DEPARTAMENTO DE AUTOMAÇÃO E SISTEMAS
COORDENAÇÃO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
MATEUS BARBOSA
PAULO XAVIER
PERÁCIO CONTREIRAS
VICTOR SAID
VICTÓRIA CABRAL
YASMIN FERREIRA
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES ELÉTRICOS
Salvador
2014
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Relatório Transformadores Elétricos, Provas de Tecnologia Industrial
Transformadores são aparelhos elétricos responsáveis por efetuar o controle do valor da tensão alternada, aumentando ou diminuindo a sua intensidade, enquanto mantém a mesma potência e frequência. Sendo aparelhos de natureza estática, responsáveis por efetuar o transporte de energia elétrica, por meio de indução eletromagnética. Os transformadores são utilizados para diversas aplicações, desde isolamento elétrico, até a realização do controle da impedância de dois circuitos distintos, ou realiza
Tipologia: Provas
2014
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DEPARTAMENTO DE AUTOMAÇÃO E SISTEMAS
COORDENAÇÃO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
MATEUS BARBOSA
PAULO XAVIER
PERÁCIO CONTREIRAS
VICTOR SAID
VICTÓRIA CABRAL
YASMIN FERREIRA
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES ELÉTRICOS
Salvador 2014
MATEUS BARBOSA
PAULO XAVIER
PERÁCIO CONTREIRAS
VICTOR SAID
VICTÓRIA CABRAL
YASMIN FERREIRA
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES ELÉTRICOS
Relatório de prática experimental, solicitado pela professor Gilmar Melo, como requisito de avaliação parcial da IV Unidade da disciplina de Física II, no Instituto Federal Bahia – IFBA, Campus Salvador. Prática realizada sob orientação da Prof.ª Dr.ª Mayumi Fukutani Presa.
Salvador 2014
- Figura 1 – Campo Magnético num condutor retilíneo
- Figura 2 – campo magnético numa bobina
- Figura 3 – Diagrama fasorial da tensão alternada.......................................................
- Figura 4 – Estrutura dos Transformadores
- Figura 5 – Transformador mais elaborado.
- Figura 6 – Esquema de um Autotransformador.........................................................
- Figura 7 – Simbologia de dois transformadores de corrente.
- Figura 8 – Símbolo do Transformador de Potência
- Figura 9 – Transformadores Monofásicos segundo ABNT e fluxograma
- Figura 10 – Conexões em transformadores
- Figura 11 – Modelo genérico do transformador.........................................................
- 1 INTRODUÇÃO SUMÁRIO
- 2 FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA
- 2.1 DESCOBERTA DO ELETROMAGNETISMO........................................................
- 2.2 ELETROMAGNETISMO........................................................................................
- 2.3 CORRENTE ALTERNADA
- 3 TRANSFORMADORES ELÉTRICOS
- 4 TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES
- 4.1 AUTOTRANSFORMADOR
- 4.2 TRANSFORMADORES DE CORRENTE............................................................
- 4.3 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
- 4.4 TRANSFORMADOR DE SINAL
- 4.5 TRANSFORMADOR IDEAL
- 4.6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO NÚMERO DE FASES
- 4.6.1 Transformadores monofásicos
- 4.6.2 Transformadores trifásicos
- 5 PRINCIPIO FÍSICO DE FUNCIONAMENTO
- 6 APLICAÇÕES
- 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
- REFERÊNCIAS
1 INTRODUÇÃO
Transformadores são aparelhos elétricos responsáveis por efetuar o controle do valor da tensão alternada, aumentando ou diminuindo a sua intensidade, enquanto mantém a mesma potência e frequência. Sendo aparelhos de natureza estática, responsáveis por efetuar o transporte de energia elétrica, por meio de indução eletromagnética. Os transformadores são utilizados para diversas aplicações, desde isolamento elétrico, até a realização do controle da impedância de dois circuitos distintos, ou realizando a filtragem de sinais de radiofrequência.
Os transformadores funcionam eletricamente com base na indução eletromagnética, devido a suas características construtivas – constituído de três elementos básicos: duas bobinas interligadas por meio de um material ferromagnético condutor (núcleo permeabilidade magnética elevada) – , é possível realizar a indução de uma bobina a outra sem contato direto entre as mesmas, por intermédio do núcleo, alterando assim os valores da tensão.
Formalmente, essas máquinas elétricas são constituídas de um enrolamento primário (bobina primária), um enrolamento secundário (bobina secundária) e do núcleo ferromagnético. E podem ser classificadas de acordo com a aplicação a qual se destinam, ao núcleo, ao tipo, e ao número de fases.
