Por que os transformadores de CA não queimam

Estou um pouco familiarizado com a maneira como um transformador de corrente alternada funciona. Depois de visualizar esta pergunta:

Por que todos os motores não queimam instantaneamente?

Isso me fez pensar a mesma coisa com os transformadores de corrente alternada.

A bobina primária deve fornecer muito pouca resistência e, assim, permitir que muita corrente flua. Eu estou supondo que a resistência vem do campo magnético flutuante. Isso está correto? Nesse caso, estou assumindo que a corrente aumenta quando uma carga é colocada na bobina secundária, porque o campo magnético não entra em colapso na bobina primária, mas é usado pela bobina secundária?

Além disso, isso significa que se uma corrente CC fosse colocada em um transformador, isso causaria problemas? (ou seja, corrente muito alta)

Tenho certeza de que não estou dizendo isso corretamente, então espero que alguém possa me esclarecer.

Para resumir minha pergunta, qual é o comportamento da bobina primária de um transformador (em termos de fluxo de corrente) quando nenhuma carga é colocada na bobina secundária e o que muda quando uma carga é colocada na bobina secundária?

Andy deu a você a resposta acadêmica clássica para suas perguntas. Tudo o que ele declarou é preciso, mas duvido que, como iniciante, você entenda a maior parte. Então, deixe-me tentar uma explicação simples.

O primário de um transformador é uma bobina enrolada em torno de um núcleo de ferro que pode assumir uma de várias formas. Este enrolamento primário tem uma resistência muito baixa. (Meça a resistência de um transformador de potência típico usado em equipamentos de bancada eletrônica com um DMM e você encontrará apenas alguns Ohms.) Conecte uma fonte de tensão CC a isso, o resultado é bastante previsível. A fonte de tensão fornecerá uma corrente tão grande quanto for capaz para o enrolamento primário e o transformador ficará muito quente e provavelmente ficará com fumaça. Isso, ou o seu suprimento de CC queima um fusível, queima-se ou entra no modo de limite de corrente, se equipado. Aliás, enquanto essa corrente alta está fluindo, o enrolamento primário está realmente produzindo um campo magnético unidirecional no núcleo do transformador.

Agora, meça a indutância do secundário com um medidor LRC. (Esse é um dispositivo semelhante ao DMM que mede apenas indutância, resistência e capacitância - "LRC".) Para um transformador de potência de 60 Hz, você provavelmente lerá algumas Henries de indutância em suas derivações principais.

$X_L = 2 \pi f L$$X_L$$X_L$

$X_L$$I = \frac{V}{X_L}$. No caso usual dos EUA, temos 120 volts RMS como V. Agora você verá que o "I" atual é um valor bastante razoável. Provavelmente algumas centenas de miliamperes ("RMS" também). É por isso que você pode aplicar 120 volts ao transformador descarregado e ele permanecerá por um século sem problemas. Essas poucas centenas de miliamperes de corrente primária, denominadas "corrente de excitação", produzem calor na bobina primária do transformador, mas a maior parte mecânica do transformador pode lidar com essa quantidade de calor projetada praticamente para sempre. No entanto, como descrito acima, não seria necessária uma fonte de alimentação de 5 VCC, mas alguns minutos para queimar esse mesmo transformador se essa fonte CC fosse capaz de fornecer uma corrente suficientemente grande para acionar com êxito a bobina CC de baixa R. Esse é o "milagre" da reatância indutiva! Isto'

Isso é para o transformador descarregado. Agora, conecte uma carga resistiva apropriada ao secundário. A corrente de excitação descrita acima continuará a fluir em mais ou menos a mesma magnitude. Mas agora e uma corrente adicional fluirá no primário. Isso é chamado de "corrente refletida" - a corrente que é "causada" pela carga resistiva secundária que extrai a corrente do secundário do transformador. A magnitude dessa corrente refletida é determinada pela razão de voltas do transformador de potência. A maneira mais simples de determinar a corrente refletida é usar o método "VA" (volts-amperes). Multiplique a tensão secundária do transformador pela corrente em amperes, sendo puxada pela carga resistiva conectada ao secundário. (Isso é essencialmente "Watts" - volts vezes ampères.) O "Método VA" diz que o VA do secundário deve ser igual ao VA incremental do primário. ("Incremental", neste caso, significa "além da corrente de excitação".) Portanto, se você tiver um transformador de energia CA típico com um primário de 120 VRMS e um secundário de 6 VRMS e conectar um resistor de 6 Ohm ao secundário, isso A carga de 6 Ohms extrairá 1,0 Amp RMS do secundário. Portanto, o VA secundário = 6 x 1 = 6. Esse VA secundário deve ser numericamente igual ao VA primário, onde a tensão é de 120 VRMS. 0 Amp RMS do secundário. Portanto, o VA secundário = 6 x 1 = 6. Esse VA secundário deve ser numericamente igual ao VA primário, onde a tensão é de 120 VRMS. 0 Amp RMS do secundário. Portanto, o VA secundário = 6 x 1 = 6. Esse VA secundário deve ser numericamente igual ao VA primário, onde a tensão é de 120 VRMS.
VA primário = VA secundário = 6 = 120 x I.
I = 6/120 ou apenas 50 milli-Amps RMS.

