TransformadoresTransformadores

ConceitoConceito

O transformador é um dispositivo que permite elevar ou abaixar os valores de tensão ou corrente em um circuito de CA.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

Quando uma bobina é conectada a uma fonte CA surge um campo magnético variável ao seu redor.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

Aproximando-se outra bobina à primeira o campo magnético variável gerado na primeira bobina “corta” as espiras da segunda bobina.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

Como conseqüência da variação de campo magnético sobre suas espiras surge na segunda bobina uma tensão induzida.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

A bobina na qual se aplica a tensão CA é denominada de primário do transformador e a bobina onde surge a tensão induzida é denominada de secundário do transformador.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

É importante observar que as bobinas primária e secundária são eletricamente isoladas entre si.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

A transferência de energia de uma para a outra se dá exclusivamente através das linhas de força magnéticas.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

A tensão induzida no secundário de um transformador é proporcional ao número de linhas magnéticas que corta a bobina secundária e ao número de espiras da bobina.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

Por esta razão, o primário e o secundário de um transformador são montados sobre um núcleo de material ferromagnético.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

O núcleo diminui a dispersão do campo magnético, fazendo com que o secundário seja cortado pelo maior número de linhas

magnéticas possível, obtendo uma melhor transferência de energia entre primário e secundário.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

Com a inclusão do núcleo o aproveitamento do fluxo magnético gerado no primário é maior.

Entretanto, surgem inconvenientes:• o ferro maciço sofre grande

aquecimento com a passagem do fluxo magnético.

• também ocorre a dificuldade de desmagnetização do núcleo

Perdas no transformadorPerdas no transformador

Perdas no núcleo:• Histerese (Laço de Histerese)

Reversão magnética devido à mudança de sentido da corrente

No processo de desmagnetização o material ferromagnético mantém um magnestismo residual (memória)

• Correntes de Foucault (Parasitas) O campo magnético provoca o

aparecimento de correntes no núcleo que causam perdas por Efeito Joule.

Perdas no transformadorPerdas no transformador

Perdas nos enrolamentos:• Perdas no cobre

Perda devido à resistência ôhmica do fio Parte da energia é transformada em calor

por Efeito Joule

Funcionamento básicoFuncionamento básico

Para diminuir a perda por aquecimento utiliza-se ferro silicoso laminado para a construção do núcleo.

Funcionamento básicoFuncionamento básico

Para diminuir a perda por histerese faz-se o tratamento térmico do material utilizado na construção do núcleo.

A transferência de energia elétrica ocorre em níveis de tensões e correntes diferentes. Porém, a potência aparente é igual nos dois circuitos.

NÃO EXISTE LIGAÇÃO FÍSICA ENTRE O CIRCUITO PRIMÁRIO E O CIRCUITO

SECUNDÁRIO

Transformador de potência ou Transformador de potência ou de forçade força

Caminho do fluxo

Disposição básicaDisposição básica

Transformador ideal

PE = PS

VEIE = VSIS

Transformador real

PE = PS + PP

Relação de transformaçãoRelação de transformação

Np – número de espiras do enrolamento primárioNs – número de espiras do enrolamento secundárioVp – tensão no primárioVs – tensão no secundárioIs – corrente no secundárioIp- corrente no primário

SP P

S S P

IN V

N V I

Trafo Ideal – Relação de Trafo Ideal – Relação de transformaçãotransformação

Exercício 1Exercício 1

Um transformador abaixador de 110 V para 6 V deverá alimentar no seu secundário uma carga que absorve uma corrente de 4,5 A. Qual a corrente no primário?

Exercício 2Exercício 2

Um transformador elevador de 110 V para 600V absorve, no primário, uma corrente de 0,5 A. Que corrente está sendo solicitada no secundário?

