Explicação das perdas em transformadores: perdas em vazio versus perdas com carga
As perdas em vazio e as perdas com carga em um transformador são duas formas primárias de perda de energia durante sua operação. A seguir, apresentamos uma explicação detalhada de como elas são geradas, distribuídas e dissipadas dentro do transformador.
A perda em vazio ocorre quando o enrolamento primário do transformador conduz apenas uma pequena corrente de excitação em condições de vazio. Nesse momento, a perda no cobre é desprezível e a maior parte da perda ocorre no núcleo, conhecida como perda no ferro. A perda no ferro consiste em perda por histerese e perda por correntes parasitas. A perda por histerese resulta da inversão contínua dos domínios magnéticos dentro do núcleo sob a influência de um campo magnético alternado, o que consome energia e gera calor. A perda por correntes parasitas ocorre porque o próprio núcleo é condutor. Quando submetido a um campo magnético variável, uma força eletromotriz é induzida em planos perpendiculares às linhas do campo magnético, formando circuitos fechados que geram correntes — conhecidas como correntes parasitas — que produzem calor devido à resistência do material do núcleo.
As perdas em vazio concentram-se principalmente no núcleo, pois este é o componente principal do circuito magnético, e tanto as perdas por histerese quanto as perdas por correntes parasitas ocorrem em seu material. Além disso, uma pequena quantidade de perdas no cobre é gerada no enrolamento primário devido à corrente em vazio, mas isso geralmente é desprezível. O calor gerado pelas perdas em vazio é dissipado principalmente por condução e radiação térmica do núcleo para o ambiente circundante. O núcleo está em contato com o óleo do transformador ou com o ar, transferindo calor para o óleo ou para o ar. Esse calor é então transportado pela convecção natural do óleo ou do fluxo de ar, dissipando-se, por fim, no ambiente circundante.
As perdas sob carga incluem as perdas básicas no cobre e as perdas adicionais. As perdas básicas no cobre são as perdas devido à resistência nos enrolamentos quando a corrente de carga passa por eles. De acordo com a lei de Joule, o calor é gerado quando a corrente flui através de um condutor, e a perda de potência é proporcional ao quadrado da corrente. As perdas adicionais incluem as perdas por correntes parasitas nos enrolamentos, as perdas por correntes circulantes, as perdas por dispersão em componentes estruturais, etc., que são proporcionais ao quadrado da corrente e ao quadrado da frequência.
As perdas sob carga são distribuídas principalmente nos enrolamentos e no núcleo. A corrente de carga nos enrolamentos gera perdas no cobre, enquanto o núcleo também sofre algumas perdas devido ao fluxo de dispersão causado pela corrente de carga, embora estas sejam relativamente pequenas em comparação com as perdas no cobre dos enrolamentos. Além disso, o fluxo de dispersão induzido pela corrente de carga gera perdas parasitas em componentes estruturais metálicos fora dos enrolamentos.
O calor gerado pela perda de carga é parcialmente transferido para o óleo do transformador por condução térmica a partir dos enrolamentos e, em seguida, dissipado por convecção natural ou circulação forçada do óleo. Outra parte é dissipada para o ambiente circundante por condução e radiação térmica provenientes do núcleo e dos componentes estruturais. Em transformadores de grande porte, o resfriamento por circulação forçada de óleo ou métodos similares são frequentemente empregados para aumentar a dissipação de calor, melhorando a eficiência operacional e a confiabilidade do transformador.