Transformadores Heitor Bruno Oliveira Galvão

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SUMÁRIO

1. Necessidade da transformação das correntes alternadas 2. Princípios de construção do transformador trifásico 3. Principio de funcionamento do transformador 3.1 Funcionamento a vazio 3.1.1 Relação de Transformação 3.2 Funcionamento a carga 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico 5. Núcleos envolvidos e núcleos envolventes 6. Tipos de enrolamentos 6.1 Enrolamentos concêntricos ou tubulares 6.2 Enrolamentos bobinas em disco ou intercaladas 7. Construção dos enrolamentos 8. Resfriamento dos Transformadores 8.1 Transformador a Seco 8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante 9. Perdas no transformador 9.1 Perdas no cobre 9.2 Ensaio a curto-circuito 9.3 Perdas no ferro

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SUMÁRIO

9.4 Ensaio a vazio 10. Rendimento

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1. Necessidade da transformação das correntes alternadas

• Exigências técnicas e econômicas impõem a construção de grandes usinas hidrelétricas.

• Necessidade do transporte da energia elétrica por meio de linhas de comprimento notável.

• Estas realizações são possíveis em virtude da corrente alternada poder ser transformada facilmente de baixa para alta tensão e vice-versa.

• Por meio de uma maquina simples e rendimento elevado: transformador.

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2. Princípios de construção do transformador trifásico

• O funcionamento do transformador baseia-se nos fenômenos de Mútua indução entre dois circuitos eletricamente isolados mais magneticamente ligados.

• Para que a ligação magnética ocorra entre circuitos eletricamente isolados, mas magneticamente ligados, é necessário que estejam enrolados sobre um núcleo magnético de pequena relutância

• Este núcleo deve ter elevada permeabilidade e por isso seus entreferros devem ser muito reduzidos

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2. Princípios de construção do transformador trifásico

• O enrolamento alimentado pela tensão V1 chama-se enrolamento primário, e o outro que fornece a tensão V2 chama-se enrolamento secundário.

• A relação entre estas duas tensões chama-se relação de transformada.

• Analogamente as duas tensões V1 e V2 são denominadas de tensão primaria e tensão secundaria

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2. Princípios de construção do transformador trifásico

• As correntes I1 e I2 que atravessarão os dois enrolamentos constituem a corrente primária e a secundária

• Os fenômenos de mútua indução são reversíveis, então nenhuma distinção pode ser feita entre os circuitos primário e secundário.

• Nenhuma distinção pode ser feita entre os enrolamentos primário e secundário, pois os dois podem funcionar indiferentemente como primário ou secundário.

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3. Principio de funcionamento do transformador

• Para entendimento e análise do principio de funcionamento do transformador é necessário analisar um transformador ideal ( no qual as resistências elétricas dos enrolamentos são nulas, as perdas no ferro e as dispersões magnéticas)

• Considera-se antes os seguintes funcionamentos:

-> Funcionamento a vazio

-> Funcionamento com carga

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3.1 Funcionamento a vazio

• Se ligarmos o enrolamento primário a uma fonte de tensão alternada o fluxo produzido no núcleo induzirá tensão tanto no enrolamento primário como no secundário.

• Os valores eficazes das duas f.e.m. primária e secundária, são dados por:

• E1 = (10-8) *(ω)*(φM)*N1 =

(10-8)*(2𝜋𝑓

2)*(φM)*N1

• E2 = (10-8) *(ω)*(φM)*N2 =

(10-8)*(2𝜋𝑓

2)*(φM)*N2

• Onde dividindo membro a membro obtém-se:

•𝐸1

𝐸2 =

𝑁1

𝑁2

• A diferença entre a tensão

induzida no primário e no secundário deve-se ao diferente número de espiras.

• Se o secundário tiver um numero de espiras maior que o primário é um transformador elevador, onde a tensão induzida no secundário é maior do que a do primário, na proporção do número de espiras.

