Transformadores Meu

TRANSFORMAD ORES UFCD - 6033

Formador: Fernando Simões

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• Para adaptar a corrente eléctrica a certos usos é frequentemente necessário transformar o nível da tensão eléctrica (elevá-la ou baixála) ou a sua forma (converter a corrente alternada em corrente contínua ou vice-versa). • Também, em alguns casos especiais, pode ser necessário modificar a frequência da corrente alternada ou até o numero de fases de um sistema de tensões e correntes (trifásico-bifásico, trifásicohexafásico, etc.) • As máquinas e aparelhos destinados a transformar a tensão, a forma, a frequência da corrente ou número de fases chamam-se TRANSFORMADORES .

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GENERALIDADES

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GENERALIDADES • CLASSIFICAÇÃO:

TRANSFORMADORES ESTÁTICOS – São aparelhos electromagnéticos, sem parte móveis, destinados a modificar (elevar ou baixar) a tensão ou o número de fases da corrente alternada. São os mais utilizados e conhecidos vulgarmente por TRANSFORMADORES.

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– Os transformadores podem ser agrupados nas três categorias seguintes:

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GENERALIDADES

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nversor Rotativo de Alta Frequência

TRANSFORMADORES OU CONVERSORES ROTATIVOS – São máquinas electromagnéticas destinadas a transformar a tensão, forma ou frequência da corrente.

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GENERALIDADES

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RECTIFICADORES E ONDULADORES – São máquinas destinadas a transformar, por meio de processos electrónicos, a corrente alternada em corrente rectificada ou corrente continua em corrente alternada, respectivamente.

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• De entre os Transformadores Estáticos, iremos dar relevância aos Transformadores de Potência, uma vez que existe uma grande de utilização destes nos sistemas de produção, transporte e distribuição de energia eléctrica. • Assim, dividiremos o estudo nestes três ramos: – Transformadores Monofásicos – Transformadores Trifásicos – Transformadores Especiais

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GENERALIDADES

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Necessidade do uso do XMFR • Se quiséssemos (exemplo exagerado mas convincente) transportar uma potência S=2,2MVA=2200KVA a uma distância de 50Km (100Km de condutores)

Chegaríamos à conclusão de que este transporte de energia a grandes distâncias teria de ser feito em Alta Tensão, de modo a evitar grandes perdas e queda de tensão.

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(fig. abaixo),

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Transporte de Energia - Exemplo

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Transporte de Energia - Exemplo

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Transporte de Energia - Exemplo

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• O ideal seria que, na central, o próprio gerador (alternador) fornecesse directamente a energia ao nível de tensão desejado para o transporte. • No entanto, isso não é possível, devido ao facto de que, por limitações técnicas, a tensão nos alternadores não ultrapassa os 25kV. • É impensável alimentar uma instalação doméstica com 220kV.

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Transporte em Alta Tensão

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Transporte em Alta Tensão

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• Assim, teremos que elevar a tensão (para 220kV, 400kV, etc.), à saída do alternador, para o transporte ser viável e baixá-la (para 230/400V) antes de distribuir a energia. Utilizam-se, então, Transformadores que elevam ou baixam a tensão eléctrica.

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TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

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• É constituído por um circuito magnético (núcleo) e por dois enrolamentos condutores designados por primário e secundário.

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TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

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• O primário está ligado à fonte de energia eléctrica (alternador ou rede de corrente alternada), e o secundário debita, esta energia, numa rede eléctrica ou nos receptores.

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

SIMBOLOGIA

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• Apresentam-se, seguidamente, alguns dos símbolos utilizados para representação de transformadores monofásicos.

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

SIMBOLOGIA • As várias grandezas (intensidade de corrente, tensões, potências, factores de potência, impedâncias, etc.) e número de espiras serão consideradas em diversas situações, podendo referir-se ao primário ou ao secundário.

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REPRESENTAÇÃO DE GRANDEZAS

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NÚCLEO

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• O núcleo tem a função de conduzir as linhas de indução do campo magnético criado pelas correntes nos dois enrolamentos. • Pretende-se, assim, criar uma boa ligação magnética entre os enrolamentos.