SIMBOLOGIA

Núcleo laminado

Núcleo de ferrite

PN SN

Tipos de transformador quanto ao enrolamentos

Transformador com mais de um secundário (múltiplos enrolamentos)

Transformador de múltiplos enrolamentos

Calcular o número de espiras necessárias nos dois enrolamentos secundários, sendo o enrolamento primário composto de 500 espiras.

110V

220V

6V

Vp/Vs1 = Np/Ns1Ns1 = 1 000 espiras Vp/Vs2 = Np/Ns2Ns2 = 27,4 espiras

Transformador de múltiplos enrolamentos

Supondo uma carga conectada à saída de 220V que consome 0,3A e outra à saída de 6V que consome 0,5A, calcular a potência e a corrente no primário

110V

220V

6V

Ps1 =Vs1 * Is1 => Ps1 = 66VA Ps2 = Vs2 * Ns2 => Ps2 = 3VA Pt = Ps1 + Ps2 = 69VA Ip = Pt/Vp => Ip = 0,63A

Tipos de transformador quanto ao enrolamentos

Autotransformador

Tipos de transformador quanto a relação de

transformação Quanto a relação de transformação

os transformadores podem ser classificados em três grupos:• transformador elevador• transformador abaixador• transformador isolador

transformador elevador

transformador abaixador

transformador isolador

Tipos de transformador quanto a aplicação

De medida (TP e TC)

De sinal

De força

De isolação

QUANTO AO NÚMERO DE FASES

a) Transformadores monofásicos

São aqueles construídos para serem instalados em sistemas de distribuição rural caracterizados por monofilar com retorno pela terra. (MRT)

São transformadores com somente um bucha no primário e eventualmente uma ou mais buchas no secundário.

Exemplo de um transformador monofásico

b) Transformadores trifásicos

São os mais empregados tanto nos sistemas de distribuição e transmissão de energia elétrica das concessionárias, quanto no atendimento às cargas industriais.

São constituídos por um núcleo de lâminas de aço empacotadas, com colunas envolvidas por um conjunto de bobinas, normalmente de fio de cobre que formam os enrolamentos primário e secundário.

EXEMPLO DE UM TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Os enrolamentos dos transformadores trifásicos podem ser ligados basicamente de duas formas:

a) Ligação triângulo

É aquela em os terminais das bobinas são ligados entre si (um fim de uma bobina com início da outra) permitindo a alimentação em cada ponto da ligação.

A tensão aplicada entre dois destes pontos é chamada de tensão de linha

A corrente que entra em qualquer dos pontos descritos é chamada de corrente de linha.

A corrente que circula nos enrolamento é chamada de corrente de fase.

EXEMPLO DA LIGAÇÃO ESTRELA

b) Ligação estrela

É aquela em que os terminais dos enrolamentos são ligados a um ponto comum, podendo resultar esta ligação em três ou quatro fios.

A ligação estrela é comumente utilizada no secundário de transformadores de distribuição, podendo também ser utilizada no primário.

EXEMPLO DA LIGAÇÃO ESTRELA

LigaçõesLigações A notação dos terminais é A notação dos terminais é

feita conforme as normas feita conforme as normas da ABNT.da ABNT.• H1, H2 e H3 =>usados para H1, H2 e H3 =>usados para

os terminais de tensão mais os terminais de tensão mais alta;alta;

• X1, X2 e X3 => usados para X1, X2 e X3 => usados para os terminais de tensão mais os terminais de tensão mais baixa.baixa.

Resfriamento de transformadoresResfriamento de transformadores

ArAr ÓleoÓleo

+ Ar+ Ar + Água+ Água

QUANTO AO TIPO DE ISOLANTE

Os transformadores se classificam quanto ao meio isolante utilizado:

Transformador a seco

Líquido isolante

QUANTO AO TIPO DE ISOLANTE

Transformador a seco

Os transformadores a seco são de emprego específico por se tratar de um equipamento de custo elevado.São empregados em instalações onde os riscos de explosões são elevados.

Líquido isolante

Os transformadores que utilizam líquido isolante são utilizados em sistemas de distribuição e em algumas plantas industriais.

