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Trabalho TRANSFORMADORES Eletrotécnica IFPa
Tipologia: Resumos
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O objetivo desta atividade de pesquisa é analisar aspectos de transformadores
trifásicos e auto transformadores, da disciplina Máquinas Elétricas II, ministrada pelo
professor Hercílio Prado de Castro.
O transformador trata-se de um dispositivo de corrente elétrica alternada que
opera baseado nos princípios magnéticos das Leis de Faraday e Lenz, no qual é
destinado a alterar os parâmetros físicos de tensões, correntes e impedâncias. Sua
composição é simples, em que basicamente consiste de 2 bobinas de material
condutor, além de um “caminho”, circuito magnético, que “acopla” essas bobinas, cujo
“condutor” magnético é constituído de um núcleo de material ferromagnético, como
aço, a fim de produzir um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético gerado.
Na escolha do tipo de conexão de um transformador trifásico há muitas
considerações a serem levadas em conta, normalmente conflitantes, logo, essa
escolha não é fácil como se supõe à primeira vista. A seguir apresento alguns tipos de
combinações possíveis com vantagens, desvantagens e aplicações.
Vantagens
alimentação equilibrada a quatro fios
paralelo
terceiro harmônico dos enrolamentos principais. Os pontos neutros de tais
enrolamentos são então estáveis e podem ser aterrados sem quaisquer
efeitos perniciosos para o transformador ou para o sistema
cargas, tais como motores, ou mesmo ser usado para distribuição
Vantagens
poderão ser operadas em triangulo aberto para dar sa1Ja trifásica com
1 /√ 3 da^ potência^ anterior.
altas correntes
correntes de terceiro harmônico nos "triângulos"
estar normalmente a um potencial excessivo em relação à terra, a não ser
devido a cargas estáticas
Desvantagens
mais altos com altas tensões de linha
Sob condições normais de operação, a máxima tensão à terra em cada
√^3
√^3
conexão estrela
Aplicação
perigosa
Vantagens
3° harmônico com o primário em Δ), o custo incremental pode ser muito grande
cargas, ou, ainda, para prover um neutro para um sistema de corrente
contínua de três condutores
simultaneamente
Devido ao desfasamento das metades dos enrolamentos, que são conecta dos em
série para formar uma fase, a conexão ziguezague exige em cada enrolamento
15,5% de cobre a mais
Aplicação
uma considerável componente CC., devido ao desequilíbrio, pode ser
solicitada sem qualquer efeito nocivo sobre a característica magnética do
transformador
T S
O enrolamento em delta pode ser mecanicamente fraco no caso de transformadores
abaixadores com uma tensão primária muito alta, ou no caso de pequenas
potências de saída
Aplicação
A principal aplicação é na alimentação com quatro condutores de cargas, que
podem ser equilibradas e desequilibradas
É também usado para a elevação de tensão para a alimentação de uma linha de
alta tensão. Como as tensões de 3° harmônico são eliminadas, o neutro é
disponível para aterramento, e ambos os enrolamentos são empregados sob as
melhores condições.
Denomina-se autotransformador aquele cujos enrolamentos primário e
secundário estão conectados em série. Dentro deste princípio a ABNT define
autotransformador como sendo o transformador no qual parte de um enrolamento
é comum a ambos os circuitos, primário e secundário, a ele ligados.
O autotransformador apresenta algumas vantagens em relação ao normal,
entre elas estão: menor corrente de excitação, melhor regulação, menor custo,
maior rendimento e menor tamanho. Uma desvantagem que podemos citar é o
fato da corrente de curto circuito ser maior e a outra é a existência de uma
conexão elétrica entre os enrolamentos de maior e menor tensão.
Convém notar que os ensaios realizados no autotransformador são os
mesmos feitos nos transformadores normais.