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PERDAS NO NÚCLEO

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• As correntes parasitas induzidas no núcleo dos transformadores causam uma perda de potência, em forma de calor. • As correntes parasitas são reduzidas laminando o núcleo de ferro. 

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

NÚCLEO • Classificação quanto à forma: – Colunas ou normais – Couraçados ou blindados – Quadrada – Rectangular – Escalonada

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• Secção:

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• Nos pequenos transformadores é utilizada a secção quadrada ou rectangular. • A secção escalonada é utilizada para transformadores de potência média e elevadas potências • Nos transformadores de muito elevadas potências o núcleos são compostos com canais de refrigeração (utilização de óleo para dissipação de calor)

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NÚCLEO

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Núcleo

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• O enrolamento com maior número de espiras é o de Alta Tensão (A.T.), enquanto o de menor número é o de Baixa Tensão (B. T.). • O enrolamento de A.T. pode ser primário ou secundário consoante o Transformador é redutor ou elevador da tensão. • Os enrolamentos dão origem às designadas perdas no cobre (perdas por efeito de Joule, devido à resistência dos condutores).

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Enrolamentos

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Enrolamentos

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• Os enrolamentos podem ser constituídos de diversas formas, mediante a potência do Transformador.

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Enrolamentos – Enrolamento constituido, normalmente, por um condutor de secção circular ou barra de cobre electrolitico ou aluminio (a barra é utilizada nos transformadores de alta potência). – Bobina de camadas sobrepostas isoladas entre si. – Para correntes altas, quando há necessidade de refrigerar o enrolamento, juntam-se várias bobinas separadas de forma a que, pelos intervalos, possa circular o óleo isolador e refrigerante.

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• ENROLAMENTO DE B.T.

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Enrolamentos – Os condutores são isolados com esmalte, algodão, papel impregnado ou fibra de vidro pré-impregnada. – Os enrolamentos de B.T. e A.T. são isolados do núcleo e entre si com ebonite, fibra de vidro, presspahn (cartão isolante) ou madeira altamente prensada. – O fabrico destes enrolamentos é analogo aos dos condensadores uma vez que, para poupar espaço, as folhas dos condutores são enroladas em conjuntos com uma folha de material isolador.

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• ENROLAMENTO DE B.T.

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Enrolamentos

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Enrolamentos – O enrolamento A.T. é construído de maneira análoga ao de B.T., quer no material condutor quer no isolamento; – Uma vez que este enrolamento é percorrido por intensidades inferiores ao de B.T., a secção dos condutores é inferior; – Quando as tensões são muito elevadas (acima de 5kV), este enrolamento é subdividido por bobinas ligadas em série; – Pode ser construído com fio isolador formando camadas longas.

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• ENROLAMENTO DE A.T.

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Enrolamentos

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• O transformador real é aquele que existe na prática, com perdas (por efeito de Joule, por histerese e por correntes de Foucault) e, portanto com um rendimento inferior a 100%. • O transformador ideal é aquele que teoricamente não tem perdas e, portanto tem um rendimento de 100%. • Dá jeito, em muitas situações, considerar que o transformador é ideal porque facilita os cálculos, sabendo-se que os valores reais não se afastam muito dos obtidos.

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Princípio de funcionamento

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

Princípio de funcionamento

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• O princípio de funcionamento do transformador é baseado num fenómeno conhecido como indução electromagnética.

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• Quando movimentamos um condutor dentro de um campo magnético, aparece nos seus extremos uma DDP, que é designada por tensão induzida. • O mesmo irá acontecer se o condutor se mantiver em repouso e movimentarmos o campo magnético. • É necessário, portanto, que haja um movimento relativo entre o campo magnético e o condutor, para que apareça nos extremos do mesmo uma tensão induzida.

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Princípio de funcionamento

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

• Sabe-se que, quando a corrente eléctrica passa por um condutor, se estabelece em torno do mesmo um campo magnético, cuja intensidade depende da intensidade da corrente eléctrica. • A figura abaixo mostra um condutor percorrido por uma corrente eléctrica e o campo magnético em torno do mesmo, representado pelas linhas de forças.