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3.1.1 Relação de Transformação

• Nos transformadores, assim como em qualquer outro tipo de dispositivo, é valido o princípio da conservação de energia, ou seja, “a energia não poder ser criada nem destruída e sim transformada de uma forma para outra”.

• Assim, a potência do lado primário dever ser igual à potência no lado secundário do transformador.

• Em termos de equações:

P = V*I

P1 = P2

V1*I1 = V2*I2 Isolando tensões e correntes de um mesmo lado:

V1

V2

= I2

I1

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3.2 Funcionamento a carga

• Supondo que uma impedância seja ligada entre os terminais do enrolamento secundário, de modo que a tensão induzida imponha uma corrente de carga , que irá circular pelo enrolamento secundário de espiras

• Quando a corrente de carga circula no enrolamento secundário, a fmm que ela gera é cancelada por uma fmm igual e oposta no enrolamento primário, produzida por um aumento apropriado da corrente primária.

• Assim, igualando as fmm devido às correntes de carga:

(i1)*(N1) = (i2)*N2

• Com a ajuda do tópico anterior conclui-se que:

•𝐸1

𝐸2 =

𝑁1

𝑁2 =

𝐼2

𝐼1

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4. Principio de Construção do Transformador Trifásico

• Para a transformação dos sistemas trifásicos podem-se empregar três transformadores monofásicos distintos e iguais entre si.

• Os três enrolamentos primários destes transformadores serão alimentados pela linha trifásica primária através de agrupamento estrela ou triângulo.

• Dos três enrolamentos secundários que são também agrupados em estrela ou triângulo, sai a linha trifásica secundária.

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4. Principio de Construção do Transformador Trifásico

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4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • Os três núcleos monofásicos

estão agrupados em estrela, isto é, cada coluna externa abriga tanto o enrolamento primário com o secundário de uma fase.

• A coluna central é desprovida de enrolamentos. Se os três enrolamentos primários possuem o mesmo número de espiras N1 e são alimentados por três tensões iguais e defasadas de 120° entre si, também os fluxos nas três colunas externas resultam iguais entre si e defasadas a 120° um com respeito ao outro

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4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • A resultante destes três fluxos é

nula: a coluna central não é atravessada por fluxo magnético, o que permite elimina-la sem que a distribuição dos fluxos nas colunas remanescentes resulte alterada.

• No caso exposto, cada coluna é atravessada por um fluxo igual e oposto à resultante dos outros dois fluxos; cada coluna, portanto funcionará como retorno dos fluxos das duas outras 15

4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • Com a eliminação da coluna

central e dada a necessidade da construção laminada, o núcleo trifásico pode ser feito segunda a disposição da figura ao lado.

• Com esta disposição consegue-se a vantagem de diminuir notavelmente o peso.

• As correntes magnetizantes relativas as três colunas resultarão, portanto iguais entre si, isto é, constituem um sistema trifásico e equilibrado. 16

4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • Nos transformadores trifásicos

normais, com o intuito de simplificar a construção abandona-se a condição de simetria, e dá-se ao núcleo a forma indicada ao lado.

• As três colunas são assim colocadas no mesmo plano para ligá-las entre si com uma simples travessa superior e inferior.

• As relutância das três colunas adquire valores diferentes e as correntes magnetizantes também serão diferentes entre si. 17

5. Núcleos envolvidos e núcleos envolventes

• Tipos de circuitos magnéticos: núcleo envolvido e núcleo envolvente

• Núcleo envolvido: neste tipo de núcleo os enrolamentos colocados sobre as colunas envolvem o respectivo circuito magnético sem serem envolvidos por estes

Monofásico Trifásico

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5. Núcleos envolvidos e núcleos envolventes • Núcleo Envolvente ou

Encouraçado:

• No núcleo envolvente aumenta a quantidade de material ferro magnético, e consequentemente aumenta o rendimento, isso se dá porque o fluxo encontra dois caminhos paralelos internamente ao ferro.