2.1 Representação
A figura abaixo representa o esquema de um transformador monofásico
convencional no qual é aplicada uma tensão V1. A tensão de saída V2 relaciona-
se à V1 pela seguinte equação:
Se a tensão primária de alimentação V1 for constante, o fluxo no núcleo
também ficará constante, dentro do princípio de operação do transformador, o
fluxo induz em cada espira dos enrolamentos, uma tensão praticamente
independente da corrente que flui no enrolamento, assim podemos considerar que
a distribuição em qualquer parte do enrolamento é constante e não depende da
corrente do enrolamento. Isto também ocorre no transformador, já que é baseado
no mesmo princípio do transformador. O autotransformador possui apenas um
enrolamento com N’1 espiras, das quais uma parte atua como enrolamento
primário (Δ), o custo incremental pode ser muito grandereceptor de potência) ou secundário (Δ), o custo incremental pode ser muito grandefornecedor). A figura abaixo mostra
o arranjo de um autotransformador.
2.2 Relação de tensões e correntes
Seja o autotransformador da figura abaixo. Nesta figura, pode-se
observar que a tensão do lado secundário é a tensão do enrolamento
comum e a tensão primária é a soma fasorial das tensões nos terminais dos
enrolamentos comum e série, ou seja:
Admitindo que o transformador indicado na figura acima seja
subtrativo, as tensões E' 1 (Δ), o custo incremental pode ser muito grandefcem) e E' 2 (Δ), o custo incremental pode ser muito grandefem) induzidas nos enrolamentos
e a potência transferida diretamente ao secundário pelo primário é dada
por:
Para fins de comparação seja um transformador monofásico que tenha uma
potência nominal dada por:
Se tal transformador é conectado na forma de um autotransformador,
sem alterar o número de espiras das bobinas do primário e secundário, tem-se
o arranjo da figura abaixo:
Na Fig. acima, pode-se notar que a tensão do circuito primário, que
para o transformador normal era V1, no caso do autotransformador é V 1 +
V 2 , logo a potência no primário do autotransformador será:
Utilizando-se da relação entre espiras vem:
Comparando-se (Δ), o custo incremental pode ser muito grande11) e (Δ), o custo incremental pode ser muito grande12), e como IP = 11 , pode-se escrever:
A Eq. (Δ), o custo incremental pode ser muito grande15) mostra que qualquer que seja a relação entre o número de
espiras do primário e secundário de um transformador normal, sendo ele
convertido em um autotransformador - a potência disponível neste último é
maior, levando o a ter um tamanho menor que um transformador normal de
potência equivalente. Em outras palavras, isso equivale a dizer que, em
princípio, o custo por kVA de um autotransformador é menor que o do
transformador normal.
Cabe notar ainda, com base na figura acima, que o circuito série do
autotransformador (Δ), o custo incremental pode ser muito grandeprimário do transformador convencional) deve ter seu
isolamento previsto para uma tensão V 1 + V 2. Por outro Iado, a corrente no
enrolamento comum do autotransformador (Δ), o custo incremental pode ser muito grandesecundário do transformador
convencional) é dada por I1- I2, o que permite a possibilidade de ter neste
enrolamento condutores de bitola menor que a do transformador normal.
Assim, um balanço entre dimensões, isolamento e cobre permite concluir que
um autotransformador tem seu preço inferior a um transformador normal com
potência equivalente.
O autotransformador tem seu rendimento definido de modo idêntico ao
transformador normal, ou seja, é definido pela relação entre as potências ativa
entregue à carga e a recebida. Assim:
Em que: r, é o rendimento; P1 , a potência ativa absorvida pelo primário;
e P2 ,a potência entregue pelo secundário.
Com base nos desenvolvimentos anteriores, ·pode-se concluir que o
transformador normal possui um rendimento menor que o autotransformador.
2.4 Auto transformadores trifásicos
Os autotransformadores trifásicos são geralmente conectados em
estrela estrela, como podemos ver abaixo.
Porém existem outros tipos de conexão, como mostram as figuras
(Δ), o custo incremental pode ser muito grandeAutotransformador triangulo e ziguezague estrela respectivamente)
Por vezes, o autotransformador pode apresentar um enrolamento
terciário com uma potencias da ordem de 35% da maior das potências entre a
