Dados Gerais Transformadores, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Transformadores

Engenharia Elétrica - UFSJ

Ana Carolina Lemos Lorena Machado Gomes- (^100950005) - 00900058 Teresa Prof.

Figure 1 - Esquemática básica de um transformador

Introdução

O que é um transformador?

Um transformador é uma máquina estática que transfere energia elétrica de um circuito para outro através de indução eletromagnética. A energia elétrica é sempre transferida sem mudanças na frequência, mas ocorre mudanças na tensão e na corrente. Como o transformador trabalha com indução eletromagnética, ele deve ser usado com corrente/tensão alternada.

Quais são as partes básicas de um transformador?

 O Núcleo ferro-magnético: no qual passam as linhas de fluxo magnético;  O primeiro enrolamento: são bobinas de cobre no qual recebe a energia da fonte alternada;  O Segundo enrolamento: também bobinas que recebe a conrrente induzida do primeiro enrolamento e o entrega a carga;

As características do núcleo

A composição do núcleo de um transformador depende de fatores como tensão, corrente e frequência. Também existe limitação de tamanho e custo a serem considerados. Os materiais comumente utilizados são o ar, ferro e aço. Geralmente, transformadores de núcleo de ar são usados quando a fonte de tensão possui alta frequência (acima de 20KHz).

Um designe comum do núcleo lâminado é feito ligas intercaladas em fomato de letra E tampados com peças em foma de letra I. Esse formato tende a exibir mais perdas, mas é mais barato de se produzir. O formato de C tem a vantagem de que o fluxo está sempre orientado paralelamente as pontas do metal, reduzindo perdas.

Um núcleo de aço retém um campo magnético estático quando a força é removida. Quando a força é reaplicada, o campo residual causa uma entrada súbita de corrente até o efeito do magnetismo remanecente seja reduzido, geralmente após alguns poucos ciclos de corrente alternada. Dispositivos de proteção para sobrecorrentes como fusíveis devem ser selecionados para deixar passar sem danificar esse tipo de corrente. Tempestades solares causam o acionamento de dispositivos de proteção em transformadores conectados a linhas de transmissões longas.

 Núcleos sólidos

Núcleos de ferro são usados em circuitos que operam em frequências acima de algumas dezenas de kilohertz. Esses materiais combinam a alta permeabilidade magnética com a alta carga de resistividade. Para frequências acima da faixa de VHF ( 30 MHz a 300 MHz), núcleos feitos com materiais não condutores como a cerâmica magnética chamada ferrite são comuns. Alguns transformadores de radio frequência contém núcleos ajustáveis que permite o ajuste da indutância.

 Núcleo Toroidal

Transformadores toroidais são contruídos em volta de um núcleo com o formato de anel, no qual, dependendo da frequência de operação é feito com aço silício, ou permalloy, ferro, ou ferrite. O formato fechado do anel elimina o problema com o ar que geralmente ocorre em trafos com o formato E-I. A seção transversal do núcleo é

geralmente quadrada ou rectangular, mas núcleos mais caros possui a seção transversal circular.

Os enrolamentos primários e secundários são enrolados concentricamente para cobrir toda a superfície do núcleo toroidal. Isso minimiza o comprimento de fios necessários e minimiza a geração de interferência eletromagnética devido ao campo magnético do núcleo.

Os transformadores toroidais são mais eficientes que os E-I laminados com o mesmo nível de força. Outra vantagem inclui tamanho menor, menor peso, menos barulho mecânico, menor influência de campo magnético externo e menor perda a vazio. A desvantagem principal está no alto custo mais a limitação de capacidade de força.

 Núcleo de Ar

Um núcleo físico não é requisito para o funcionamento do transformador, ao colocar os enrolamentos perto um do outro também se produz o efeito de transformador. O ar no qual está o circuito magnético é essencialmente sem perdas e dessa forma o transformador de núcleo de ar elimina perdas por histerese no núcleo do material. O vazamento de indutância é alto, o que dificulta a regulação e não pode ser usado na distribuíção de força. Ele possui alta largura de banda e são frequentemente empregados em aplicações de radio frequência.

Enrolamento

O material conductor usado para enrolamento depende da aplicação, mas em todos os casos as voltas tem que ser eletricamente isolada uma das outras, garantindo que a corrente passe por todas as voltas. Transformadores que operam com alta potência em alta tensão são feitos geralmente com cobre isolados com óleo. Transformadores de alta

transformador. Esse campo tem sido estudado exaustivamento por mais de 100 anos. Estima-se que 50% dos transformadores de potência sobreviverão 50 anos de uso, e a média dos outros 50% duram cerca de 10 a 15 anos. Acredita-se que 30% das falhas dos transformadores é devido a falha na isolação.