• Obtêm-se dessa forma, o máximo de acoplamento magnético, entretanto, necessita de tecnologia mais avançada na construção. Nesse tipo de transformador o núcleo envolve as bobinas.

Trifásico

Monofásico

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6. Tipos de enrolamentos

• Independente do tipo de construção do transformador, os dois enrolamentos o de alta tensão (A.T) e o de baixa tensão (B.T) são em geral colocados na mesmo coluna. Com a intenção de reduzir a dispersão de fluxo magnético.

• Nos transformadores industriais há varias maneiras de dispor os enrolamentos. Existem dois tipos de enrolamentos, o concêntrico ou tubular e em disco ou intercalado

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6.1 Enrolamentos concêntricos ou tubulares • Nesta construção os dois

enrolamentos são dispostos um dentro do outro.

• Quando o transformador é de alta e baixa tensão, são separados por um material isolante.

• Nesta mesma figura é possível observar também que o enrolamento de baixa tensão está próximo do núcleo, isso não é por acaso, essa medida é tomada por motivos de segurança. O enrolamento de alta é dividido em varias bobinas sobrepostas e devidamente distanciadas em razão do maior número de espiras nos transformadores abaixadores. 21

6.1 Enrolamentos concêntricos ou tubulares

• Às vezes o enrolamento de B.T é subdividido em 2 bobinas, a primeira próxima ao núcleo e o outro externamente ao enrolamento de A.T, como pode ser visto na figura. Este arranjo das bobinas diminui consideravelmente a dispersão de fluxo.

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6.2 Enrolamentos bobinas em disco ou intercaladas • Nesta construção as bobinas são

subdivididas em pequenas bobinas de comprimento axial pequeno em relação ao diâmetro (disco) ou panqueca. As bobinas de A.T e B.T se sobrepõem alternadamente como se pode ver na figura

• As bobinas extremas são de baixa tensão, estas possuem metade da espessura da bobina normal de B.T, esse tipo de disposição facilita a isolação entre o núcleo e a carcaça e diminui a dispersão de fluxo

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7. Construção dos enrolamentos

• Os enrolamentos de A.T e B.T têm construções diferentes. No enrolamento de A.T o problema principal é a isolação e o B.T as dificuldades se concentram no manuseio mecânico, pois elas possuem grande secção do condutor.

• O enrolamento de A.T tem uma grande quantidade de espiras com secção do condutor pequena, enquanto o enrolamento de B.T possui pequena quantidade de espiras com grande secção transversal do condutor. A isolação das bobinas é feita normalmente com esmalte ou algodão.

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8. Resfriamento dos Transformadores

• Em todos os transformadores é necessário se utilizar algum tipo de resfriamento, isso é de grande importância por que mesmo o transformador sendo um equipamento de grande eficiência, há perdas no núcleo e no cobre.

• Essa potência é dissipada por efeito Joule (na forma de calor). Se a temperatura interna do transformador chegar a níveis críticos, deteriora a isolação dos condutores causando um curto-circuito interno, diminui a eficiência do equipamento, causa redução da vida útil e envelhecimento do óleo isolante.

• Os tipos de resfriamento são: a seco e por óleo isolante. 25

8.1 Transformador a Seco

• Em um transformador a seco, a forma de resfriamento é o próprio ar natural, que circula o transformador ou forçado por meio de ventiladores.

Transformadores de potência encapsulados em resina epóxi sob alto vácuo

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8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante • O transformador imerso em

líquido isolante necessita de um tanque de aço onde a parte ativa do transformador (núcleo e bobinas) fica completamente imerso no líquido isolante.

• Esse líquido isolante possui duas finalidades importantes, a primeira é isolar os elementos sob tensão do tanque e possibilitar que os arcos elétricos internos ao transformador devido às diferenças de tensão entre o primário e o secundário e tanque (carcaça), sejam rapidamente interrompidos.

Transformadores de potência monofásico imerso em óleo.

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8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante • A outra finalidade importante é de

resfriar o transformador dissipando o calor produzido na parte ativa por condução e por convecção.

