1. A necessidade da transformação de correntes alternadas para o transporte de energia elétrica por longas distâncias levou ao desenvolvimento do transformador.
2. Os transformadores trifásicos são construídos com três núcleos magnéticos agrupados em forma de estrela, permitindo a transformação de sistemas trifásicos de energia.
3. O funcionamento do transformador se baseia nos princípios de indução eletromagnética, onde a variação do fluxo magnético no núcleo induz tensões nos enrolamentos
2. SUMÁRIO
1. Necessidade da transformação das correntes alternadas
2. Princípios de construção do transformador trifásico
3. Principio de funcionamento do transformador
3.1 Funcionamento a vazio
3.1.1 Relação de Transformação
3.2 Funcionamento a carga
4. Principio de Construção do Transformador Trifásico
5. Núcleos envolvidos e núcleos envolventes
6. Tipos de enrolamentos
6.1 Enrolamentos concêntricos ou tubulares
6.2 Enrolamentos bobinas em disco ou intercaladas
7. Construção dos enrolamentos
8. Resfriamento dos Transformadores
8.1 Transformador a Seco
8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante
9. Perdas no transformador
9.1 Perdas no cobre
9.2 Ensaio a curto-circuito
9.3 Perdas no ferro
2
4. 1. Necessidadeda transformaçãodas
correntes alternadas
• Exigências técnicas e econômicas impõem a construção de
grandes usinas hidrelétricas.
• Necessidade do transporte da energia elétrica por meio de
linhas de comprimento notável.
• Estas realizações são possíveis em virtude da corrente
alternada poder ser transformada facilmente de baixa para
alta tensão e vice-versa.
• Por meio de uma maquina simples e rendimento elevado:
transformador. 4
5. 2. Princípiosde construçãodo transformador
trifásico
• O funcionamento do transformador baseia-se nos fenômenos
de Mútua indução entre dois circuitos eletricamente isolados
mais magneticamente ligados.
• Para que a ligação magnética ocorra entre circuitos
eletricamente isolados, mas magneticamente ligados, é
necessário que estejam enrolados sobre um núcleo
magnético de pequena relutância
• Este núcleo deve ter elevada permeabilidade e por isso seus
entreferros devem ser muito reduzidos
5
6. 2. Princípiosde construçãodo transformador
trifásico
• O enrolamento alimentado pela
tensão V1 chama-se enrolamento
primário, e o outro que fornece a
tensão V2 chama-se
enrolamento secundário.
• A relação entre estas duas tensões
chama-se relação de transformada.
• Analogamente as duas tensões V1 e
V2 são denominadas de tensão
primaria e tensão secundaria 6
7. 2. Princípiosde construçãodo transformador
trifásico
• As correntes I1 e I2 que
atravessarão os dois enrolamentos
constituem a corrente primária e a
secundária
• Os fenômenos de mútua indução
são reversíveis, então nenhuma
distinção pode ser feita entre os
circuitos primário e secundário.
• Nenhuma distinção pode ser feita
entre os enrolamentos primário e
secundário, pois os dois podem
funcionar indiferentemente como
primário ou secundário.
7
8. 3. Principio de funcionamento do
transformador
• Para entendimento e análise do principio de funcionamento
do transformador é necessário analisar um transformador
ideal ( no qual as resistências elétricas dos enrolamentos são
nulas, as perdas no ferro e as dispersões magnéticas)
• Considera-se antes os seguintes funcionamentos:
-> Funcionamento a vazio
-> Funcionamento com carga
8
9. 3.1 Funcionamento a vazio
• Se ligarmos o enrolamento
primário a uma fonte de
tensão alternada o fluxo
produzido no núcleo
induzirá tensão tanto no
enrolamento primário
como no secundário.
• Os valores eficazes das
duas f.e.m. primária e
secundária, são dados por:
• E1 = (10-8)*(ω)*(φM)*N1 =
(10-8)*(
2𝜋𝑓
2
)*(φM)*N1
• E2 = (10-8) *(ω)*(φM)*N2 =
(10-8)*(
2𝜋𝑓
2
)*(φM)*N2
• Onde dividindo membro a
membro obtém-se:
•
𝐸1
𝐸2
=
𝑁1
𝑁2
• A diferença entre a tensão
induzida no primário e no
secundário deve-se ao diferente
número de espiras.