Operações prolongadas em altas temperaturas não só comprometem a isolação do transformador, como a isolação do enrolamento e o resfriamento. Isso não só encurta a vida útil do trafo como também leva a falhas catastróficas. O teste de óleo do transformador incluindo a análise de gás dissolvido, mostra informações valiosas de manutenção. As normas de construção requerem que transformadores com líquidos que ficam dentro de prédios devem usar fluídos dielétricos ao invés de óleo por serem menos inflamáveis, ou serem isolados em lugares anti incêndios. Transformadores a seco que são resfriados a ar podem ser mais econômicos do que constuir um quarto anti incêndio para colocar o transformador a óleo.

Os tanques dos transformadores geralmente possuem radiadores nos quais circulam líquidos para resfriamento por propagação natural através de estabilizador vertical. Alguns grandes transformadores usam ventiladores e resfriamento pro água. Trafos a óleo são equipados com o relé de Buchholz, no qual, dependendo da severidade da acumulação de gás é usado para dar o alarme ou até desernegizar o transformador. Transformadores a óleo também possuem medidas de proteção contra fogo como paredes, contenção de óleo e sistemas de extintores de incêndio. Outra proteção consiste em um Sistema de despressurização rápido que é ativado pelo primeiro pico de pressão e de onda de choque, evitando a explosão do transformador antes que a pressão estática aumente. Muitas explosões foram evitadas por essa technologia.

Bifenilpoliclorado tem propriedades que favorece seu uso como um resfriador dielétrico, mas causam problemas no meio ambiente e há uma concessão geral de banir seu uso. Hoje, óleos não tóxicos e a base de silicone, ou hidrocarbonos fluorados são usados no lugar em que se exige proteção contra incêndio. Alguns transformadores que não são preenchidos com líquido, tem seus enrolamentos fechados e selados, em tanques pressurizados ou resfriados por nitrogênio.

Mancal

Grandes transformadores são providos de mancal isolantes feito de polimeros ou procelana. Um mancal grande pode ser uma extrutura complexa já que tem de prover um controle cuidadoso do campo elétrico gradiente sem deixa vazar óleo.

Os mancais ás vezes falham geralmente por uma degradação da isolação devido aos muitos anos de uso. Há um interesse grande na indústria de manter um acompanhamento da condição dos mancais dos transformadores. Muitas das falhas destes é devido a falta de manutenção ou falto do controle de tensão.

Tipos de Transformador

Uma grande variedade de transformadores são feitos para diferentes propósitos. Apesar dos diferentes formatos, todos eles fazem o mesmo princípio básico que foi descoberto em 1831 por Michael Faraday.

Núcleo Laminado

Este é o tipo mais comum de transformador, muito aplicado em converter a tensão principal para uma menor em eletrônicos de potência. Está disponível com uma variação de potência entre mW e MW. As lâminas ajudam a reduzir as correntes parasitas. Pequenas aplicações e transformadores eletrônicos geralmente tem um controlador termal.

Transformador de Campo de dispersão Este transformador tem um ajustador magnético em seu núcleo. Ele age como transformador com uma limitação de corrente própria devido a baixa ligação entre seus erolamentos, no qual não ;e muito favorável em alguns casos. As correntes de entrada e saída são baixas o suficiente para prevenir aquecimento. São usados em lâmpadas de discarga de alta voltage e soldas.

Transformador polifásico Para sistemas polifásicos, vários enrolamentos podem ser usados separados ou interconectados. Para um transformador trifásico, os três enrolamentos principais são conectados juntos e os três secundários são conectados também juntos.Exemplos de conecções são triangulo-estrela, estrela-triangulo, triangulo-triangulo e estrela-estrela. Um grupo de vetores mostra a configuração dos ligamentos e o anglo de fase a diferença entre eles. Se um dos ligamentos estiver aterrado, essa conecção é geralmente o ponto central de um enrolamento estrela. Há diferentes configurações para um trafo polifásico.

Transformador de ressonância Esse trafo opera com a frequência de ressonância de uma ou mais de suas bobinas em um capacitor externo. Esse dispositivo é usado para gerar alta tensão alternada e a corrente disponível pode ser muito maior do que máquinas eletrostáticas. Exemplos desse trafo são a bobina de Tesla, Sistema de ignição entre outros.

Transformador a óleo Transformadores que usam óleo geralmente mineral para seu resfriamento e proteção. Como explicado em resfriamento e proteção.