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Princípio de funcionamento

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• Se a intensidade da corrente que percorre o condutor variar, a intensidade do campo magnético também varia, como o condutor está submetido ao campo magnético, aparecerá nos seus terminais uma tensão induzida. • Este é o princípio de funcionamento do transformador. • Uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário, o que fará circular pelo mesmo, uma corrente alternada. • A corrente alternada que circula pelo enrolamento primário dará origem a um campo magnético variável, que se estabelecerá no núcleo do transformador.

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Princípio de funcionamento

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• Como o enrolamento secundário está enrolado em torno do núcleo, uma tensão induzida aparecerá nos seus extremos, devido ao campo magnético variável ao qual está submetido. • Observe que não existe contacto eléctrico entre os enrolamentos primário e secundário, a ligação entre os dois enrolamentos é apenas magnética.

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Princípio de funcionamento

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• Se for aplicada uma tensão contínua no enrolamento primário, não aparecerá tensão alguma no secundário do transformador, isso acontece porque uma fonte de tensão contínua produzirá uma corrente constante no enrolamento primário, que por sua vez produzirá um campo magnético constante no núcleo. • Isso significa que não haverá movimento relativo entre o campo magnético e o condutor, não havendo, então, tensão induzida.

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Princípio de funcionamento

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

• A principal razão que faz o transformador ser elevador ou abaixador de tensão, é a relação existente entre o número de espiras nos enrolamentos primário e secundário. • Se o número de espiras do enrolamento secundário for maior que o número de espiras do enrolamento primário, o transformador será elevador de tensão, se for menor será abaixador de tensão.

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Princípio de funcionamento

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

FÓRMULA DE BOUCHEROT • A fórmula abaixo permite-nos calcular a tensão no enrolamento secundário, tendo a tensão no primário e a relação de espiras. No formulário apresentado, transformador é ideal.

consideramos

50 / V2 = 600 / 1200   V2 = 100 V As tensões variam de forma inversamente proporcional com as correntes:

que

A tensão e o número de espiras variam de forma directamente proporcional.

o

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•

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Princípio de funcionamento • O quociente entre a tensão mais elevada e a menor é a relação de transformação (rt) do transformador, pelo que rt é sempre superior a 1. – Num transformador elevador

– Num transformador redutor

rt = U1 / U2 = N1 / N2 = I2 / I1

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rt = U2 / U1 = N2 / N1 = I1 / I2

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

Princípio de funcionamento • Potência nominal Sn do transformador ideal:

• Visto que o transformador ideal não tem perdas, então a potência no primário é igual à do secundário.

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Sn = U1n I1n = U2n I2n

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Ensaio do transformador em vazio

I10 – Corrente no primário em vazio U1n – Tensão nominal no primário P10 – Potência no primário em vazio U20 – Tensão no secundário em vazio.

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• Em virtude da resistência interna do voltímetro ser muito alta podemos considerar que o secundário do transformador está em vazio, isto é, não debita corrente.

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Ensaio do transformador em curto-circuito

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• Em virtude da resistência interna do amperímetro ser muito baixa podemos considerar que o secundário do transformador está em curto-circuito.

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Ensaio do transformador em carga

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• Um transformador está em carga quando o secundário debita corrente (I2) sobre uma resistência de carga (ZC).

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

Ensaio do transformador em carga • A carga Zc ligada ao enrolamento secundário é que impõe o valor da intensidade de corrente I2 no secundário que, por sua vez, vai impor a intensidade I 1 do primário, através da relação de transformação (rt), isto é: I2 = U2 / Zc

– Se o transformador alimentar uma carga variável (resistência, indutância, capacidade variável, etc.), então a intensidade I 2 também varia e, portanto, a intensidade I1. – Se Zc diminuir a intensidade I2 aumentará; se Zc aumentar a intensidade I2 diminuirá.