• Se o secundário tiver um
numero de espiras maior que o
primário é um transformador
elevador, onde a tensão
induzida no secundário é maior
do que a do primário, na
proporção do número de
espiras.
9
10. 3.1.1Relação de Transformação
• Nos transformadores, assim
como em qualquer outro tipo
de dispositivo, é valido o
princípio da conservação de
energia, ou seja, “a energia
não poder ser criada nem
destruída e sim transformada
de uma forma para outra”.
• Assim, a potência do lado
primário dever ser igual à
potência no lado secundário
do transformador.
• Em termos de equações:
P = V*I
P1 = P2
V1*I1 = V2*I2
Isolando tensões e correntes de
um mesmo lado:
V1
V2
=
I2
I1
10
11. 3.2 Funcionamento a carga
• Supondo que uma impedância seja ligada
entre os terminais do enrolamento
secundário, de modo que a tensão
induzida imponha uma corrente de carga ,
que irá circular pelo enrolamento
secundário de espiras
• Quando a corrente de carga circula no
enrolamento secundário, a fmm que ela
gera é cancelada por uma fmm igual e
oposta no enrolamento primário,
produzida por um aumento apropriado da
corrente primária.
• Assim, igualando as fmm devido às
correntes de carga:
(i1)*(N1) = (i2)*N2
• Com a ajuda do tópico anterior conclui-se
que:
•
𝐸1
𝐸2
=
𝑁1
𝑁2
=
𝐼2
𝐼1
11
12. 4. Principio de Construção do
Transformador Trifásico
• Para a transformação dos sistemas trifásicos podem-se
empregar três transformadores monofásicos distintos e iguais
entre si.
• Os três enrolamentos primários destes transformadores serão
alimentados pela linha trifásica primária através de
agrupamento estrela ou triângulo.
• Dos três enrolamentos secundários que são também
agrupados em estrela ou triângulo, sai a linha trifásica
secundária.
12
14. 4. Principio de Construção do
Transformador Trifásico
• Os três núcleos monofásicos
estão agrupados em estrela, isto
é, cada coluna externa abriga
tanto o enrolamento primário
com o secundário de uma fase.
• A coluna central é desprovida de
enrolamentos. Se os três
enrolamentos primários possuem
o mesmo número de espiras N1 e
são alimentados por três tensões
iguais e defasadas de 120° entre
si, também os fluxos nas três
colunas externas resultam iguais
entre si e defasadas a 120° um
com respeito ao outro
14
15. 4. Principio de Construção do
Transformador Trifásico
• A resultante destes três fluxos é
nula: a coluna central não é
atravessada por fluxo magnético,
o que permite elimina-la sem que
a distribuição dos fluxos nas
colunas remanescentes resulte
alterada.
• No caso exposto, cada coluna é
atravessada por um fluxo igual e
oposto à resultante dos outros
dois fluxos; cada coluna, portanto
funcionará como retorno dos
fluxos das duas outras 15
16. 4. Principio de Construção do
Transformador Trifásico
• Com a eliminação da coluna
central e dada a necessidade da
construção laminada, o núcleo
trifásico pode ser feito segunda a
disposição da figura ao lado.
• Com esta disposição consegue-se
a vantagem de diminuir
notavelmente o peso.
• As correntes magnetizantes
relativas as três colunas
resultarão, portanto iguais entre
si, isto é, constituem um sistema
trifásico e equilibrado. 16
17. 4. Principio de Construção do
Transformador Trifásico
• Nos transformadores trifásicos
normais, com o intuito de
simplificar a construção abandona-
se a condição de simetria, e dá-se
ao núcleo a forma indicada ao lado.
• As três colunas são assim colocadas
no mesmo plano para ligá-las entre
si com uma simples travessa
superior e inferior.
• As relutância das três colunas
adquire valores diferentes e as
correntes magnetizantes também
serão diferentes entre si. 17
18. 5. Núcleos envolvidos e núcleos
envolventes
• Tipos de circuitos magnéticos: núcleo envolvido e núcleo envolvente
• Núcleo envolvido: neste tipo de núcleo os enrolamentos colocados
sobre as colunas envolvem o respectivo circuito magnético sem
serem envolvidos por estes
Monofásico Trifásico
18
19. 5. Núcleos envolvidos e núcleos
envolventes
• Núcleo Envolvente ou
Encouraçado:
• No núcleo envolvente aumenta a
quantidade de material ferro
magnético, e consequentemente
aumenta o rendimento, isso se dá
porque o fluxo encontra dois
caminhos paralelos internamente
ao ferro.
