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TRANSFORMADORES: CURVA DE HISTERESE E INDUTÂNCIA MÚTUA
Victor de Mendonça¹
RESUMO: Um transformador é um dispositivo que transforma uma corrente elétrica (senoidal) com uma diferença de potencial, em outra corrente senoidal proporcionalmente diferente, devido a relação de espiras em seus enrolamentos primário e secundário. Esse fenômeno só é possível por meio da indutância mútua , onde bobinas em um mesmo circuito compartilham um fluxo magnético e como conseqüência uma corrente induzida. A Curva de Histerese é utilizada em cálculos no dimensionamento de dispositivos eletromagnéticos, a curva de histerese relaciona o campo magnético e a densidade de fluxo, a última em sinais alternados apresenta um atraso que força o campo a ser orientado em sentido contrário para anulá-la. O ciclo contínuo desse efeito gera perdas relacionadas à troca de calor do material com o meio. Para evitar ou diminuir as perdas por histerese é necessário fazer uma escolha correta de material o núcleo da máquina elétrica.
Palavras- chave: Transformadores. Histerese. Indutância mútua. Campo Magnético
INTRODUÇÃO
Os transformadores possuem uma grande aplicabilidade e funcionalidade, que se estendem desde as residências até as indústrias e seus atuadores que dependem de energia elétrica como fonte de energia. Duas características a serem analisadas no artigo decorrente são a Histerese e a Indutância Mútua. A primeira diz respeito ao efeito criado devido ao atraso entre densidade de fluxo e campo magnético num material ferromagnético. Indutância mútua é o fenômeno que possibilita ao transformador a relação de tensão de entrada e tensão de saída, pois através da indutância e seu respectivo campo magnético é gerada a diferença de potencial na saída do transformador, proporcional a da entrada.
1 TRANSFORMADOR
O transformador é uma máquina elétrica com a função de transformar tensões mantendo a potência, sendo o mais comum o Transformador Abaixador. Para o funcionamento deste equipamento, o princípio físico é o da indutância mútua, explicada nesse artigo, onde uma relação de expiras, primária e secundária, fornece uma tensão entre os terminais de saída.
O efeito da transformação da tensão é oriundo da variação do fluxo magnético, que está diretamente relacionado a uma corrente variável.
- Victor de Mendonça. Engenharia de Controle e Automação – IST – SOCIESC. e-mail: victoraut@gmail.com
Ao tratarmos de transmissão de energia, eventualmente ocorrem perdas e uma delas e a Perda por Histerese. Entre tantas outras perdas, a perda por histerese deve ser relevada ao projetarmos uma máquina que dependa de princípios magnéticos para funcionamento, comuns em instalações elétricas prediais e industriais.
2 HISTERESE
Histerese é o fenômeno causador do atraso entre a densidade de fluxo e o campo magnético. Por ser um evento cíclico apresentado num gráfico BxH (Densidade de Fluxo e Campo Magnético), temos também o Ciclo de Histerese.
Em outras palavras quando um material, que no caso do transformador é um meio ferromagnético, for magnetizado a um ponto máximo e em seguida o mesmo for diminuído, a densidade do fluxo não acompanhará o decrescimento do campo. Assim quando o campo for nulo, o material pode apresentar certa quantidade de densidade de fluxo, chamada de remanescente.
Para anular essa densidade ainda presente no material é necessária a aplicação de um campo magnético contrário (negativo), uma força coersiva. Se esse campo for mantido até sua saturação e depois o aumentando a zero, apresentará novamente uma densidade de fluxo remanescente, porém desta vez negativa, que por sua vez necessitará de um campo positivo para voltar a zero. Abaixo, na Fig. 1 um estão ilustrados os pontos de saturação de campo magnético a e b , a distância de d para a é a coersividade, o ponto c e Br são as densidades de fluxo remanescentes, positiva e negativa respectivamente.
Figura 1 – Ciclo de Histerese
Fonte: Autor desconhecido
A Curva de Histerese é feita a partir da ligação dos pontos máximos, extremidades, dos grupos de ciclos de histerese, como mostra a Figura 2. Essa curva é utilizada como base para o procedimento de cálculo em uma eventual aplicação de máquinas elétricas que em seu princípio de funcionamento implicam a interação de um campo magnético.
Em alguns materiais a perda pode ser bastante significativa, como no ferro- doce. As perdas ainda estão relacionadas à freqüência do sinal, quando maior a freqüência mais perdas por histerese. Mas ao utilizar materiais como ligas de Ferro silício comumente utilizadas em transformadores de alta potência essas perdas são reduzidas, justificada pela facilidade dos domínios ao se alinharem com o campo.
Assim, a análise da Curva de Histerese é muito importante para desenvolvimento de equipamentos eletromagnéticos a partir do material que for utilizado para sua construção.
3. INDUTÂNCIA MÚTUA
A indutância mútua ocorre quando dois enrolamentos, bobinas de fio condutor, possuem um núcleo em comum, Figura 4, e conseqüentemente compartilham um mesmo fluxo magnético.
Para compreensão suponha que haja uma corrente nos terminais da primeira bobina (1), essa corrente produzirá um fluxo magnético. O fluxo magnético produzido pela corrente do enrolamento primário, por sua vez passará pelo enrolamento secundário, fazendo com que seja produzido um campo magnético, gerando então uma tensão induzida nos terminais do segundo enrolamento.
Figura 4. Núcleo com dois enrolamentos
Fonte: Autor desconhecido
Esse fenômeno é explicado pela Lei de Faraday, que segundo pesquisas do Prof Fernando L. R. Mussoi diz “Em todo condutor enquanto sujeito a uma variação de fluxo magnético é estabelecida uma força eletromotriz (tensão) induzida.” Desta forma para gerar uma tensão proporcional basta aplicar um número diferente de espiras, ou voltas, na bobina secundária. A diferença no número de voltas do enrolamento primário para o secundário, torna possível a transformação da tensão, pois tal atitude diminuirá ou aumentará o efeito do campo magnético, por isso o dispositivo designa-se transformador. CONCLUSÃO
A importância da aplicação dos transformadores está explícita em nosso dia- a-dia. Sendo amplamente aplicados em quase todos os segmentos industriais e na geração de energia e abastecimento elétrico residenciais, os transformadores precisam ser bem projetados e compreendidos.
A Curva de Histerese nos proporciona uma visão do comportamento do campo e fluxo magnético para possibilitar a seleção de um material adequado conforme a necessidade. Já a Indutância mútua explica o funcionamento da transformação de energia, a qual ocorre sem contato entre as bobinas, apenas pela interação do fluxo de uma para a outra. Compreendendo fenômenos como estes é possível ter confiabilidade e segurança nos eventuais equipamentos ou dispositivos que forem projetados.
REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS
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FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles; UMANS, Stephen D. Máquinas Elétricas: Com introdução a eletrônica de potência.
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MUSSOI, F. L. R. Fundamentos de eletromagnetismo. Florianópolis, SC, ago.
Disponível em : http://www.labspot.ufsc.br/~jackie/cap2_new.pdf
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