Tipos de líquidos isolantes utilizados em transformadores: óleo mineral, silicone e ascarel.

OBS: A utilização do ascarel está proibida por lei.

Partes constituintesPartes constituintes

EnrolamentoEnrolamento

PARTES CONSTRUTIVAS

a) Tanque

Parte metálica que abriga o núcleo, contém isolante e transmite ao meio externo o calor produzido pela parte ativa e onde são fixados os suportes de fixação.

Nele também são encontrados os radiadores.

b) Conservado de óleo

Consiste em um reservatório fixado no transformador na parte superior da carcaça. Sua função é receber o óleo do tanque quando este se expande, devido ao aquecimento decorrente de perdas internas.

Todo transformador precisa de um câmara de compensação de expansão do líquido isolante.

b) Conservado de óleo

Para trafos com potência superior a 2000 KVA, o tanque é construído para permanecer completamente cheio.

Nesse caso é necessário a utilização do conservador de líquido.

Para transformadores com menor potência, geralmente o tanque recebe o líquido até 15 cm de sua borda.

EXEMPLO DE UM TRANSFORMADOR COM CONSERVADOR DE ÓLEO

b) Secador de ar

Consiste em um recipiente com sílica-gel cujo objetivo é não permitir a entrada de ar úmido para o tanque.

Muito utilizado em transformadores com conservador de óleo.

Os transformadores selados, ou seja, aqueles que não possuem conservador de óleo tem um gás inerte na câmara de compensação.

c) BuchasSão dispositivos que permitem a passagem dos condutores constituintes dos enrola mentos para o meio externo (redes elétricas).

São constituídos de corpo isolante (porcelana), condutor passante (cobre ou latão), terminal (bronze ou latão) e vedações (borracha e papelão).

d) ComutadorÉ um dispositivo mecânico que permite variar o número de espiras dos enrolamentos de alta tensão. Sua finalidade é corrigir o desnível de tensão existente nas redes de distribuição, devido à queda de tensão ocorrida ao longo das mesmas.

e) Placa de identificação

Construída em alumínio ou aço inoxidável, onde constam todas as informações construtivas resumidas e normatizadas do aparelho.

e) Placa de identificação

Entre as informações fornecidas pela placa encontram-se:

· nome e dados do fabricante;· numeração da placa;· indicação das NBR;· potência (kVA);· impedância equivalente (%);· tensões nominais (AT e BT);· tipo de óleo isolante;· diagramas de ligações;· diagrama fasorial;· massa total (kg);· volume total do líquido (l).

REPRESENTAÇÃO DE UM ESQUEMA DE GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO

Ensaio em vazioEnsaio em vazio

O secundário é deixado em aberto (não ligado a qualquer carga), sendo o enrolamento primário ligado à tensão nominal.

Ensaio em vazioEnsaio em vazio

Dado que o secundário está em vazio, nenhuma corrente flui nele e, consequentemente:• nenhuma energia é transmitida para

aquele ramo do circuito• as perdas de Joule, no enrolamento

secundário, são nulas o wattímetro e o amperímetro,

inseridos no circuito do primário, mostram valores não nulos

Ensaio em vazioEnsaio em vazio

O valor de potência registrado pelo wattímetro refere-se às perdas por histerese e correntes parasitas

Pode-se também calcular o fator de potência do transformador em vazio:

• P0=V0I0cosφ0

• cosφ0=P0/(V0I0)

Ensaio em curto-circuitoEnsaio em curto-circuito

O secundário é curto-circuitado e aumenta-se a tensão no primário até que a corrente no secundário atinja o valor nominal.