• Obtêm-se dessa forma, o máximo
de acoplamento magnético,
entretanto, necessita de tecnologia
mais avançada na construção.
Nesse tipo de transformador o
núcleo envolve as bobinas.
Trifásico
Monofásico
19
20. 6. Tipos de enrolamentos
• Independente do tipo de construção do transformador, os dois
enrolamentos o de alta tensão (A.T) e o de baixa tensão (B.T)
são em geral colocados na mesmo coluna. Com a intenção de
reduzir a dispersão de fluxo magnético.
• Nos transformadores industriais há varias maneiras de dispor
os enrolamentos. Existem dois tipos de enrolamentos, o
concêntrico ou tubular e em disco ou intercalado
20
21. 6.1 Enrolamentos concêntricos ou
tubulares
• Nesta construção os dois
enrolamentos são dispostos um dentro
do outro.
• Quando o transformador é de alta e
baixa tensão, são separados por um
material isolante.
• Nesta mesma figura é possível
observar também que o enrolamento
de baixa tensão está próximo do
núcleo, isso não é por acaso, essa
medida é tomada por motivos de
segurança. O enrolamento de alta é
dividido em varias bobinas sobrepostas
e devidamente distanciadas em razão
do maior número de espiras nos
transformadores abaixadores. 21
22. 6.1 Enrolamentos concêntricos ou
tubulares
• Às vezes o enrolamento de B.T é
subdividido em 2 bobinas, a
primeira próxima ao núcleo e o
outro externamente ao
enrolamento de A.T, como pode
ser visto na figura. Este arranjo
das bobinas diminui
consideravelmente a dispersão
de fluxo.
22
23. 6.2 Enrolamentos bobinas em disco ou
intercaladas
• Nesta construção as bobinas são
subdivididas em pequenas
bobinas de comprimento axial
pequeno em relação ao diâmetro
(disco) ou panqueca. As bobinas
de A.T e B.T se sobrepõem
alternadamente como se pode
ver na figura
• As bobinas extremas são de
baixa tensão, estas possuem
metade da espessura da bobina
normal de B.T, esse tipo de
disposição facilita a isolação
entre o núcleo e a carcaça e
diminui a dispersão de fluxo
23
24. 7. Construção dos enrolamentos
• Os enrolamentos de A.T e B.T têm construções diferentes. No
enrolamento de A.T o problema principal é a isolação e o B.T
as dificuldades se concentram no manuseio mecânico, pois
elas possuem grande secção do condutor.
• O enrolamento de A.T tem uma grande quantidade de espiras
com secção do condutor pequena, enquanto o enrolamento
de B.T possui pequena quantidade de espiras com grande
secção transversal do condutor. A isolação das bobinas é feita
normalmente com esmalte ou algodão.
24
25. 8. Resfriamento dos Transformadores
• Em todos os transformadores é necessário se utilizar algum
tipo de resfriamento, isso é de grande importância por que
mesmo o transformador sendo um equipamento de grande
eficiência, há perdas no núcleo e no cobre.
• Essa potência é dissipada por efeito Joule (na forma de calor).
Se a temperatura interna do transformador chegar a níveis
críticos, deteriora a isolação dos condutores causando um
curto-circuito interno, diminui a eficiência do equipamento,
causa redução da vida útil e envelhecimento do óleo isolante.
• Os tipos de resfriamento são: a seco e por óleo isolante. 25
26. 8.1 Transformador a Seco
• Em um transformador a seco, a forma de resfriamento é o próprio ar
natural, que circula o transformador ou forçado por meio de
ventiladores.
Transformadores de potência encapsulados em resina epóxi sob alto
vácuo
26
27. 8.2 Transformador Imerso em Liquido
Isolante
• O transformador imerso em
líquido isolante necessita de um
tanque de aço onde a parte ativa
do transformador (núcleo e
bobinas) fica completamente
imerso no líquido isolante.
• Esse líquido isolante possui duas
finalidades importantes, a primeira
é isolar os elementos sob tensão
do tanque e possibilitar que os
arcos elétricos internos ao
transformador devido às
diferenças de tensão entre o
primário e o secundário e tanque
(carcaça), sejam rapidamente
interrompidos.
