Apostila de transformadores, Notas de estudo de Eletromecânica

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TRANSFORMADORES

2.1.1. Quanto ao material do núcleo...........................................................................

• 1. Objetivo
• 2. Introdução
  • 2.1. Divisão detalhada quanto aos tipos construtivos...................................................
    • 2.1.2. Quanto ao número de fases.............................................................................
    • 2.1.3. Quanto à forma do núcleo................................................................................
    • 2.1.4. Quanto à disposição relativa dos enrolamentos...............................................
    • 2.1.5. Quanto à proteção e maneira de dissipação de calor......................................
• 3. Razão ou relação de tensão
• 4. Relação entre potências primárias e secundárias
• 5. Eficiência
• 6. Corrente alternada e corrente contínua
• 7. O transformador ideal
  • 7.1. Sumário comparativo entre o transformador real e o transformador ideal..........
  • 7.2. A importância do transformador ideal..................................................................
• 8. Autotransformador
• 9. Outros tipos de transformadores
  • 9.1. Transformador autoprotegido..............................................................................
  • 9.2. Transformador industrial......................................................................................
  • 9.3. Tranformador subterrâneo...................................................................................
  • 9.4. Transformador a seco..........................................................................................
  • 9.5. Tranformador de distribuição...............................................................................
  • 9.6. Transformador de força.......................................................................................
  • 9.7. Transformador de comando.................................................................................
  • 9.8. Transformador de corrente 4NC/4NF..................................................................
• 10. Conclusão

Fig. 1 Transformador trifásico

2.1. Uma divisão mais detalhada dos transformadores, quanto aos tipos construtivos, é dada a seguir:

2.1.1. Quanto ao material do núcleo

Transformadores com núcleo ferromagnético. Os transformadores de potência são invariavelmente desse tipo. Os materiais ferromagnéticos adequados para esses núcleos devem possuir, além de alta permeabilidade magnética, uma resistividade eletrica relativamente elevada e uma indução residual relativamente baixa quando submetido a uma magnetização cíclica. Essas propriedades implicarão, pela ordem, em baixa relutância e, portanto, em pequena absorção de corrente magnetizante e de potencia relativa de magnetização, baixas perdas por correntes parasitas (parda Foucault) e baixa perda histerética. Os aços-silício (ligas de ferro, carbono, silício) são os materiais ferromagnéticos que satisfazem as exigências dos núcleos desses transformadores. Eles são utilizados laminados, com espessura entre 0,25 e 0,5mm, com as laminas isoladas, normalmente pelo próprio oxido da laminação siderúrgica, e prensadas para formar o núcleo. Essas providencias são tomadas, também, para atenuar as correntes induzidas no núcleo e, portanto, atenuar as perdas Foucault. Nos transformadores maiores, onde se exige bom rendimento, as laminas são de aço-silício de grãos orientados, que além de alta permeabilidade quando excitados no sentido da laminação, apresentam baixíssimas perdas magnéticas especificas (watts por unidade de massa). Os transformadores de medida, bem como muitos do tipo de controle, também são constituídos com núcleo ferromagnético, seja laminado ou sintetizado, com a intenção de diminuir as perdas e a corrente magnetizante e melhorar o acoplamento magnético.

Transformadores com núcleo de ar. O núcleo de ar confere uma característica linear ao circuito magnético do transformador, e não apresenta perdas magnéticas, porém apresenta grande relutância ( μ ar^^ =μ^0 =^4 π^10 −^7 H / m ) e, conseqüentemente, necessita de maior

f.m.m. de excitação. Se a permeabilidade relativa ( μ^ r ( B )=^ μ( B )/^ μ 0 ) aços-silício é da

ordem de alguns milhares, para os valores de densidade de fluxo utilizadas nos transformadores, um milímetro de entreferro num núcleo pode equivaler a metros de material ferromagnético, no que diz respeito a f.m.m. de excitação. Portanto, com núcleos de ar, a corrente magnetizante poderá ser relativamente elevada, a menos que o enrolamento possua uma grande quantidade de espiras, ou seja, excitado com freqüência elevada, para que ofereça à fonte uma grande reatância. Por essa razão e pelo dato de as perdas magnéticas nos materiais ferromagnéticos crescerem mais do que proporcionalmente com a freqüência, os núcleos de ar ficam restritos quase que exclusivamente a pequenos transformadores (do tipo de controle) de freqüências mais elevadas que as industriais.

2.1.2. Quanto ao numero de fases

Transformadores monofásicos e polifásicos. A Fig. 2 mostra núcleos elementares de transformadores monofásicos e trifásicos, sem preocupação com a disposição relativa entre os enrolamentos primário e secundário.

Os fluxos φ m^ são fluxos mútuos, isto é, concatenam-se com o enrolamento primário e

secundário, produzindo os fluxos concatenados λ = 1 N 1 φ m 1 e λ = 2 N 2 φ m 2. Os fluxos

φ d 1 e φ d 2 são fluxos de dispersão, que se concatenam só com o enrolamento primário e

só com o enrolamento secundário. Note que, no caso trifásico, os fluxos φ m^1 , φ m^2 e φ m 3

e as três f.e.m. são três grandezas alternativas, senoidais no tempo e defasadas 120º entre si.

