22 diferenças entre transformadores do tipo núcleo e do tipo invólucro

O desempenho e a aplicação dos transformadores são determinados, em grande parte, pelas estruturas de seus núcleos. De acordo com essas estruturas, os transformadores são classificados em transformadores do tipo núcleo e do tipo invólucro.

Muitos engenheiros e compradores podem ficar confusos: afinal, quais são as diferenças entre esses dois tipos de transformadores? Qual deles é mais adequado para o meu cenário de aplicação? Neste blog, vamos esclarecer todas as suas dúvidas e ajudá-lo a entender os pontos-chave com facilidade!

O que é um transformador do tipo núcleo?

Os transformadores do tipo núcleo são, sem dúvida, a tendência dominante no mercado atual. Para resumir a principal característica desse tipo, os enrolamentos (bobinas de fio de cobre) envolvem o núcleo de ferro. Ou seja, o circuito elétrico envolve o circuito magnético.

Aqui está uma maneira simples de entender isso: imagine o núcleo de ferro como uma barra magnética. O fio de cobre está enrolado ao redor da barra como elásticos. Com o núcleo no centro e a bobina de cobre envolvendo o núcleo, forma-se o transformador do tipo núcleo.

Ele pode ser chamado de “conversor de eletricidade”. Ele depende do núcleo de ferro para transferir o fluxo magnético. As bobinas convertem alta tensão em baixa tensão (por exemplo, a eletricidade de 220 V que usamos em casa).

O núcleo de ferro é envolvido por bobinas, o que reduz a perda de energia magnética. O consumo de material também é reduzido. É por isso que os transformadores do tipo núcleo são tão comumente usados em caixas de medidores domésticos e caixas de distribuição de energia comunitárias.

O que é um transformador do tipo “shell”?

O transformador do tipo concha é exatamente o oposto dos transformadores do tipo núcleo. Sua principal característica é que o núcleo de ferro envolve os enrolamentos. Em outras palavras, o circuito magnético envolve o circuito elétrico. A razão pela qual é chamado de tipo “concha” é que o núcleo de ferro envolve os enrolamentos exatamente como uma concha protetora.

Para simplificar, a bobina de cobre é como uma pequena linguiça. O núcleo de ferro é o invólucro da linguiça que envolve completamente a bobina por dentro, deixando apenas uma pequena abertura. Assim, obtém-se um transformador do tipo concha.

Ele transmite energia magnética por meio do núcleo de ferro que envolve as bobinas. O vazamento de fluxo magnético é bastante pequeno. A transformação de tensão é realmente estável. A capacidade de resistência a curto-circuito é maior. Os transformadores do tipo “shell” são frequentemente utilizados em máquinas de soldagem elétrica e em equipamentos elétricos de precisão de baixa potência.

Trajetória do fluxo magnético: tipo com núcleo vs. tipo com invólucro

Como o fluxo magnético se desloca dentro do núcleo de ferro?

Quando um transformador está em funcionamento, a corrente elétrica não passa diretamente por ele. O que realmente transporta energia é o fluxo magnético. O caminho do fluxo magnético é a origem das muitas diferenças entre os transformadores do tipo núcleo e do tipo invólucro.

Em termos simples, se a estrutura é diferente, o fluxo magnético também é diferente. Consequentemente, os desempenhos são diferentes.

1. Trajetória do fluxo magnético em transformadores do tipo núcleo

Em um transformador do tipo núcleo:
O núcleo de ferro é composto por duas pernas principais. Os enrolamentos envolvem as pernas do núcleo.
Aqui, os enrolamentos ficam do lado de fora, e o núcleo de ferro fica do lado de dentro.

Quando o lado primário é energizado, o fluxo magnético se move da seguinte forma:
Ele flui para cima ao longo de uma das pernas do núcleo, atravessa o jugo superior. Em seguida, desce ao longo da outra perna do núcleo e, finalmente, retorna ao ponto de partida pelo jugo inferior. Nesse processo, obtemos um circuito magnético fechado.

Características do percurso do fluxo magnético em transformadores do tipo com núcleo

O fluxo magnético percorre principalmente o interior do núcleo de ferro, mas a restrição é relativamente fraca.

