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NOÇÕES BÁSICAS: TRANSFORMADOR
Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito à outro, transformando tensões, correntes e ou de modificar os valores das Impedância elétrica de um circuito elétrico. Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz.
O transformador consiste de duas ou mais bobinas ou enrolamentos e um "caminho", ou circuito magnético, que "acopla" essas bobinas. Há uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuito, mas todos operam sobre o mesmo princípio de indução eletromagnética.
No caso dos transformadores de dois enrolamentos, é comum se denominá-los como enrolamento primário e secundário, existem transformadores de três enrolamentos sendo que o terceiro é chamado de terciário. Existe também um tipo de transformador denominado Autotransformador, no qual o enrolamento secundário possui uma conexão elétrica com o enrolamento do primário.
Transformadores de potência são destinados primariamente à transformação da tensão e das correntes operando com altos valores de potência, de forma a elevar o valor da tensão e conseqüentemente reduzir o valor da corrente. Este procedimento é utilizado pois ao se reduzir os valores das correntes, reduz-se as perdas por efeito Joule nos condutores. O transformador é constituído de um núcleo de material ferromagnético, como aço, a fim de produzir um caminho de baixa relutância para o fluxo gerado.
Geralmente o núcleo de aço dos transformadores é laminado para reduzir a indução de correntes parasitas ou de corrente de Foucault no próprio núcleo, já que essas correntes contribuem para o surgimento de perdas por aquecimento devido ao efeito Joule. Em geral se utiliza aço-silício com o intuito de se aumentar a resistividade e diminuir ainda mais essas correntes parasitas.
Transformadores também podem ser utilizados para o casamento de impedâncias, que consiste em modificar o valor da impedância vista pelo lado primário do transformador, são em geral de baixa potência. Há outros tipos de transformadores, alguns com núcleo ferromagnético, outros sem núcleo, ditos transformadores com núcleo de ar, e ainda aqueles com núcleo de ferrite.
O campo magnético pode induzir uma tensão noutro indutor, se este for enrolado sobre uma mesma forma ou núcleo. Pela Lei de Faraday, a tensão induzida será proporcional à velocidade de variação do fluxo, e ao número de espiras deste indutor.
E2 = N2 df/dt
Aplicando aos dois enrolamentos, a lei permite deduzir a relação básica do transformador.
E1/E2 = N1/N
A relação de correntes é oposta à de tensões.
I1/I2 = N2/N
O índice um se refere ao indutor ao qual se aplica tensão, o primário, e dois, àquele que sofre indução, o secundário. O transformador é um conversor de energia elétrica, de alta eficiência (podendo ultrapassar 99%), que altera tensões e correntes, e isola circuitos.
Perdas
Além das perdas no cobre dos enrolamentos (devidas à resistência), os transformadores e bobinas apresentam perdas magnéticas no núcleo. Histerese: Os materiais ferromagnéticos são passíveis de magnetização, através do realinhamento dos domínios, o que ocorre ao se aplicar um campo (como o gerado por um indutor ou o primário do transformador). Este processo consome energia, e ao se aplicar um campo variável, o material tenta acompanhar este, sofrendo sucessivas imantações num sentido e noutro, se aquecendo. Ao se interromper o campo, o material geralmente mantém uma magnetização, chamada campo remanente. Perdas por correntes parasitas ou de Foucault: São devidas à condutividade do núcleo, que forma, no caminho fechado do núcleo, uma espira em curto, que consome energia do campo. Para minimizá-las, usam-se materiais de baixa condutividade, como a ferrite e chapas de aço-silício, isoladas uma das outras por verniz. Em vários casos, onde não se requer grandes indutâncias, o núcleo contém um entreferro, uma separação ou abertura no caminho do núcleo, que elimina esta perda.
padronizada em 5A, variando apenas a escala de leitura e o número de espiras do TC.
Transformador de RF: Empregam-se em circuitos de radiofreqüência (RF, acima de 30kHz), no acoplamento entre etapas dos circuitos de rádio e TV. Sua potência em geral é baixa, e os enrolamentos têm poucas espiras. O núcleo é de ferrite, material sintético composto de óxidos de ferro, níquel, zinco, cobalto e magnésio em pó, aglutinados por um plastificante. Esta se caracteriza por ter alta permeabilidade, que se mantém em altas frequências (o que não acontece com chapas de aço-sílicio). Costumam ter blindagem de alumínio, para dispersar interferências, inclusive de outras partes do circuito.