2.1.3. Quanto à forma do núcleo

Transformadores monofásicos, nuclear e encouraçado. O tipo nuclear é apresentado na Fig. 2(a), o tipo encouraçado é o da Fig. 3. Um transformador trifásico também pode ser feito encouraçado, com o mesmo critério apresentado na Fig. 3, para os monofásicos, isto é, com o núcleo ferromagnético envolvendo cada conjunto de bobinas primário-secundário. Note que a ocorrência de dispersão de fluxo é menos acentuada nesse caso do que no tipo nuclear.

Fig. 2 Corte esquemático de transformadores (a) monofásico e (b) trifásico. Os índices 1 e 2 referem-se a primário e secundário, e os índices a , b e c às fases a , b e c do sistema trifásico.

2.1.5. Quanto à proteção e maneira de dissipação de calor

Os transformadores de potencia, não só por problemas de isolação em altas tensões, como de dissipação, são imersos em óleo isolante, portanto protegidos, isto é, blindados em relação ao meio. Podem ter superfície com aletas, ventilação forçada e sistemas de refrigeração mais complexos com circulação de óleo, trocador de calor, etc. existe uma crescente dificuldade em se dissipar o calor advindo das perdas, à medida que cresce a potencia e o tamanho dos transformadores. Nos grandes transformadores existe sempre um sistema de ancoragem das bobinas, para protegê-las contra os elevados esforços que podem aparecer por ocasião de sobrecorrentes, como nos curto-circuitos. Essas forças podem ser bastante elevadas.

3. Razão ou relação de tensão

A tensão nas bobinas de um transformador é diretamente proporcional ao numero de espiras das bobinas. Esta relação é expressa através da formula

s

p s

p N

N

V

V

onde: Vp= tensão na bobina do primário [V] Vs= tensão na bobina do secundário [V] Np=número de espiras da bobina do primário Ns=número de espiras da bobina do secundário

A razão Vp/Vs é chamada de razão ou relação de tensão. A razão Np/Ns é chamada de razão ou relação de espiras. Uma razão de tensão de 1:4 (lê-se um para quatro) significa que para cada volt no primário do transformador há 4 volts no secundário. Quando a tensão do secundário é maior do que a tensão do primário, o transformador é chamado de transformador elevador. Uma razão de tensão de 4:1 significa que para 4V no primário há somente 1V no secundário. Quando a tensão no secundário for menor do que no primário, o transformador é chamado de transformador abaixador.

Fig. 5 Diagrama simplificado de um transformador

4. Relação entre potências primárias e secundárias

Fig. 6 Representação esquemática de um transformador com fluxo positivo e correntes positivas.

Devido ao suprimento das perdas, num transformador com uma carga como a da Fig. 7, a potência ativa de entrada no primário é maior que a transferida para o secundário, e esta é maior que a de saída. A relação entre as potências pode ser deduzida a partir da Fig. 6. e 1 (^) ( t ) i ' 2 ( t )=− e 2 ( t ) i 2 ( t )

Essa é a potência realmente transferida, através do acoplamento magnético de um lado para outro. É a energia liquida que, por exemplo, o secundário recebe do primário após serem descontadas todas as perdas de energia neste enrolamento e no núcleo. Devido ao sentido das correntes, nota-se o sinal negativo na expressão acima, significando que os fluxos de energia são contrários, isto é, se o lado 1 absorve e 1^ (^ t ) i ' 2 ( t ), o lado 2 fornece

e 2 (^) ( t ) i 2 ( t )e vice-versa, sem armazenagem de energia.

No caso da Fig. 7, se i^ c =^ − i 2 , tem-se e 1 (^) ( t ) i ' 2 ( t )= e 2 ( t ) ic ( t ).

No transformador ideal, obviamente, v 1 (^) ( t ) i 1 ( t )= v 2 ( t ) ic ( t ),

e, em regime senoidal permanente, as potências aparentes são V 1 (^) I 1 = V 2 I c ,

e o quanto de energia reativa o transformador absorve da fonte depende não só de I1mag , mas da natureza da carga.

7. O transformador ideal

Um transformador ideal é aquele em que o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, ou seja, todas concatenam, ou “abraçam”, o mesmo fluxo, o que vale dizer que não há dispersão de fluxo. Isso implica assumir a hipótese de que a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético é alta ou, no caso ideal, infinita, e o circuito magnético é fechado. Além disso, admite-se que o transformador não possui perdas de qualquer natureza, seja nos enrolamentos, seja no núcleo.