• O óleo, em contato com as partes aquecidas do transformador fica menos denso, mais leve, o que causa um movimento ascendente, o óleo mais afastado da parte ativa fica mais denso, mais pesado, o que causa um movimento descendente, resultando uma lenta movimentação do óleo no tanque do transformador, no processo chamado de convecção.

• Com esse processo transfere-se calor da parte interna para o exterior através do tanque por condução.

Transformadores de potência monofásico imerso em óleo.

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8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante • O líquido isolante é submetido à

variação de temperatura o que faz aumentar o volume quando a temperatura cresce e reduzir quando a temperatura diminui.

• Por esta razão no tanque deve existir um espaço chamado de “colchão de ar” para possibilitar “respiração do transformador”, pela variação de volume do líquido isolante e do vapor do líquido isolante decorrente da elevação da temperatura sem comprometer a pressão interna do tanque.

Transformador de potência monofásico imerso em óleo.

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8.3 Radiadores

• Os radiadores tubulares ligam a lateral inferior, a lateral superior do tanque do transformador.

• No interior dos radiadores tubulares passa o óleo dissipando o calor para o ambiente externo. Cumpre assim a necessidade de aumento da superfície do tanque em contato com o ambiente.

Transformador com radiador tubular

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8.3 Radiadores

• Os radiadores de chapa ou achatados têm a mesma finalidade do radiador tabular, porém com a vantagem de utilizar maior quantidade de radiador ocupando menor espaço que o radiador tubular ocuparia.

• Nesse radiador o óleo passa por um tubo achatado com maior área e menor espessura por seu interior dissipando o calor para o ambiente externo.

Radiador de chapas com conservador de óleo

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8.4 Tipos de óleo isolante

• O líquido isolante utilizado nos transformadores é o óleo mineral, a função desse óleo é a de isolação e resfriamento.

• O óleo mineral é um isolante melhor que o ar. Os transformadores de distribuição, com tensão acima de 1,2kV, são construídos de maneira a trabalharem imersos em óleos isolantes.

• Os óleos isolantes possuem dupla finalidade: garantir isolação entre os componentes do transformador e dissipar para o exterior o calor gerado nos enrolamentos e no núcleo.

• Para que o óleo possa cumprir satisfatoriamente as duas condições acima, deve estar perfeitamente livre de umidade e outras impurezas para garantir seu alto poder dielétrico. É considerado bom, o óleo com rigidez dielétrica superior a 30kV/mm.

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8.4 Tipos de óleos isolantes

• Óleo mineral de base naftênica: O de base naftênica (tipo A), utilizado em equipamentos para tensões superiores a 145kV.

• Óleo mineral de base parafínica :o de base parafínica (tipo B), é usado em equipamentos com tensão igual ou inferior a 145kV.

• Óleo de silicone: ao contrário dos óleos minerais, este tipo de fluido possui baixa inflamabilidade, reduzindo sensivelmente uma eventual situação de incêndio. Pois no caso de combustão do óleo, forma-se na superfície uma camada de sílica extinguindo a chama.

• Óleo vegetal isolante para transformadores: é usado também o óleo rtemp que é um óleo vegetal isolante de alto ponto de fulgor com características semelhantes ao silicone.

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9. Perdas no transformador

• A energia no primário é transferida para o secundário, mas parte dessa energia é dissipada em forma de calor no cobre (condutores do primário e secundário) e no ferro (correntes parasitas ou Foucault e Histerese).

• Para reduzir estas perdas haverá necessidade de resfriamento do transformador ou instalá-lo em local bem ventilado

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9.1 Perdas no cobre

• As perdas no cobre representam a energia dissipada nos condutores dos enrolamentos.

• A perda no cobre varia com a carga do transformador. Ao passar corrente nos enrolamentos, há perdas de energia por efeito Joule, a equação seguinte calcula a potência dissipada no cobre.