Deste modo, o objetivo desse relatório é efetuar um estudo descritivo a respeito do principio de funcionamento dos transformadores, abordando desde a sua construção, até os tipos e classificações, com foco nas aplicações práticas do mesmo. A fim de fundamentar a elaboração deste relatório, a metodologia empregada foi à revisão bibliográfica, a qual foi realizada utilizando livros, websites , apostilas virtuais.
campo magnético induzido haverá outro indutor de sinal oposto que repelirá ou atrairá o campo magnético indutor.
Para melhor exemplificar tomemos como exemplo uma bobina ligada a um amperímetro e um imã que está sendo introduzido e retirado do centro da bobina. No primeiro momento observa-se a introdução do imã na bobina. Nesse instante o imã tem suas linhas de indução inseridas na bobina, o que vai gerar uma corrente induzida na mesma. Pela lei de Lenz essa corrente deverá ser de modo que, pela regra da mão direita perceba-se o campo indo em direção oposta ao campo magnético do imã, provocando assim uma repulsão entre seus polos.
No segundo momento ocorre o processo inverso, pois com a retirada do imã a corrente, segundo a lei de Lenz a corrente adquirirá sentido tal que gerará um campo magnético que atrairá o campo magnético do imã, fazendo com que ele retorne a posição de repulsão anterior. Uma aplicação prática da Lei de Lenz é o trem-bala, nos quais se utiliza da levitação magnética para sustentar e mover o trem em velocidades altíssimas.
2.2 ELETROMAGNETISMO
O eletromagnetismo é o termo utilizado na teoria de Maxwell para relacionar a eletricidade com o magnetismo, pois foi-se descoberto que uma corrente elétrica era capaz de gerar campos magnéticos que exerciam forças em partículas de material ferromagnético, a chamada força eletromagnética num condutor reto foi expressa matematicamente pela equação 2. Onde: F = Força eletromagnética; B = Campo magnético; i = Corrente.
Com essa lei pode-se calcular algumas variáveis, porém elas somente são aplicadas ao condutor reto então com a lei de Biot-Savart foi possível determinar o campo magnético B utilizando a regra da mão direita.
Figura 1 – Campo Magnético num condutor retilíneo
Fonte: FÍSICA, 2014.
No condutor reto utilizando a regra da mão direita pode-se perceber que as linhas de indução irão se localizar formando uma circunferência ao redor do fio enquanto o vetor campo magnético se localiza tangenciando as linhas de indução. O vetor campo magnético pode ser calculado pela equação 2. Onde: μ 0 é a constante de permeabilidade magnética no vácuo que tem valor igual a
; i é a corrente, medida em ampères (A); R é o raio no qual é medido o campo.
Figura 2 – campo magnético numa bobina
No condutor em formato de bobina outras variáveis já entram em ação. Por mais que ele seja similar a um solenoide tanto em formato em alguns casos, quanto na conformação do campo ele será expresso pela equação 4. Onde: N é o número de voltas da bobina.
3 TRANSFORMADORES ELÉTRICOS
Os transformadores são equipamentos de grande importância atualmente para os sistemas de transmissão de energia elétrica, sendo este um dos setores onde os transformadores são amplamente utilizados. No processo de transmissão de energia elétrica é mais vantajoso que ela seja transmitida com uma alta tensão e baixa corrente. Mas no ambiente residencial são utilizadas baixas tensões na ordem de 220/110 V e correntes mais altas. Então para possibilitar esse abaixamento da tensão, são utilizados justamente os transformadores, que terão sua estrutura física e magnética explorada a seguir.
De forma geral os transformadores são constituídos de um enrolamento primário, um enrolamento secundário e um núcleo ferromagnético, como representado na figura 4. O enrolamento primário é aquele que recebe a energia elétrica, seja está proveniente de um gerador, de um sistema de transmissão de energia elétrica ou de algum circuito.
Figura 4 – Estrutura dos Transformadores
Fonte: KLESTON, 2006.
Analisando a estrutura do enrolamento primário na figura 1 fica evidente que este é um solenoide (bobina longa) e a passagem de corrente elétrica por esse solenoide irá determinar a criação de um campo magnético, cuja intensidade é dada pela equação 6.
Essa equação foi desenvolvida a partir de conclusão de da lei de Ampère e Biot-Savart. Com esse campo magnético haverá, portanto um fluxo magnético, que será vital no enrolamento secundário. O enrolamento secundário será o responsável por gerar uma tensão induzida, a partir da variação do fluxo magnético que irá passar através desse segundo enrolamento. Por fim o núcleo ferromagnético terá a função de transferir o fluxo magnético gerado no primeiro enrolamento pela passagem da corrente elétrica, para o segundo enrolamento. O principio físico de funcionamento dos transformadores será mais analisado no tópico seguinte.
A estrutura do transformador será importantíssima para determinar se ele será um transformador abaixador, elevador, isolante ou o nível da elevação ou abaixamento que ele fará. O fator que irá determinar isso no transformador será o número de espiras do enrolamento primário e do enrolamento secundário.