7.1. Sumário comparativo entre o transformador real e o transformador ideal

Variáveis e parâmetros Transformador real Transformador ideal

Resistência ôhmica dos enrolamentos

Não-nulas Nulas

Fluxo φ m^ em carga a)^ Ligeiramente diferente do

existente em vazio, nos transformadores de forte acoplamento magnetico b) Bastante diferente nos de fraco acoplamento, como muitos transformadores de núcleo de ar

Igual ao de vazio

Fluxos de dispersão

Indutâncias de dispersão dos enrolamentos

a) Pequenos nos casos de forte acoplamento b) Relativamente grandes nos de fraco acoplamento

Não-nulas; relacionadas diretamente com o item anterior

Inexistente

Nulas

F.e.m. e 1 e e 2

Permeabilidade magnética do núcleo

e 1 ≠v 1 ; e 2 ≠v 2

2

1 2

1 N

N

e

e = (^) ; 2

1 2

1 N

N

v

v ≠

v 1 ≠v 2

Finita

e1=v 1 ; e2=v 2

2

1 2

1 N

N

e

e = (^) ; 2

1 2

1 N

N

v

v ≡

v1=v 2

Infinita

Corrente magnetizante

Capacitância entre espiras e de enrolamento para massa

Perdas Joule

a) Pequena nos casos de nucleos ferromagnéticos b) Alta nos núcleos não ferromagneticos (ar, por exemplo)

Desprezivel nos regimes permanentes de frequência baixa, mas considerável em fenômenos transitórios Rápidos e em regime de frequências altas

Proporcionais às resistências efetivas dos enrolamentos

Nula

Nula

Inexistente

Perdas no núcleo

Circuito equivalente completo

Impedância interna

Corrente de curto- Circuito

a) Diferentes de zero, embora relativamente pequenas nos casos de chapas de silício especiais b) Inexistentes nos casos de núcleo de ar. R1p pode ser infinita no caso de nucleo de ar

Diferente de zero

Finita

Inexistente

Nula

Infinita

Também podem ser usados autotransformadores para motores trifásicos, como mostra a Fig. 9.

Fig. 9 Autotransformador trifásico com tensão de saída variável.

Nos autotransformadores existe uma condução galvânica entre o lado de entrada e de saída. Isso exclui certas aplicações, tais como:

• Transformador de isolamento de segurança;
• Transformador de isolamento;
• Transformador separador de tensão reduzida;
• Transformador de campainhas e brinquedos;
• Transformador de instrumentação.

9. Outros tipos de transformadores

9.1. Transformador autoprotegido

O transformador incorpora componentes para proteção do sistema de distribuição contra sobregargas e curto-cicuitos na rede secundária e falhas internas no transformador, possuindo para tanto, montados internamente ao tanque, fusíveis de Alta Tensão e disjuntor de Baixa Tensão. Para proteção contra sobretensões o transformador é provido de dispositivo para fixação de pára-raios externos ao tanque.

Principais Características Potência: 45 à 150 kVA Alta Tensão: 15 ou 24,2 kV Baixa Tensão: 380/220 ou 220/127 V Normas: conforme ABNT/IEC.

9.3. Tranformador subterrâneo

Transformador de construção adequada para ser instalado em câmaras, em qualquer nível, podendo ser prevista sua utilização onde haja possibilidade de submersão de qualquer natureza.

Principais Características Potência: 150 à 2.000 kVA Alta Tensão: 15 ou 24,2 kV Baixa Tensão: 216, 5/125; 220/127; 380/220; ou 400/231 V Normas: conforme NBR 9369/1986 ABNT.

9.4. Transformador a seco

Plantas industriais, plantas químicas e petroquímicas, plataformas off-shore, prédios comerciais, hospitais, embarcações marítimas, shopping centers, unidades de tratamento de água, aeroportos, centros de entretenimento, etc.

Principais Características Potência: 300 à 15.000 kVA Alta Tensão: 15 ou 24,2 ou 36,2 kV Baixa Tensão: 4160/2402; 440/254; 380/220; 220/127 V ou conforme especificações do cliente. Normas: conforme ABNT/IEC.

9.5. Tranformador de distribuição

Transformadores e reatores para geração, transmissão e distribuição de energia em concessionárias e subestações de grandes indústrias, incluindo aplicações especiais como fornos de indução e a arco e retificadores.

Transformadores de Força Potência: acima de 5 até 300 MVA Alta Tensão: até 550 kV Normas: ANSI / IEEE, IEC e ABNT. Transformadores de Fornos Potência: até 160 MVA Alta Tensão: até 550 kV Normas: ANSI / IEEE, IEC e ABNT. Transformadores Retificadores Potência: até 80 MVA Corrente: até 150 kA Normas: ANSI / IEEE, IEC e ABNT.

9.7. Transformador de comando

Os Transformadores de Comando possuem uma faixa de potência de 50 a 5000VA religáveis para tensões primárias 110/220VCA e 24VCA. Aplicados na alimentação de circuitos de comando oferecem isolação galvânica, limitação de capacidade de curto- circuito, redução de tensão em relação aos circuitos de potência e inclusive efeito de supressor em transitórios não lineares da instalação. Estes transformadores possuem terminais de ligação em bloco frontal com proteção ao toque acidental, proporciona uma montagem simples com fixação pela base em estrutura metálica. Isolação a seco para instalação abrigada Todos os transformadores são individualmente ensaiados e identificados por número de série.

9.8. Transformador de corrente 4NC/4NF