Transformadores de potência
monofásicoimersoemóleo.
27
28. 8.2 Transformador Imerso em Liquido
Isolante
• A outra finalidade importante é de
resfriar o transformador dissipando o
calor produzido na parte ativa por
condução e por convecção.
• O óleo, em contato com as partes
aquecidas do transformador fica
menos denso, mais leve, o que causa
um movimento ascendente, o óleo
mais afastado da parte ativa fica mais
denso, mais pesado, o que causa um
movimento descendente, resultando
uma lenta movimentação do óleo no
tanque do transformador, no
processo chamado de convecção.
• Com esse processo transfere-se calor
da parte interna para o exterior
através do tanque por condução.
Transformadores de potência
monofásicoimersoemóleo.
28
29. 8.2 Transformador Imerso em Liquido
Isolante
• O líquido isolante é submetido à
variação de temperatura o que faz
aumentar o volume quando a
temperatura cresce e reduzir
quando a temperatura diminui.
• Por esta razão no tanque deve
existir um espaço chamado de
“colchão de ar” para possibilitar
“respiração do transformador”, pela
variação de volume do líquido
isolante e do vapor do líquido
isolante decorrente da elevação da
temperatura sem comprometer a
pressão interna do tanque.
Transformador de potência
monofásicoimersoemóleo.
29
30. 8.3 Radiadores
• Os radiadores tubulares ligam
a lateral inferior, a lateral
superior do tanque do
transformador.
• No interior dos radiadores
tubulares passa o óleo
dissipando o calor para o
ambiente externo. Cumpre
assim a necessidade de
aumento da superfície do
tanque em contato com o
ambiente.
Transformadorcom radiadortubular
30
31. 8.3 Radiadores
• Os radiadores de chapa ou
achatados têm a mesma
finalidade do radiador tabular,
porém com a vantagem de
utilizar maior quantidade de
radiador ocupando menor
espaço que o radiador tubular
ocuparia.
• Nesse radiador o óleo passa
por um tubo achatado com
maior área e menor espessura
por seu interior dissipando o
calor para o ambiente externo.
Radiadordechapascomconservadorde
óleo
31
32. 8.4 Tipos de óleo isolante
• O líquido isolante utilizado nos transformadores é o óleo mineral, a
função desse óleo é a de isolação e resfriamento.
• O óleo mineral é um isolante melhor que o ar. Os transformadores
de distribuição, com tensão acima de 1,2kV, são construídos de
maneira a trabalharem imersos em óleos isolantes.
• Os óleos isolantes possuem dupla finalidade: garantir isolação entre
os componentes do transformador e dissipar para o exterior o calor
gerado nos enrolamentos e no núcleo.
• Para que o óleo possa cumprir satisfatoriamente as duas condições
acima, deve estar perfeitamente livre de umidade e outras
impurezas para garantir seu alto poder dielétrico. É considerado
bom, o óleo com rigidez dielétrica superior a 30kV/mm.
32
33. 8.4 Tipos de óleos isolantes
• Óleo mineral de base naftênica: O de base naftênica (tipo A),
utilizado em equipamentos para tensões superiores a 145kV.
• Óleo mineral de base parafínica :o de base parafínica (tipo B), é
usado em equipamentos com tensão igual ou inferior a 145kV.
• Óleo de silicone: ao contrário dos óleos minerais, este tipo de fluido
possui baixa inflamabilidade, reduzindo sensivelmente uma eventual
situação de incêndio. Pois no caso de combustão do óleo, forma-se
na superfície uma camada de sílica extinguindo a chama.
• Óleo vegetal isolante para transformadores: é usado também o óleo
rtemp que é um óleo vegetal isolante de alto ponto de fulgor com
características semelhantes ao silicone.
33
34. 9. Perdas no transformador
• A energia no primário é transferida para o secundário, mas
parte dessa energia é dissipada em forma de calor no cobre
(condutores do primário e secundário) e no ferro (correntes
parasitas ou Foucault e Histerese).
• Para reduzir estas perdas haverá necessidade de resfriamento
do transformador ou instalá-lo em local bem ventilado
34
35. 9.1 Perdas no cobre
• As perdas no cobre representam a energia dissipada nos condutores
dos enrolamentos.
