A principal função de um núcleo em um transformador é fornecer um caminho magnético ligando os enrolamentos primário e secundário. Sua alta permeabilidade permite que o fluxo magnético variável siga esse caminho com relativamente pouca corrente de magnetização. Isto suporta um acoplamento magnético eficaz entre os enrolamentos. O material e a construção do núcleo também influenciam as perdas de energia, pelo que o seu papel envolve tanto orientar o fluxo magnético como limitar o calor produzido durante a operação.
Como o núcleo liga os enrolamentos primário e secundário?
Quando uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário, um fluxo magnético variável se desenvolve no núcleo. Este fluxo também liga o enrolamento secundário, induzindo uma tensão nos seus terminais. Quando uma carga completa o circuito secundário, a corrente pode fluir e a energia elétrica é fornecida a essa carga.
O núcleo fornece um caminho magnético compartilhado através das regiões cercadas por ambos os enrolamentos. Seus membros e jugos formam o circuito magnético principal, ajudando a concentrar o fluxo onde ele pode ligar as bobinas. Essa relação é chamada de acoplamento magnético.
Como explicado em Na explicação do OpenStax sobre a operação do transformador , a mudança no fluxo compartilhado pelos enrolamentos induz suas tensões. Em um transformador ideal, a relação de tensão é igual à relação de espiras. O núcleo permite um acoplamento eficaz; o número de voltas estabelece se a tensão aumenta ou diminui.
Por exemplo, um transformador ideal com duas vezes mais espiras secundárias que primárias produz uma tensão secundária duas vezes maior que a tensão primária. O núcleo não cria energia adicional. Os transformadores reais também apresentam perdas, portanto sua potência de saída é inferior à potência de entrada.
Os enrolamentos permanecem eletricamente isolados do núcleo. A transferência de energia entre enrolamentos separados depende, portanto, da indução eletromagnética, e não de uma conexão condutora através do metal. Algum fluxo ainda não consegue ligar os dois enrolamentos; isso é chamado de fluxo de vazamento e o arranjo do enrolamento também o afeta.
Por que um caminho magnético de baixa relutância é importante?
A relutância magnética descreve o quão fortemente um caminho magnético se opõe ao estabelecimento do fluxo magnético. Um caminho de baixa relutância permite que o fluxo necessário se desenvolva com menos esforço de magnetização. É uma propriedade magnética, distinta da resistência elétrica que se opõe à corrente em um fio.
Os materiais do núcleo, como o aço elétrico, têm permeabilidade magnética muito maior que o ar. A permeabilidade descreve a rapidez com que um material responde a um campo magnetizante. O uso de um núcleo adequado reduz, portanto, a relutância magnética em comparação com um caminho equivalente através do ar.
O benefício prático é uma corrente de magnetização mais baixa : o componente da corrente primária necessária para estabelecer o fluxo magnético alternado. Esta corrente é necessária mesmo quando o circuito secundário está aberto e nenhuma energia atinge a carga.
Para um transformador alimentado com tensão e frequência senoidais fixas, com um número fixo de espiras primárias, o fluxo necessário é aproximadamente definido por essas condições. Uma permeabilidade mais elevada reduz principalmente a corrente de magnetização necessária para estabelecer esse fluxo. Não aumenta automaticamente a tensão secundária.
A geometria central e as juntas também são importantes. Intervalos não intencionais aumentam a relutância magnética e podem aumentar a corrente de magnetização. As propriedades do material e um caminho magnético bem montado devem, portanto, trabalhar juntos.
Um núcleo real consome alguma energia na forma de calor durante a magnetização repetida. Dois mecanismos principais são a perda por histerese e a perda por correntes parasitas . A compreensão de suas diferenças explica por que os núcleos dos transformadores usam materiais magnéticos selecionados e métodos de construção específicos.
A perda por histerese ocorre quando a magnetização do material inverte repetidamente com o fluxo alternado. Materiais magneticamente macios com um circuito de histerese estreito reduzem a energia dissipada durante cada ciclo. O processamento de materiais também afeta esse comportamento.
A perda por corrente parasita ocorre porque a mudança no fluxo induz correntes elétricas circulantes dentro de um núcleo condutor. Essas correntes geram calor. Laminações de aço finas, isoladas eletricamente umas das outras, restringem seus caminhos e reduzem as perdas associadas em comparação com um bloco de aço sólido.
Em transformadores de potência e distribuição, Núcleos CRGO e núcleos amorfos oferecem diferentes características de perda. Seu desempenho deve ser avaliado na frequência e densidade de fluxo magnético pretendidas.
A laminação aborda principalmente correntes parasitas ; não deve ser descrito como o principal remédio para perda de histerese. Perdas mais baixas no núcleo reduzem o desperdício de energia e o calor que o sistema de resfriamento deve remover.
Perguntas frequentes
O núcleo consome energia quando nenhuma carga está conectada?
Sim. Um transformador energizado ainda possui fluxo alternado no núcleo quando seu secundário está aberto. A histerese e as correntes parasitas continuam, portanto, a produzir perdas, contribuindo para o seu consumo de energia sem carga.
As perdas do núcleo são iguais às perdas do cobre?
Não. Perdas no núcleo ocorrem no material magnético. As perdas no cobre são aquecimento resistivo nos enrolamentos e aumentam com o quadrado da corrente do enrolamento quando a resistência é constante.
Maior permeabilidade sempre significa maior eficiência?
Não. Uma permeabilidade mais elevada pode reduzir a corrente de magnetização, mas a eficiência também depende das perdas do núcleo, da resistência do enrolamento e das condições de operação. A permeabilidade por si só não pode estabelecer a eficiência total do transformador.
Um núcleo de transformador eficaz combina um caminho magnético adequado com perdas controladas. Ambos são necessários para uma operação eficiente.