Como pode ser constado pela equação (6), mencionada na pagina anterior, um maior número de espiras (N) irá gerar um campo magnético de maior intensidade no enrolamento primário. Dessa forma o a tensão induzida no enrolamento secundário poderá será maior, já essa tensão induzida vai depender também do próprio número de espiras do segundo enrolamento.
Então os dois enrolamentos em conjunto, mais alguns fatores, irão determinar as características do transformador. Dessa forma se os números de espiras dos dois enrolamentos forem iguais, este será um transformador isolante, cuja função é isolar eletricamente algum aparelho da rede elétrica. Já se a tensão no enrolamento primário foi maior e a tensão no enrolamento secundário for menor, este será um transformador abaixador e se o contrario acontecer (maior tensão no enrolamento secundário) este será um transformador elevador.
Além do número de espiras nos enrolamentos, outros fatores que determinarão qual a tensão induzida no segundo enrolamento é a área da secção transversal do fio e o material ferromagnético, este último podendo ser aços-silícios (ligas de ferro, carbono e silício), que são materiais de alta permeabilidade magnética e alta resistividade elétrica, portanto muito bons fara serem utilizados nos
número de espiras em cada um dos enrolamentos e a área da secção transversal dos fios utilizados em cada um dos enrolamentos. Dessa forma são projetados os diversos tipos de transformadores, como os transformadores trifásicos utilizados nos postes, que transformam cerca de 13.800 V em 127/220 V.
Ainda em relação a estrutura dos transformadores, estes podem ser estruturados em monofásicos, bifásicos e trifásicos. Os trifásicos são alimentados por mais de uma tensão e é como se possuíssem 3 transformadores monofásicos, que podem ser ligados de diferentes formas.
Os transformadores monofásicos são constituídos de um enrolamento primário e um enrolamento secundário, já o transformador trifásico é formado por três enrolamentos primários defasados de 120º um em relação ao outro, que recebem tensão e outros três enrolamentos secundários também defasados de 120º um em relação ao outro. No caso do transformador trifásico encontrado nos postes da cidade, cada uma dos 3 enrolamentos secundários fornecem 127 V e se forem utilizados em conjunto fornecem 220 V.
Os transformadores, portanto, podem variar de estrutura um em relação ao outro podendo apresentar mais ou menos enrolamentos. São utilizados amplamente nas redes elétricas e também em diversos equipamentos e aparelhos elétricos. No tópico seguinte, será explorado os conceitos físicos e as formulas físicas que determinaram o desenvolvimento dos transformadores.
4 TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES
4.1 AUTOTRANSFORMADOR
Em um autotransformador os enrolamentos primário e secundário são parcialmente coincidentes, ou seja, geralmente a extremidade do enrolamento primário coincide com um dos terminais do enrolamento secundário. Este tipo de transformador é classificado também como redutor quando a quantidade de espiras do enrolamento secundário for inferior ao do primário e caso contrário, é do tipo elevador. Conforme a figura 6, o transformador é do tipo redutor.
Figura 6 – Esquema de um Autotransformador.
Fonte: Adaptações de KNIRSCH, 201 4. Seu principio de funcionamento se dá ao aplicarmos uma tensão a uma parte do enrolamento, o campo gerado induzirá uma tensão superior nos extremos do mesmo.O autotransformador possui diversas vantagens em relação aos transformadores comuns e uma característica específica, que é o seu tamanho menor para a sua capacidade potencial e isso é devido a corrente de saída ser parcialmente fornecida pelo lado de alimentação e parte induzida pelo campo, o que reduz o campo permitindo um núcleo menor e mais barato.
De forma geral, tem como vantagens o seu rendimento mais eficaz e custo menor, mas traz como consequência da coincidência parcial entre os enrolamentos, a perda de isolamento galvânico entre a entrada e a saída das bobinas, o que limita suas aplicações.
Os transformadores de corrente são utilizados em aplicações de alta tensão, fornecendo correntes reduzidas e isoladas do circuito primário a fim possibilitar a sua utilização para instrumentos também de controle, em relés de indução, medidores de energia e como suprimento de aparelhos com baixa resistência elétrica.
4.3 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
O principal objetivo do transformador de potencial é transformar a potência do enrolamento primário (V1, I1) em potência (V2, I2) do secundário, mantendo-se a frequência constante. Em outras palavras, transferir de um circuito para outro, energia elétrica, sem alterar a frequência, apenas variando os valores de tensão e corrente. A essa relação entre a tensão presente no lado primário e a tensão transformada do secundário, dá-se o nome de relação de transformação. A figura 8 mostra a simbologia do transformador de potencial e a circulação da corrente.
Figura 8 – Símbolo do Transformador de Potência
Fonte: SIAVICHAY, 2014.