• A perda no cobre varia com a carga do transformador. Ao passar
corrente nos enrolamentos, há perdas de energia por efeito Joule, a
equação seguinte calcula a potência dissipada no cobre.
P = (R)*(I²)
• R - Resistencia elétrica do enrolamento primário ou secundário
• I - Corrente do primário ou do secundário
35
36. 9.2 Ensaio a curto-circuito
• No ensaio a curto-circuito do transformador pode-se medir a perda nos
enrolamentos (no cobre), e utilizado para determinar o seu rendimento.
• Alimentando-se com tensão variável, pelo lado de tensão mais alta e estando os
terminais de tensão mais baixa em curto-circuito, até que a corrente nominal
primária 𝐼𝑛1 seja lida no amperímetro. Neste ponto lê-se também a tensão de
curto-circuito (𝑉𝑐𝑐) e a potencia de curto-circuito (𝑃𝑐𝑐).
• Com estes valores pode-se calcular a impedância equivalente, 𝑍𝑒=𝑉𝑐/𝐼𝑛1 e a
resistência equivalente, 𝑅𝑒=𝑃𝑐𝑐/𝐼𝑛12.
• A resistência equivalente do transformador de terminada no ensaio e curto-
circuito representa unicamente a perda no cobre por feito Joule e depende
diretamente da carga ligada ao transformador.
36
37. 9.3 Perdas no ferro
• Quando um fluxo magnético atravessa uma massa metálica (núcleo),
essa massa fica sujeita a uma fmm, que produz grandes correntes
chamadas de correntes parasitas ou correntes de Foucault. Estas
correntes não transferem energia para o secundário, apenas aquecem o
núcleo. Uma forma de reduzir essas correntes parasitas é aumentar a
resistência elétrica do núcleo.
37
38. 9.3 Perdas no ferro
• Outra perda no ferro é a histerese
magnética. Essa perda depende do
material usado na construção do
núcleo.
• Quando uma corrente alternada no
primário inverte seu sentido, há
também inversão de polaridade no
campo magnético circulante no
núcleo.
• A inversão do campo no núcleo
consome certa quantidade de
energia na forma de calor que
representa a perda por histerese.
• Alguns materiais, como o aço silício
de grãos orientados, mudam a
polaridade do campo facilmente
por que os grãos estão orientados
no sentido do fluxo magnético, isso
reduz as perdas por histerese.
• A perda por histerese é
representada pelo ciclo histerético
cuja forma depende da qualidade
do material ferromagnético do
núcleo
38
39. 9.3 Perdas no ferro
Ciclo de histerese para materiais diferentes
39
40. 9.4 Ensaio a vazio
• No ensaio a vazio do transformador pode-se medir a perda no
ferro (núcleo), e utilizado para determinar o seu rendimento.
• Alimentando-se com tensão e freqüência nominais, pelo lado
de tensão mais baixa e estando os terminais de tensão mais
alta em aberto, mede-se a tensão nominal (𝑉𝑛), corrente de
magnetização (𝐼𝑚) e a potencia a circuito aberto, (𝑃𝑐𝑎).
• Assim obtêm-se as perdas no núcleo caracterizadas pelas
perdas por correntes parasitas e pela histerese magnética,
considerando que no enrolamento em aberto a corrente é
nula sendo, portanto igual a zero a perda Joule. 40
41. 10. Rendimento
• O rendimento de um transformador é a relação entre a
potência de saída e a potência de entrada, desconsiderando-
se as perdas na transformação e o tipo de carga alimentada,
(resistiva, indutiva ou capacitiva)
𝜂=𝑃2/𝑃1
• 𝑃2=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑜 (𝑊)
• 𝑃1=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 (𝑊)
• A diferença entre a potência de entrada e a potência de saída
corresponde às perdas no cobre, correntes parasitas e
histerese
41
42. 10. Rendimento
• 𝑃1−𝑃2 = 𝑃𝐹𝑒+𝑃𝐶𝑜
• Lembrando que: 𝑃𝐹𝑒= 𝑃𝐻+𝑃𝑐𝑝
• Considerando as perdas fixas e sem importar o tipo de carga
nem o nível de carregamento do transformador, ou seja, da
quantidade de potencia alimentada em relação a potencia
nominal do transformador
• 𝜂=𝑃2/(𝑃2+𝑃𝐶𝑜+𝑃𝑐𝑝+𝑃𝐻)
42