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e   I 1 = I 2 / rt

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TRANSFORMADOR MONOFÁSIC

DIAGRAMA DE KAPP

• •

O Diagrama de KAPP é uma construção geométrica que nos permite entender as diversas situações da regulação da unidade transformadora perante uma determinada carga aplicada ao secundário da referida. É muito usado para o cálculo de transformadores. Se for desenhado em escala apropriada, determina as tensões em vazio e em cargas de qualquer natureza colocadas no secundário da referida unidade.

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•

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

TRANSFORMADOR TRIFÁSICO • Três transformadores monofásicos

(banco

de

transformadores)

+

+

►

►

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• Correspondem ao transformador trifásico

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Vantagens do transformador trifásico

• Ocupa menos espaço e é mais leve que 3 monofásicos.  

• Tem um maior rendimento.

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• É mais barato.  

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Vantagens do banco de transformadores monofásicos • Transporta-se mais facilmente, dado que é constituído por unidades independentes.

– Com efeito, quando um transformador avaria é necessário uma unidade de reserva com a potência S/3, enquanto que por avaria da unidade trifásica se torna necessária uma reserva com potência total S.

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• Exige uma reserva de potência mais económica.

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

• Isoladores AT

• Isoladores BT

•

•

•

Chamamos de parte activa do transformador, ao conjunto formado pelos enrolamentos, primário, secundário e núcleo. Os isoladores são os dispositivos que permitem a passagem dos condutores dos enrolamentos ao meio externo. São constituídas basicamente pelo corpo isolante de porcelana vitrificada; O tanque principal destina-se a servir de invólucro da parte activa e de recipiente do líquido isolante; Os transformadores que têm o tanque principal totalmente cheio de óleo, possuem o tanque de expansão a fim de permitir a expansão do óleo quando do seu aquecimento; Todo o calor gerado na parte activa se propaga através do óleo e é dissipado no tanque principal mas a área da superfície externa poderá ser

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Constituição de um transformador trifásico

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Ligação dos enrolamentos • Os 3 enrolamentos primários e secundários podem ser ligados de diferentes modos. – Três dos processos mais usados são: neutro),

em

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• em estrela (com ou sem triângulo, e em zig-zag.

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Ligação dos enrolamentos

• Por exemplo uma ligação triânguloestrela, como a representada na figura seguinte, quer dizer que os enrolamentos do primário estão ligados em triângulo e os do secundário ligados em estrela.

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• A associação num mesmo transformador das duas ligações de enrolamentos (no primário e no secundário) constitui uma ligação.

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Na placa de terminais dos transformadores quando se utilizam letras maiúsculas e minúsculas, as primeiras referem-se à tensão mais elevada e as segundas à tensão inferior.

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Ligação dos enrolamentos

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Ligação dos enrolamentos

  Estrela Triângu lo Zig-zag

Tensão superior Y D Z

Tensão inferior y d z

• Quando o neutro está disponível acrescenta-se a letra N ou n à letra da tensão superior ou inferior respectivamente.

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• Convencionou-se também designar as ligações por letras maiúsculas para a tensão mais elevada e minúsculas para a tensão inferior, conforme o seguinte quadro:

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Aplicações de cada ligação

– Esta vantagem é aproveitada principalmente em baixa tensão.

• Tem ainda enrolamentos isolamento enrolamentos

a vantagem de os seus necessitarem geralmente de um eléctrico inferior ao dos em triângulo.

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• Cada uma das ligações possíveis tem a sua aplicação dependendo da função do transformador. • Assim, a ligação em estrela tem em relação à ligação em triângulo, a vantagem de ter neutro acessível, podendo portanto ter-se acesso a dois níveis de tensão (230V e 400V).

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

• Tem ainda a vantagem de os seus enrolamentos necessitarem geralmente de um isolamento eléctrico inferior ao dos enrolamentos em triângulo. • Com efeito, enquanto numa ligação em estrela é aplicada aos enrolamentos uma tensão simples (230V), numa ligação em triângulo cada enrolamento está submetido à tensão composta (400V).