As funções básicas desse tipo de transformador é fornecer uma tensão secundária proporcional à primária, com certa precisão dentro de uma faixa especificada e realizar o isolamento contra altas tensões. De forma geral, a função de um transformador de potência é minimizar perdas de transmissão ao reduzir a corrente.
É comumente encontrado transformador de potencial nas cabines de entrada de energia, para fornecer a alimentação de dispositivos de controle como relés de mínima e máxima tensão, os quais são responsáveis por desarmar o disjuntor caso os valores estejam fora dos pré-definidos, geralmente fornecendo a tensão secundária de 220V. O núcleo é de chapas de aço-silício, envolvido por blindagem
metálica, com terminais de alta tensão afastados, adaptados à ligação das cabines. Podem ser mono ou trifásicos.
4.4 TRANSFORMADOR DE SINAL
Os principais tipos de utilização dos transformadores de sinal são na transformação de resistências em aplicações de áudio, como é o caso da entrada do alto falante e saída do amplificador; e em impedâncias em amplificadores e radiofrequência em receptores de telecomunicações.
O núcleo geralmente é semelhante ao transformador de alimentação, o qual pode ser constituído de aço ou ferrite. O tempo de resposta das frequências de rádio, dentro de uma faixa de 20 a 20.000 Hz, não é precisamente linear, mesmo quando utiliza-se materiais de maior qualidade no núcleo, e essa variabilidade de eficiência e linearidade ao longo da faixa de áudio, limita o seu uso.
4.5 TRANSFORMADOR IDEAL
O modelo idealizado do transformador é fundamental para se estabelecer as relações básicas que caracterizam um transformador monofásico. Hipoteticamente, transformador é considerado ideal se a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético foi infinita, tendo como consequência, o fluxo confinado no núcleo, não existindo corrente de excitação, nem fluxos de dispersão, e se não houver perdas elétricas e magnéticas, ou seja, sem potência dissipada na resistência dos enrolamentos ou histerese do núcleo.
No caso, a potência elétrica obtida no secundário é igual a potência elétrica obtida no primário. A relação de transformação do modelo ideal se dá pela equação fundamental dos transformadores, conforme a equação 7. Onde, N1 e N2 são os números de espiras no primário e no secundário, respectivamente.
4.6.2 Transformadores Trifásicos
Transformadores trifásicos são transformadores que possuem três fazes e são montados com três bobinas primárias, que recebem a maior tensão, e as fases encontram-se em defasagem uma da outra, e também possuem três bobinas secundarias, que fornecem cada uma isoladamente 127V e ligadas entre si fornecem uma tensão de 220V, sendo que estas fases também se encontram em defasagem, uma da outra. As conexões em transformadores trifásicos podem ser dos tipos Y-∆, ∆-Y, ∆-∆, Y-Y, ilustrados na figura 10.
Figura 10 – Conexões em transformadores
Fonte: Joaquim Eloir Rocha, [200-]
Conexão delta-estrela (∆-Y) – Neste tipo de conexão as tensões na bobina secundaria tem um defasamento em 30º em relação às tensões na bobina primária, porém, a tensão de linha na conexão Y fica adiantada em relação à tensão de linha no ∆, e a corrente
Conexão estrela-delta (Y-∆) – Neste tipo de conexão, as tensões na bobina secundaria tem um defasamento em 30º em relação às tensões na bobina primária, porém, a tensão de linha na conexão Y fica atrasada em relação à tensão de linha no ∆. As correntes de linha ou de fase acompanharão o sinal senoidal das tensões por serem vetorialmente iguais.
5 PRINCIPIO FÍSICO DE FUNCIONAMENTO
O principio de funcionamento dos transformadores fundamenta-se pela indução eletromagnética. Na figura 11, uma espira circular, conectada a uma pilha que possui uma chave interruptora localizada em frente à espira circular 2, que está ligada a um galvanômetro bastante sensível.
Figura 11 – Modelo genérico do transformador
Fonte: TELECURSO, 2000.
Estando a chave ligada, a corrente que percorrerá a espira 1, esta fornecerá um campo magnético que atravessará a espira 2, e como não há variação do fluxo magnético que atravessa a espira 2, e o campo magnético é constante e por a corrente que é produzida na pilha ser continua, o galvanômetro ligado a espira 2, não apresenta nem uma alteração.
Mas se ligarmos e desligarmos a chave o fluxo magnético começa a variar. Quando a chave for aberta o ponteiro do galvanômetro vai oscilar por um determinado sentido e quando a chave for fechada o ponteiro vai oscilar para outro sentido contrário ao de quando a chave estava aberta; agora se a chave for aberta e fechada continuamente o ponteiro do Galvanômetro vai oscilar continuamente, ou seja, sem parar.
É possível substituir a pilha e a chave, estas ligadas a espira 1, por um gerador de corrente alternada que vai gerar um efeito semelhante ao de abrir e