Ensaio em curto-circuitoEnsaio em curto-circuito

Com o secundário em curto circuito, a sua impedância é quase nula:• a tensão necessária, no primário, para

obter essa corrente, é muito pequena. • é necessária uma fonte de tensão

regulável para alimentar com um valor reduzido o enrolamento primário

Ensaio em curto-circuitoEnsaio em curto-circuito

Este ensaio permite conhecer, também, o valor da corrente de curto circuito do secundário • se com uma tensão VPcc se obtém a

corrente nominal no secundário, então com a tensão nominal no primário (e um curto circuito no secundário) obter-se-á a corrente de curto circuito

Ensaio em curto-circuitoEnsaio em curto-circuito

O conhecimento deste valor é de fundamental importância para a determinação de algumas grandezas relacionadas com dispositivos de proteção na instalação elétrica, à qual o transformador pertence.

RendimentoRendimento

η=Potência de saída / Potência de entrada

η=Ps / Pp

η=Ps / (Ps + Perdas)

Queda de tensãoQueda de tensão

A tensão em vazio é diferente da tensão em carga• Esta diferença decorre do fato de que,

no primeiro caso, a corrente no circuito secundário ser nula, já que não tem nenhuma carga ligada.

• Ligando-se cargas ao secundário, vai fluir uma corrente elétrica no mesmo, que vai provocar uma queda de tensão no próprio enrolamento.

Queda de tensãoQueda de tensão

A tensão em vazio é diferente da tensão em carga• Esta queda de tensão vai subtrair-se à

queda de tensão induzida, sendo o resultado prático uma tensão em carga, inferior à tensão em vazio.

NormalizaçõesNormalizações

Como o estudo dos transformadores envolve as principais grandezas elétricas, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) estabeleceu normas nacionais de operação, construção, manutenção e uso dos mesmos.

NormalizaçõesNormalizações

Segundo a NBR 5440, as potências padronizadas para transformadores de distribuição, em kVA, são:

a) Transformador monofásico instalado em poste: 3 ; 5 ; 10 ; 15 ; 25 ; 37,5 ; 50 ; 75 ; 100

b) Transformador trifásico instalado em poste: 15 ; 30 ; 45 ; 75 ; 112,5 ; 150

c) Transformador trifásico instalado em plataforma: 225 ; 300 ; 500 ; 750 ; 1000

Banco de TransformadoresBanco de Transformadores

É a ligação de dois ou mais transformadores em paralelo entre si, conectados a uma única rede de alimentação.

Banco de TransformadoresBanco de Transformadores

A utilização do paralelismo é recomendada nas seguintes situações:• a) quando houver a necessidade de aumentar

a potência disponível, sem alterar• consideravelmente a distribuição interna de

uma instalação;• b) nos casos de necessidade de manutenção

de um transformador sem o corte do• fornecimento de energia elétrica;• c) alimentação de cargas sazonais.

Banco de TransformadoresBanco de Transformadores

Para a ligação de transformadores trifásicos em paralelo é necessário que:• tenham a mesma tensão de entrada;• tenham a mesma relação de transformação;• possuam a mesma polaridade;• pertençam a um mesmo grupo de

deslocamento angular.

ExemploExemplo

Um transformador com núcleo de ferro Um transformador com núcleo de ferro funcionando numa linha de 120 V possui funcionando numa linha de 120 V possui 500 espiras no primário e 100 espiras no 500 espiras no primário e 100 espiras no secundário. Calcule a tensão no secundário. Calcule a tensão no secundáriosecundário

ExemploExemplo

Um transformador de potência tem uma Um transformador de potência tem uma razão de espiras de 1:5. Se a bobina do razão de espiras de 1:5. Se a bobina do secundário tiver 1.000 espiras e a tensão secundário tiver 1.000 espiras e a tensão no secundário for de 30 V, qual a razão de no secundário for de 30 V, qual a razão de tensão, a tensão no primário e o número tensão, a tensão no primário e o número de espiras do primário?de espiras do primário?

ExemploExemplo

Deduza a equação para a razão de Deduza a equação para a razão de corrente Vcorrente Vp p / V/ Vss por I por Is s / I/ Ipp..