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Aplicações de cada ligação

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• A ligação em triângulo é utilizada com vantagem sobre a ligação em estrela, quando as correntes que se prevêem são elevadas, pois que deste modo a corrente no enrolamento (If) é √3 vezes inferior à corrente na linha (IL), permitindo assim espiras com enrolamento de menor secção e portanto de mais fácil construção.

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Aplicações de cada ligação

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Aplicações de cada ligação

• Esta ligação é utilizada no secundário de transformadores de distribuição onde a repartição de cargas por cada fase dificilmente é igual, provocando assim desequilíbrios.

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• Quanto à ligação em zig-zag é utilizada quando se prevêem no circuito de carga grandes desequilíbrios.

TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Grandezas nominais • O valor nominal das tensões, tanto no primário como no secundário, é a tensão composta.

  • O valor nominal das correntes é sempre o da corrente na linha. – Só na ligação em estrela e em ziguezague é que a corrente na linha é igual à corrente no enrolamento.

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– Só na ligação em triângulo é que a tensão composta é igual à tensão no enrolamento.

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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Grandezas nominais • A potência nominal é dada por Sn = √3 U1n I1n = √3 U20 I2n sendo U1n e U20 tensões compostas e I1n e I2n as intensidades das correntes nas linhas.

comuns para trifásicos

A negrito os valores preferenciais

os de rmador: Fernando Simões

 Potências mais transformadores distribuição:

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Chapa de características de um Transformador

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Refrigeração dos transformado

Refrigeração dos transformadores

• O rendimento dos transformadores é muito elevado (pode ultrapassar os 99%). • Empregam-se vários processos para refrigerar os transformadores conforme a sua potência. • Nos transformadores de baixa potência (até 10 KVA) é suficiente o

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– Apesar disso podem libertar elevadas quantidades de calor.

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Refrigeração dos transformado

Os transformadores de média, elevada e muito elevada potência (superior a 10 KVA) têm os enrolamentos e o núcleo contidos numa cuba metálica cheia de óleo mineral ou de um líquido sintético.

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Refrigeração dos transformadores

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Refrigeração dos transformado

Em muitos transformadores com potência acima dos 10MVA adopta-se um processo de arrefecimento artificial por ventiladores que provocam uma corrente forçada de ar. Para as potências mais elevadas (várias dezenas ou centenas de MVA) a circulação forçada do óleo é acelerada por meio de bombas.

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Refrigeração dos transformadores

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Refrigeração dos transformado

Refrigerante Óleo mineral Piraleno, askarel ou clofeno Ar Água Gás Isolante sólido Circulação do refrigerante Natural Forçada Forçada com distribuição dirigida 1ª letra 2ª letra Referentes ao refrigerante que está em contacto com os enrolamentos Natureza Naturez do a da refrigera circulaç nte ão

Símbolo O L A W G S Símbolo N F D

3ª letra 4ª letra Referentes ao refrigerante que está em contacto com o sistema refrigerante exterior Natureza Naturez do a da refrigera circulaç nte ão

Exemplos:   ONAN – Transformador em banho de óleo com circulação natural do óleo e do ar. OFAF – Transformador em banho de óleo com circulação forçada e refrigerado por meio de ventilação forçada do ar.

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Identificação dos sistemas de arrefecimento

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Refrigeração dos transformado

• Há transformadores de distribuição do tipo seco para as situações em que o risco de incêndio é elevado. • Utilizam materiais incombustíveis para que os riscos de explosão, incêndio e a sua propagação sejam eliminados. • A refrigeração destes transformadores é feita por circulação natural do ar (AN) ou

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Identificação dos sistemas de arrefecimento

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Transformadores de medida

Transformadores de medida

• Assim, os aparelhos de medida são ligados ao secundário de um transformador de medida no qual se obtêm as grandezas a medir já reduzidas a valores convenientes e sem perigo.

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• A ligação directa de aparelhos de medida num circuito de alta tensão além de perigosa obrigaria a construir estes aparelhos com enormes dimensões dada a necessidade de elevado nível de isolamento e grandes secções para as bobinas.