Transformadores de pulso: São usados no acoplamento, isolando o circuito de controle, de baixa tensão e potência, dos tiristores, chaves semicondutoras, além de isolarem um tiristor de outro (vários secundários). Têm núcleo de ferrite e invólucro plástico, em geral.
Autotransformadores Se aplicarmos uma tensão a uma parte de um enrolamento (uma derivação), o campo induzirá uma tensão maior nos extremos do enrolamento. Este é o princípio do autotransformador. Uma característica importante dele é o menor tamanho, para certa potência, que um transformador. Isto não se deve apenas ao uso de uma só bobina, mas ao fato da corrente de saída ser parte fornecida pelo lado alimentada, parte induzida pelo campo, o que reduz este, permitindo um núcleo menor, mais leve e mais barato. A desvantagem é não ter isolação entre entrada e saída, limitando as aplicações. São muito usados em chaves de partida compensadoras, para motores (circuitos que alimentam motores com tensão reduzida fornecida pelo autotransformador, por alguns segundos, reduzindo o pico de corrente durante a aceleração) e em estabilizadores de tensão (autotransformador com várias derivações - taps - , acima e abaixo do ponto de entrada, o circuito de controle seleciona uma delas como saída, elevando ou reduzindo a tensão, conforme a entrada).
SIMBOLOS
Geração, transmissão e distribuição de energia elétrica
Por motivos técnico-econômicos os geradores de energia elétrica, por maiores que sejam, são projetados para gerar tensões de até no máximo 25 kV.
Outro fato é que as usinas hidroelétricas são construídas longe dos grandes centros consumidores, o que implica em transmitir a energia elétrica a longas distâncias.
Problema n 1:
Como transmitir a potência de 50 MW com fator de potência de 0,85, por meio de uma linha de transmissão trifásica com condutores de alumínio, desde a usina hidroelétrica, cuja tensão nominal do gerador é 13,8 kV, até o centro consumidor situado a 100 km? Admitindo-se uma perda por efeito Joule de 2,5 % na linha, determine o diâmetro do cabo, para:
a. transmissão em 13,8 kV b. transmissão em 138 kV
Considerando a transmissão em 13,8 kV:
A corrente de linha é calculada pela fórmula.
Substituindo os valores de P, V e cos resulta uma corrente de 2.461,0 A.
A perda de 2,5% significa uma potência dissipada de 1.250 kW. Tendo-se a corrente e a
potência dissipada podemos determinar a resistência do condutor pela fórmula , obtendo-se o valor de 0,.
Problema n 2:
Como distribuir a energia elétrica que chega das usinas através das linhas de transmissão, para os centros consumidores?
Como já vimos, a transmissão da energia elétrica é feita em alta tensão. Para distribuir esta energia é necessário reduzir a tensão para um valor compatível, por exemplo: 13, kV ou 11,95 kV. Esta redução é feita pelo TRANSFORMADOR instalado na subestação abaixadora, geralmente localizada na periferia dos centros urbanos. Após a redução a energia elétrica é transmitida através das linhas de distribuição, que formam a rede primária, conforme mostrado na Figura 3.
Problema n 3:
Como distribuir a energia elétrica, que chega pela rede primária, para os consumidores finais (casas, apartamentos, casas comerciais e pequenas indústrias)?
A distribuição da energia elétrica para estes consumidores é feita pela rede secundária (por exemplo: 220 V e/ou 127 V). A redução de tensão da rede primária para a tensão da rede secundária é feita pelo TRANSFORMADOR de distribuição (instalado no poste). A Figura 4 mostra este sistema.
Transformador ideal
A Terminologia Brasileira da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) define o transformador como: Um dispositivo que por meio da indução eletromagnética, transfere energia elétrica de um ou mais circuitos (primário) para
As ligações dos enrolamentos do primário e do secundário de um transformador trifásico ou banco trifásico podem ser em estrela ou em triângulo. Assim, na prática podemos ter quatro tipos de ligações:
- Triângulo / Estrela (D/y)
- Estrela / Triângulo (Y/d)
- Triângulo / Triângulo (D/d)
- Estrela / Estrela (Y/y)
As ligações trifásicas e as respectivas grandezas nos lados primário e secundário são mostradas nas Figuras 12, 13, 14 e 15.