Transformador de instrumento Sào tipicamente usados para operar em linhas de alta tensão ou circuitos com alta corrente, isolados de forma segura tornam a medição e controle dos circuitos de alta tensão. Também são usados como transformadores isolantes.

Transformador de corrente Este trafo é geralmente usado em relés protetores na indústria de potência elétrica. Ele um dispositivo de medição feito para manter a corrente na sua bobina secundária proporcional a que flui na primária.

Transformador a seco Transformadores a seco, o Sistema de enrolamento pode ser feito no tradicional afundar e cozinhar, ou em designs de mais qualidade que inclui impregnação a pressão de vácuo (VPI), encapsulamento a pressão de vácuo (VPE) e processo de encapsulamento de bobina fundida.

energizado em alta tensão (AT) através de alguma barreira aterrada ou em potencial elétrico muito diferente do potencial elétrico do condutor. Uma bucha de alta tensão deve fornecer isolamento elétrico para a tensão nominal e eventuais sobretensões do sistema e também serve como suporte mecânico para os condutores e conexões externas.

 Descrição e Princípio de funcionamento As características que definem os tipos de buchas de AT dependem da tensão nominal, dos matérias e meios isolante e do ambiente no qual ela será instalada. Em termos gerais, as buchas são divididas em dois tipos: buchas não-capacitivas e as buchas capacitivas aterradas. De forma bem simplificada, uma bucha não-capacitiva nada mais é do que um condutor revestido por material ou meio isolante tais como porcelana, vidro, resina, papel. A distribuição do campo elétrico nas buchas não é linear através de sua camada isolante e nem ao longo de sua superfície. A concentração de campo elétrico no meio isolante pode levar à ocorrência de descargas parciais e comprometer a vida útil da bucha. Por outro lado, altos campos axiais podem resultar em trilhamento e descargas na superfície do isolamento. Conforme a tensão nominal aumenta, as dimensões da bucha, resultantes de considerações sobre campo elétrico e possibilidade de descargas, podem aumentar de tal forma a tornar impraticável a sua construção. Em se tratando das buchas capacitivas, para tensões nominais acima de 50 KV, o princípio da bucha capacitiva aterrada é geralmente usado. O material isolante mais utilizado para esse tipo de bucha é papel com resina ou óleo. O tipo de bucha de maior interesse para aplicação em alta tensão é o tipo capacitivo. É essencial que uma bucha de alta tensão seja projetada para suportar as solicitações que são impostas tanto em regime permanente quanto em regime transitório. Um parâmetro determinante das dimensões de uma bucha de alta tensão é o campo elétrico. A ação do campo elétrico se dá tanto radialmente, através da isolação, quanto axialmente, ao longo de sua superfície. A determinação do máximo campo permissível para cada material utilizado

na isolação de buchas de alta tensão tem sido feita por experiência e por meio de ensaios laboratorias, considerando uma expectativa de vida útil de aproximadamente 40 anos. Os transformadores para alta tensão necessitam de buchas terminais para todos os enrolamentos de alta tensão. Para tensões de até 50 KV, buchas do tipo não-capacitivas geralmente são usadas. No caso dos transformadores do tipo “secos” (os que não utilizam nenhum líquido para auxiliar no isolamento), elas são normamente de resina moldada. Já com transformadores que utilizam meios isolantes líquidos, buchas com isoladores de porcelana são normamente utilizadas para aplicações ao ar livre e com resina moldada para conexões abrigadas. As buchas capacitivas foram desenvolvidas para aplicações em tensões até 1600 KV.

Figura 4 – Buchas de alta tensão dos transformadores - Disponível em: http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10000389.pdf

Guarnição O material usado nas guarnições não deve afetar e nem ser afetado pelo óleo isolante nas condições de operação do transformador, conforme a norma NBR-5356.

Comutador É um dispositivo mecânico que permite variar o número de espiras dos enrolamentos de alta tensão, como mostra a Figura 5. Sua finalidade é corrigir o desnível de tensão existente nas redes de distribuição, devido à queda de tensão ocorrida ao longo das mesmas.

Figura 5 – Comutador - Disponível em: http://minerva.ufpel.edu.br/~egcneves/biblioteca/caderno_elet/cap_08.pdf

Tanque

Serve de invólucro da parte ativa e do líquido isolante. Nele encontramos os suportes para fixação em postes, ganchos e olhais de suspensão, tampa de inspeção, conector de aterramento, fios de passagem das buchas, placa de identificação, radiadores, dispositivos de drenagem e amostragem do líquido isolante, visor de nível do óleo. O tanque deverá ser efetiva e permanentemente aterrado. Uma malha de terra permanente de baixa resistência é essencial para uma proteção adequada. No tanque está previsto um ou dois conectores para aterramento.