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Transformadores de medida

Transformadores de medida

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• Os transformadores de medida podem ser de dois tipos básicos: • Transformador de tensão (T.T.), que tem por objectivo a redução das altas tensões presentes nas linhas e permitir o seu encaminhamento para os locais frequentados pelos operadores e a sua leitura em voltímetros comuns (Figura a); • Transformador de corrente (T.I.), por razões essencialmente idênticas às anteriores (Figura b).

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Transformadores de medida

Na figura (a) está representado o circuito eléctrico de um transformador de tensão a alimentar um voltímetro. Dado que no primário a tensão é mais elevada, este tem mais espiras do que o secundário. Em virtude da resistência interna do voltímetro ser bastante elevada, a corrente no secundário, e portanto no primário, é baixa, pelo que a secção dos condutores é reduzida. O facto da corrente ser bastante reduzida tem como consequência que o T.T. funciona em regime próximo do ensaio em vazio.

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Transformadores de medida

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Transformadores de medida

Na figura (b) está representado o circuito eléctrico de um transformador de intensidade. O primário do transformador de intensidade é ligado em série ao circuito cuja intensidade da corrente eléctrica se quer medir. O enrolamento secundário fecha-se sobre o amperímetro. Sendo a resistência dos amperímetros bastante baixa (da ordem de 1Ω ou inferior) podemos dizer que o T.I. funciona em regime próximo do ensaio em curto-circuito. A intensidade da corrente lida pelo amperímetro, depois de multiplicada pela relação de transformação rt = N2/N1 traduz quase fielmente o valor da corrente que se queria medir. Tendo a intensidade de corrente no primário valores normalmente bastante elevados, o enrolamento primário é constituído por poucas espiras (ou mesmo

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Transformadores de medida

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Autotransformador

Autotransformador É possível construir um único enrolamento de parte, com N2 espiras, secundário, conforme é (redutor de tensão).

transformador com um N1 espiras do qual uma serve de enrolamento representado na figura

A variação da posição do ponto “a” em relação ao enrolamento faz variar a tensão obtida no secundário, o que permite a utilização do autotransformador para a regulação progressiva

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a

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Autotransformador

Autotransformador

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Um autotransformador variável muito vulgar, o variac, consiste num enrolamento sobre um núcleo de ferro toroidal tendo uma escova de carvão, solidária a um eixo rotativo que pode deslizar sobre as espiras do enrolamento.

Autotransformador

Vantagens do autotransformador sobre o transformador Mais económico – o autotransformador tendo apenas um enrolamento torna-se mais económico, porque exige menos condutor e tem um volume total inferior (para a mesma potência).   Melhor rendimento – as perdas por efeito de Joule são inferiores visto ter apenas um enrolamento, pelo que o rendimento é superior.   Menor queda de tensão – as quedas de tensão, resistiva e indutiva, são inferiores,

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Autotransformador

Principal desvantagem do autotransformador sobre o transformador

O primário e o secundário do autotransformador não estão isolados electricamente entre si como acontece no transformador, o que pode originar problemas de isolamento dos enrolamentos à massa.

No autotransformador há um ponto comum (ponto C na figura). No caso de se quebrar a ligação no ponto C temos no secundário a tensão do primário – 10 KV.

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Observe as figuras seguintes:

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Autotransformador

Utilização • É principalmente devido aos problemas de isolamento entre o primário e o secundário que o autotransformador não pode substituir o transformador na grande maioria das aplicações. Por isso o autotransformador é geralmente utilizado ou com tensões baixas ou quando os níveis de tensão no primário e no secundário são muito próximos.

• O autotransformador trifásico é utilizado no arranque de motores assíncronos de elevada potência. •

Por intermédio do autotransformador começa por se aplicar ao motor uma tensão reduzida no arranque, de

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•

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Autotransformador

Utilização O autotransformador pode também ser utilizado no arranque das lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão. Aqui a sua função é de proporcionar no arranque uma tensão superior à da rede, provocando a descarga no tubo.

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•

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FIM DA UNIDADE

Bibliografia: “Máquinas Eléctricas – Transformadores” - José Vagos Carreira Matias

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http://www.prof2000.pt/users/lpa