Um transformador de corrente permite a conversão de altas correntes em uma faixa de corrente mensurável. Os relés incorporados em diversos sistemas de proteção são implementados de forma que a corrente fornecida por um transformador de corrente possa ser utilizada para acioná-los. Também é considerado difícil medir correntes alternadas de alta magnitude usando amperímetros de faixa baixa normal e, portanto, os transformadores de corrente são usados como um estágio intermediário para fins de medição e isolamento.
Figura 1. Uma variedade de transformadores de corrente. Imagem cortesia do Talema Group.
magnético componentes, em geral, têm sido usados em diversos dispositivos eletrônicos de potência há décadas. Eles são usados para o controle, transferência e condicionamento de energia elétrica em diferentes estágios e em várias formas.
Os projetistas estão sempre em busca de novos materiais, topologias e processos para melhorar o desempenho. Houve um tempo na história em que o design do magnetismo era considerado mais uma arte do que uma ciência. Isso ocorre porque o projeto foi principalmente dependente de técnicas de tentativa e erro, fórmulas empíricas e considerações de regra de ouro. Além disso, tem havido várias tentativas de padronizar o processo de design para torná-lo mais confiável e repetível.
Continue lendo para aprender mais sobre o princípio de funcionamento de um transformador de corrente e os principais conceitos envolvidos.
Visão geral dos transformadores e circuitos atuais
Os transformadores de corrente são empregados para medir a corrente que flui em circuitos de alta potência, normalmente para medição ou circuitos de feedback. O uso de transformadores de corrente é preferível à medição de correntes usando shunts de corrente em série com o caminho da corrente, por causa das vantagens de um transformador de corrente, como fornecer isolamento entre o circuito de potência e o circuito de medição, menor contribuição para perdas de potência e boa rejeição de modo comum [1] Em geral, um transformador suporta acoplamento AC, Voltagem e transformação do nível de corrente junto com o isolamento DC [2].
Figura 2. O uso de um transformador de corrente para medir uma corrente alta. [3]
As considerações práticas de projeto para transformadores de corrente são governadas pela capacidade de conduzir os valores necessários das correntes do enrolamento primário e secundário com eficácia. Isso se traduz na escolha certa de condutores, juntamente com a capacidade de obter um acoplamento de potência adequado. Idealmente, uma regulação de tensão rígida sem vazamento e sem perdas de corrente - histerese ou redemoinho - bem como baixa distorção geral de corrente de excitação são desejadas.
Se todos esses objetivos de design precisarem ser cumpridos completamente, o produto resultante pode ser volumoso, o que não é o pretendido. Portanto, é um equilíbrio extremamente difícil de atingir em termos de obter o melhor design possível com base nessas considerações.
Princípio de trabalho
Os transformadores de corrente pertencem à família de transdutores de corrente que gera uma corrente secundária proporcional à corrente que flui através do lado primário em magnitude.
O enrolamento primário é projetado de forma que consista em uma ou mais voltas com uma grande área de seção transversal e é normalmente conectado em série com o circuito que precisa ser detectado para o fluxo de corrente [4].
O enrolamento secundário possui maior número de voltas e é constituído por um fio com menor área transversal. O enrolamento secundário é conectado à bobina operacional do relé ou ao instrumento de medição de corrente.
Figura 3. Representação de um transformador de corrente [4]
A área de aplicação para um tipo específico de transformador de corrente é governada por sua precisão, a relação entre as correntes primárias e secundárias, o tipo de isolamento empregado, a construção mecânica e as condições externas de operação.
O funcionamento do transformador de corrente é semelhante ao dos transformadores de potência convencionais, visto que eles funcionam basicamente como transformadores de potencial elevadores. Normalmente, o valor da corrente será menor no lado da alta tensão e vice-versa. Assim, quando o lado primário é energizado, as voltas de ampere no lado primário irão produzir um campo magnético no núcleo.
Uma força eletromotriz é induzida no lado secundário devido ao fluxo magnético gerado que, por sua vez, conduz a corrente secundária. As voltas de ampere são balanceadas no primário e no secundário, e também a queda de tensão no primário é muito menor, tornando a corrente primária independente da corrente secundária.
Design Insights para transformadores atuais
O projeto do transformador de corrente é um compromisso em custo, peso, número de voltas no enrolamento e seu desempenho geral [1]. Aumentar a área central melhora o desempenho, mas afeta negativamente o custo e o tamanho geral. São utilizados núcleos de ferrite ou aço e é preferível um maior número de voltas secundárias. Normalmente, um bom projeto de transformador de corrente concentra-se na tensão mais baixa no lado secundário, no uso de material de alta permeabilidade, área central alta e grandes espiras secundárias.
As considerações usuais para a escolha de materiais de núcleo incluem baixa perda de núcleo, baixo valor de relutância e baixa densidade de fluxo. Papel, verniz, materiais de fita e suas variantes são usados para fins de isolamento.
Um transformador de corrente pode ser do tipo enrolado ou tipo barra. No caso de aplicações de baixa tensão do tipo enrolado, espiras secundárias são enroladas em uma baquelite seguidas por espiras primárias com isolamento adequado entre as camadas. No tipo barra, uma única barra forma o enrolamento primário e passa pelo centro do núcleo.
Figura 4. Os transformadores de corrente podem ser do tipo barra ou enrolado.
Referências chave:
- L. Umanand, SR Bhat, “Design of Magnetic componentes para conversores de energia comutados ”, Wiley Eastern Limited.
- Marian K. Kazimierczuk, “Componentes Magnéticos de Alta Frequência”, John Wiley and Sons, Ltd.
- Marcel Dekkar, “Manual de Design de Transformadores e Indutores”, 2004.
- Transformador de corrente