Figura 6 – Tanque de um transformador - Disponível em: http://minerva.ufpel.edu.br/~egcneves/biblioteca/caderno_elet/cap_08.pdf Bucha de Baixa Tensão

As buchas de baixa tensão são projetadas para uso em bloco ou de superfície montado nos transformadores de distribuição. Elas servem para encerrar a baixa tensão interna do transformador levada à parede do tanque e para proporcionar uma ligação de rosca padrão para o circuito de baixa tensão externa. As buchas de alta tensão são maiores que as buchas de baixa tensão. Placa de Identificação

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

dois visores providos de uma escala graduada indicativa do volume de gás. Internamente encontram- se duas boias montadas sobre a outra. Quando do acúmulo de um certa quantidade de gás no relé, a boia superior é forçada a descer. Se, por sua vez, uma produção excessiva de gás provoca uma circulação de óleo no relé, é a bóia inferior que reage, antes mesmo que os gases formados atinja o relé. Em ambos os casos, as boias ao sofrerem o deslocamento, ligam um contato elétrico. No caso de uma pequena sobrecarga, o gás produzido pela queima do gás fornecido acumula no topo do relé e força o nível do óleo cair. Um interruptor de boia no relé é utilizado para disparar um alarme. Essa opção também funciona mesmo quando o nível de óleo estiver baixo, como no caso de um pequeno vazamento de um fluido. No caso de um arco elétrico, a acumulação de gás é súbita e o óleo flui rapidamente para o conservador. Este fluxo de óleo opera no interruptor conectado a um cata-vento localizado no caminho do óleo em movimento. Essa opção normamente aciona um disjuntor que isola a unidade antes de a falha provocar mais danos. O relé Buchholz tem um portão de teste, que permite que seja retirado o gás acumulado para o teste. Se o gás é inflamável no revezamento é um sinal de que houve falhas internas, como o sobreaquecimento ou a produção de arco interno. Onde está o ar, significa que o nível do oléo está abaixo, ou que há um pequena perda. Falhas leves: quando um ligeiro defeito ocorre no transformador, as pequenas bolhas de gás que passam para cima, para o conservador, estão presas na caixa do relé, provocando assim o seu nível de óleo cair. Como resultado, a bóia superior gira sobre o seu centro e opera o interruptor de alarme, operando assim como um dispositivo de alarme externo. Falhas graves: quando uma falha grave ocorre no transformador , a geração de gás é violenta e faz com que o óleo passe rapidamente pelo tubo de ligação para o conservador .No relé esta onda de óleo atinge a aba montada na parte inferior da bóia (localizada em frente ao furo para a passagem de óleo) e provoca a rotação da própria bóia, operando assim o interruptor de disparo e desligar o transformador. A bóia permanece na posição de desengate , mesmo se o fluxo de óleo chegar a

parar (a reposição é feita por meio do botão de pressão). O dispositivo de disparo é regulado de tal forma que, em transformadores com resfriamento forçado de óleo, os impulsos resultante do arranque da bomba de circulação de óleo não causarão má operação do relé. Uma fuga de óleo no transformador faz com que o nível de óleo no relé caia, operando primeiro o alarme (superior) da bóia e , em seguida, a trip da bóia (inferior). A entrada de ar para dentro do transformador, resultante de defeitos no sistema de circulação de óleo ou de outras causas, opera a boia alarme. Instruções de Serviço

O alarme soa sem que o transformador seja desligado. Deve-se desligar imediatamente o transformador, e em seguida fazer-se o teste do gás. De acordo com o resultado do teste, os seguintes defeitos podem ser distinguidos:

a) Gás combustível, presença de acetileno. _ Neste caso deve haver um defeito a ser reparado na parte elétrica. b) Gás incombustível, sem acetileno. _ Neste caso temos o ar puro. O transformador poderá ser ligado novamente sem perigo. O alarme soando repetidamente, indica ar penetrando no transformador. Desligue e repare a falha. c) Nenhuma formação de gás, nível de gás no relé está baixando e uma quantidade de ar está sendo sugada através da válvula aberta. Neste caso o nível do óleo está muito baixo, possivelmente devido a um vazamento. Preencha com óleo até o nível e controle a estanqueidade. d) O transformador é desligado sem alarme prévio. _ Neste caso o transformador deve ter sido sobrecarregado termicamente. Ligue novamente após um intervalo de resfriamento. O defeito poderá ser encontrado no contato de curto-circuito ou no sistema de relés. e) O alarme soa e o transformador é desligado imediatamente antes ou após ter soado.