Como os enrolamentos ficam na parte externa do núcleo, o campo magnético “se espalha” facilmente. Portanto, em comparação com os transformadores do tipo concha, há mais fuga de fluxo magnético, e os campos magnéticos externos têm um impacto mais evidente.

Os enrolamentos ficam “expostos”. Isso traz duas vantagens: melhor capacidade de dissipação de calor e maior facilidade para dispor dutos de ar de resfriamento ou dutos de óleo.

A estrutura é simples e o custo de fabricação é baixo.

Eles também apresentam uma desvantagem: durante curtos-circuitos ou picos de alta corrente, os enrolamentos são fortemente afetados por forças eletromagnéticas. Como o núcleo não os envolve nem os sustenta muito, seu desempenho em termos de resistência mecânica não é tão bom quanto o dos transformadores do tipo concha.

2. Trajetória do fluxo magnético em transformadores do tipo concha

Um transformador do tipo concha é exatamente o oposto.

Em um transformador do tipo concha:
Os enrolamentos estão concentrados na perna central do núcleo.
O núcleo de ferro envolve os enrolamentos por fora.
Parece que os enrolamentos estão encerrados em uma concha de núcleo de ferro.

O caminho do fluxo magnético é o seguinte:
Todo o fluxo magnético passa primeiro pela perna central do núcleo. Em seguida, divide-se em dois fluxos, fluindo para as pernas esquerda e direita do núcleo, respectivamente. Depois, passa pelas bridas, completando o circuito fechado.
Esse processo, na verdade, forma dois circuitos de fluxo magnético paralelos.

Características do percurso do fluxo magnético em transformadores do tipo concha

O fluxo magnético é “confinado” pelo núcleo de ferro

O núcleo envolve os enrolamentos por fora. Assim, o campo magnético fica confinado dentro do núcleo. Essa característica traz duas vantagens: há um vazamento de fluxo magnético significativamente menor e a distribuição do campo magnético é mais simétrica.

A perna central conduz todo o fluxo magnético

Cada perna lateral conduz cerca de metade do fluxo, de modo que a tensão estrutural é mais uniforme.

Os enrolamentos são firmemente sustentados pelo núcleo de ferro

Isso traz uma grande vantagem:
Quando ocorre um curto-circuito e a corrente aumenta instantaneamente, a enorme força eletromagnética exercida sobre os enrolamentos é “retida” pela estrutura do núcleo de ferro. Portanto, os transformadores do tipo “shell” apresentam maior resistência mecânica e resistência ao impacto.

Diagrama de construção de transformadores trifásicos do tipo núcleo e do tipo concha

Depois de compreender os princípios básicos, podemos entender facilmente a estrutura dos transformadores trifásicos do tipo núcleo e do tipo invólucro. Esta imagem parece ser mais complexa do que os diagramas esquemáticos acima, mas, em essência, eles são os mesmos.

Por que o caminho do fluxo magnético é tão importante?

Os diferentes caminhos do fluxo são a razão fundamental por trás das diferenças de desempenho entre os transformadores do tipo núcleo e do tipo invólucro:

1. Nível de fluxo de fuga

Nos transformadores do tipo “shell”, o fluxo magnético concentra-se dentro do núcleo de ferro. Isso resulta em menor fluxo de fuga. Além disso, melhora a estabilidade da tensão e reduz as perdas parassitas.

2. Capacidade de resistência a curto-circuito

O circuito magnético da estrutura do tipo casca é simétrico. Os enrolamentos são totalmente sustentados pelo núcleo de ferro. Isso facilita a resistência às enormes forças eletromagnéticas geradas durante curtos-circuitos.

3. Ruído e vibração

Quanto menor o fluxo de fuga, mais fraca é a vibração magnetostritiva. Os transformadores do tipo concha apresentam uma clara vantagem no controle de ruído.

4. Desempenho de dissipação de calor

Os transformadores do tipo núcleo apresentam uma área de superfície exposta maior para os enrolamentos. Isso proporciona melhor desempenho de resfriamento natural. Portanto, são mais adequados para condições de operação contínua de longo prazo.

Em resumo, o caminho do fluxo não é apenas um conceito abstrato. Na verdade, é um fator estrutural fundamental que determina a confiabilidade, a eficiência e os cenários de aplicação de um transformador.

Diferenças entre transformadores do tipo núcleo e do tipo concha