetora ao redor dos enrolamentos, evitando danos mecânicos. Ele também oferece uma grande área de dissipação de calor e baixos campos magnéticos dispersos. No entanto, sofre de maior indutância de vazamento e maior suscetibilidade a interferências magnéticas externas. Além disso, devido ao maior perímetro médio dos enrolamentos, os transformadores do tipo EI necessitam de mais fio de cobre para o mesmo número de voltas e seção transversal do núcleo.

Espessura e métodos de empilhamento:
As espessuras comuns do aço silício são 0,35 mm e 0,5 mm. Os métodos de montagem incluem empilhamento intercalado e empilhamento de topo. O empilhamento intercalado alterna as extremidades abertas das folhas em lados opostos. Embora tedioso, ele minimiza os entreferros e a relutância magnética, maximizando o fluxo magnético, tornando-o ideal para transformadores de potência. O empilhamento coloca folhas E e folhas I em lados opostos, deixando um espaço de ar (ajustado por meio de inserções de papel) para evitar a saturação causada pela corrente contínua (CC).

3. Tipos de bobinas
As bobinas/núcleos são divididos em três categorias:
A. Núcleo Toroidal: Montado a partir de laminações em forma de O ou enrolado em tiras de aço silício. O enrolamento é bastante desafiador para este tipo.
B. Núcleo da haste.
C. Núcleo do Tambor.

3. Classificação dos materiais do núcleo do transformador

1. Categoria de alta frequência: Núcleos de pó de ferro e núcleos de ferrite
Os núcleos de ferrite são usados ​​em transformadores de alta frequência. São materiais cerâmicos com estrutura cristalina de espinélio, compostos por óxido de ferro e outros compostos metálicos divalentes (por exemplo, kFe₂O₄, onde 'k' representa metais como Manganês (Mn), Zinco (Zn), Níquel (Ni), Magnésio (Mg) ou Cobre (Cu)).
Combinações comuns incluem as séries MnZn, NiZn e MgZn. Esses materiais possuem alta permeabilidade e impedância, operando efetivamente de 1kHz a mais de 200kHz.

• Faixa de frequência do núcleo de ferrite: 18 kHz ~ 1 MHz e superior.

2. Categoria de baixa frequência: aço silício e ligas amorfas

• Faixa de frequência do núcleo de aço silício: 5 Hz ~ 1 kHz. Os transformadores de aço silício padrão normalmente operam a 50 Hz. Embora frequências mais altas possam melhorar a eficiência dependendo da classificação Gauss do aço silício, aplicações de áudio que excedam 20kHz são impraticáveis. A faixa recomendada é de 50 a 60 Hz, embora possam operar normalmente entre 50 e 200 Hz.

• Faixa de frequência do núcleo amorfo: 2 kHz ~ 13 kHz.