Você pode verificar a maior parte disso usando um DMM simples para medir as correntes no primário e no secundário em condições sem carga e carga. Tente você mesmo, mas tenha cuidado com o primário, porque esse 120 VRMS é quase letal. No entanto, você NÃO poderá observar diretamente a corrente "incremental" no primário causada pela adição de carga ao secundário. Por quê? Essa resposta não é tão simples! A corrente de excitação e a corrente refletida estão 90 graus fora de fase. Eles "somam", mas somam de acordo com a matemática vetorial, e essa é outra discussão.

Infelizmente, a resposta lindamente expressa de Andy acima mal será apreciada, a menos que o leitor entenda a matemática vetorial como é aplicada aos circuitos CA. Espero que minha resposta e suas experiências de verificação lhe proporcionem uma compreensão numérica no nível do intestino de como um transformador de potência "funciona".

Estou assumindo que a corrente aumenta quando uma carga é colocada na bobina secundária porque o campo magnético não entra em colapso na bobina primária, mas é usado pela bobina secundária?

Parece certo, mas não é. De um modo geral, para um transformador razoavelmente eficiente, a magnetização do núcleo é constante sob quaisquer condições de carga secundária. O problema é: como explico que, sem convencer você de que o circuito equivalente do transformador (abaixo) não está errado: -

O que deve ser observado: -

• Xm é 99,9% a indutância primária do transformador
• Xp (indutância primária de vazamento) compõe os 0,1% finais da indutância primária
• Xs e Rs são indutância de fuga secundária e resistência de enrolamento referida ao primário por ação da razão de espiras ao quadrado.
• O que parece um transformador (à direita) não deve ser considerado como tal - é um conversor de potência perfeito e não gera magnetismo - é um dispositivo para ajudar a matemática e desejo aos caixões que desenham essas figuras apenas mostraria como uma caixa preta !!

Como você pode ver, mesmo sob condições de carga pesada, a queda de tensão de Rp e Xp é pequena em comparação com uma tensão CA de entrada e isso significa que a tensão em Xm é bastante constante. Observe que Xm é o único componente que produz magnetismo no núcleo. Não está convencido, eh? Eu não te culpo.

Aqui está outra maneira de ver isso

A série de 4 figuras abaixo tenta demonstrar que as contribuições de fluxo das correntes de carga no primário e no secundário são iguais e opostas e, portanto, o fluxo é cancelado. Ele mostra um transformador 1: 1 simples, mas aplica-se igualmente a diferentes relações de espiras, porque o fluxo é proporcional às amperagens e não às amperes. Observe cada imagem numericamente, por sua vez: -

1) Sim, a impedância de um transformador aberto vem do campo magnético flutuante (tentando alterar o campo magnético do núcleo)

2) Sim, se uma tensão CC for colocada no primário, você está com problemas, o transformador pode queimar. (A menos que seja classificado para essa corrente, por algum motivo). Perdi a bobina de uma motocicleta antiga algumas vezes por razões semelhantes: esquerda ligada com o motor desligado, a bobina queimava e o plástico pingava.

3) Sem carga no secundário, a corrente através do primário deve passar pela indutância muito grande / muito rígida ('indutância de vazamento') da bobina primária.

4) Com uma carga na secundária, a corrente secundária cancela o efeito no núcleo da corrente primária.

Um transformador projetado para a CC fluir através dele é chamado de reator saturável e é usado como um interruptor; isto é, a CC satura o núcleo magnético, de modo que a fonte CA não pode alterar o fluxo no núcleo; portanto, a tensão CA secundária é zero. Quando a corrente CC é desligada, o fluxo no núcleo agora pode mudar e a ação normal do transformador ocorre, levando à tensão CA no secundário.

Um dispositivo semelhante, mas que depende da corrente alternada que satura o núcleo, é chamado de transformador ferro-ressonante. Estes foram usados ​​para estabilizar de forma barata a tensão secundária de um transformador. Este dispositivo possui dois secundários, um dos quais em curto-circuito por um capacitor de grande valor, o outro sendo o enrolamento de saída.