P = (R)*(I²)

• R - Resistencia elétrica do enrolamento primário ou secundário

• I - Corrente do primário ou do secundário

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9.2 Ensaio a curto-circuito

• No ensaio a curto-circuito do transformador pode-se medir a perda nos enrolamentos (no cobre), e utilizado para determinar o seu rendimento.

• Alimentando-se com tensão variável, pelo lado de tensão mais alta e estando os terminais de tensão mais baixa em curto-circuito, até que a corrente nominal primária 𝐼𝑛1 seja lida no amperímetro. Neste ponto lê-se também a tensão de curto-circuito (𝑉𝑐𝑐) e a potencia de curto-circuito (𝑃𝑐𝑐).

• Com estes valores pode-se calcular a impedância equivalente, 𝑍𝑒=𝑉𝑐/𝐼𝑛1 e a resistência equivalente, 𝑅𝑒=𝑃𝑐𝑐/𝐼𝑛12.

• A resistência equivalente do transformador de terminada no ensaio e curto-circuito representa unicamente a perda no cobre por feito Joule e depende diretamente da carga ligada ao transformador.

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9.3 Perdas no ferro

• Quando um fluxo magnético atravessa uma massa metálica (núcleo), essa massa fica sujeita a uma fmm, que produz grandes correntes chamadas de correntes parasitas ou correntes de Foucault. Estas correntes não transferem energia para o secundário, apenas aquecem o núcleo. Uma forma de reduzir essas correntes parasitas é aumentar a resistência elétrica do núcleo.

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9.3 Perdas no ferro

• Outra perda no ferro é a histerese magnética. Essa perda depende do material usado na construção do núcleo.

• Quando uma corrente alternada no primário inverte seu sentido, há também inversão de polaridade no campo magnético circulante no núcleo.

• A inversão do campo no núcleo consome certa quantidade de energia na forma de calor que representa a perda por histerese.

• Alguns materiais, como o aço silício de grãos orientados, mudam a polaridade do campo facilmente por que os grãos estão orientados no sentido do fluxo magnético, isso reduz as perdas por histerese.

• A perda por histerese é representada pelo ciclo histerético cuja forma depende da qualidade do material ferromagnético do núcleo

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9.3 Perdas no ferro

Ciclo de histerese para materiais diferentes

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9.4 Ensaio a vazio

• No ensaio a vazio do transformador pode-se medir a perda no ferro (núcleo), e utilizado para determinar o seu rendimento.

• Alimentando-se com tensão e freqüência nominais, pelo lado de tensão mais baixa e estando os terminais de tensão mais alta em aberto, mede-se a tensão nominal (𝑉𝑛), corrente de magnetização (𝐼𝑚) e a potencia a circuito aberto, (𝑃𝑐𝑎).

• Assim obtêm-se as perdas no núcleo caracterizadas pelas perdas por correntes parasitas e pela histerese magnética, considerando que no enrolamento em aberto a corrente é nula sendo, portanto igual a zero a perda Joule. 40

10. Rendimento

• O rendimento de um transformador é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada, desconsiderando-se as perdas na transformação e o tipo de carga alimentada, (resistiva, indutiva ou capacitiva)

𝜂=𝑃2/𝑃1

• 𝑃2=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑜 (𝑊)

• 𝑃1=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 (𝑊)

• A diferença entre a potência de entrada e a potência de saída corresponde às perdas no cobre, correntes parasitas e histerese

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10. Rendimento

• 𝑃1−𝑃2 = 𝑃𝐹𝑒+𝑃𝐶𝑜

• Lembrando que: 𝑃𝐹𝑒= 𝑃𝐻+𝑃𝑐𝑝

• Considerando as perdas fixas e sem importar o tipo de carga nem o nível de carregamento do transformador, ou seja, da quantidade de potencia alimentada em relação a potencia nominal do transformador

• 𝜂=𝑃2/(𝑃2+𝑃𝐶𝑜+𝑃𝑐𝑝+𝑃𝐻)

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