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Transformador

TRANSFORMADOR

  1. Objetivo........................................................................................................................... 3

  1. Introdução....................................................................................................................... 3

    1. Divisão detalhada quanto aos tipos construtivos................................................... 4

      1. Quanto ao material do núcleo........................................................................... 4

      2. Quanto ao número de fases............................................................................. 5

      3. Quanto à forma do núcleo................................................................................ 5

      4. Quanto à disposição relativa dos enrolamentos............................................... 6

      5. Quanto à proteção e maneira de dissipação de calor...................................... 7

  1. Razão ou relação de tensão.......................................................................................... 7

  1. Relação entre potências primárias e secundárias...................................................... 8

  1. Eficiência......................................................................................................................... 9

  1. Corrente alternada e corrente contínua....................................................................... 9

  1. O transformador ideal.................................................................................................. 10

    1. Sumário comparativo entre o transformador real e o transformador ideal.......... 10

    2. A importância do transformador ideal.................................................................. 12

  1. Autotransformador....................................................................................................... 12

  1. Outros tipos de transformadores............................................................................... 14

    1. Transformador autoprotegido.............................................................................. 14

    2. Transformador industrial...................................................................................... 15

    3. Tranformador subterrâneo................................................................................... 16

    4. Transformador a seco.......................................................................................... 17

    5. Tranformador de distribuição............................................................................... 18

    6. Transformador de força....................................................................................... 19

    7. Transformador de comando................................................................................. 20

    8. Transformador de corrente 4NC/4NF.................................................................. 21

  1. Conclusão.................................................................................................................... 22

  1. Referencias bibliográficas.......................................................................................... 22

  1. Objetivo

Este trabalho tem como objetivo o estudo teórico dos Transformadores (Autotransformador, Transformador Ideal, de Corrente, de Potencial, à Seco, etc.), sua utilização, tipos de construção, materiais utilizados, relação de tensão, relação entre potência no primário e secundário e sua eficiência.

  1. Introdução

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 denominá-los como enrolamento primário e secundário, existem transfomadores 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 utiliza-se 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.

Fig. 1 Transformador trifásico

    1. Uma divisão mais detalhada dos transformadores, quanto aos tipos construtivos, é dada a seguir:

      1. Quanto ao material do núcleo

Transformadores com núcleo ferromagnético. Os transformadores de potência são invariavelmente desse tipo. Os materiais ferromagnéticos adequados para esses núcleos devem possuir, além de alta permeabilidade magnética, uma resistividade eletrica relativamente elevada e uma indução residual relativamente baixa quando submetido a uma magnetização cíclica. Essas propriedades implicarão, pela ordem, em baixa relutância e, portanto, em pequena absorção de corrente magnetizante e de potencia relativa de magnetização, baixas perdas por correntes parasitas (parda Foucault) e baixa perda histerética. Os aços-silício (ligas de ferro, carbono, silício) são os materiais ferromagnéticos que satisfazem as exigências dos núcleos desses transformadores. Eles são utilizados laminados, com espessura entre 0,25 e 0,5mm, com as laminas isoladas, normalmente pelo próprio oxido da laminação siderúrgica, e prensadas para formar o núcleo. Essas providencias são tomadas, também, para atenuar as correntes induzidas no núcleo e, portanto, atenuar as perdas Foucault. Nos transformadores maiores, onde se exige bom rendimento, as laminas são de aço-silício de grãos orientados, que além de alta permeabilidade quando excitados no sentido da laminação, apresentam baixíssimas perdas magnéticas especificas (watts por unidade de massa). Os transformadores de medida, bem como muitos do tipo de controle, também são constituídos com núcleo ferromagnético, seja laminado ou sintetizado, com a intenção de diminuir as perdas e a corrente magnetizante e melhorar o acoplamento magnético.

Transformadores com núcleo de ar. O núcleo de ar confere uma característica linear ao circuito magnético do transformador, e não apresenta perdas magnéticas, porém apresenta grande relutância () e, conseqüentemente, necessita de maior f.m.m. de excitação. Se a permeabilidade relativa () aços-silício é da ordem de alguns milhares, para os valores de densidade de fluxo utilizadas nos transformadores, um milímetro de entreferro num núcleo pode equivaler a metros de material ferromagnético, no que diz respeito a f.m.m. de excitação. Portanto, com núcleos de ar, a corrente magnetizante poderá ser relativamente elevada, a menos que o enrolamento possua uma grande quantidade de espiras, ou seja, excitado com freqüência elevada, para que ofereça à fonte uma grande reatância.

Por essa razão e pelo dato de as perdas magnéticas nos materiais ferromagnéticos crescerem mais do que proporcionalmente com a freqüência, os núcleos de ar ficam restritos quase que exclusivamente a pequenos transformadores (do tipo de controle) de freqüências mais elevadas que as industriais.

      1. Quanto ao numero de fases

Transformadores monofásicos e polifásicos. A Fig. 2 mostra núcleos elementares de transformadores monofásicos e trifásicos, sem preocupação com a disposição relativa entre os enrolamentos primário e secundário.

Os fluxos são fluxos mútuos, isto é, concatenam-se com o enrolamento primário e secundário, produzindo os fluxos concatenados e . Os fluxos e são fluxos de dispersão, que se concatenam só com o enrolamento primário e só com o enrolamento secundário. Note que, no caso trifásico, os fluxos , e e as três f.e.m. são três grandezas alternativas, senoidais no tempo e defasadas 120º entre si.

      1. Quanto à forma do núcleo

Transformadores monofásicos, nuclear e encouraçado. O tipo nuclear é apresentado na Fig. 2(a), o tipo encouraçado é o da Fig. 3. Um transformador trifásico também pode ser feito encouraçado, com o mesmo critério apresentado na Fig. 3, para os monofásicos, isto é, com o núcleo ferromagnético envolvendo cada conjunto de bobinas primário-secundário. Note que a ocorrência de dispersão de fluxo é menos acentuada nesse caso do que no tipo nuclear.

Fig. 2 Corte esquemático de transformadores (a) monofásico e (b) trifásico. Os índices 1 e 2 referem-se a primário e secundário, e os índices a,b e c às fases a,b e c do sistema trifásico.

      1. Quanto à disposição relativa dos enrolamentos

Podem ser idealizadas muitas maneiras de se disporem as bobinas relativamente umas às outras. Vamos nos ater apenas a duas maneiras: transformador com enrolamento superposto e com enrolamento em discos alternados.

Fig. 3 Cote de um transformador monofásico do tipo encouraçado.

Para se diminuir, o quanto possível, a dispersão de fluxo, procura-se melhorar o acoplamento magnético entre primário e secundário.

Um modo de melhorar esse acoplamento seria não dispor as bobinas em “pernas” distintas, como na Fig. 2(a), mas executar um enrolamento superposto ao outro, como na Fig. 4(a).

Outra maneira é subdividir os enrolamentos primário e secundário em discos parciais e intercalá-los, como na Fig. 4(b). Nota-se que, nessas disposições, grande parte do fluxo que seria considerado disperso no caso da Fig. 2(a), nesses casos não será de dispersão, mas será mútuo.

Fig. 4 Corte esquemático de transformadores (a) encouraçado com enrolamento superposto,

(b) nuclear com enrolamento em discos (bobinas) parciais alternados.

      1. Quanto à proteção e maneira de dissipação de calor

Os transformadores de potencia, não só por problemas de isolação em altas tensões, como de dissipação, são imersos em óleo isolante, portanto protegidos, isto é, blindados em relação ao meio. Podem ter superfície com aletas, ventilação forçada e sistemas de refrigeração mais complexos com circulação de óleo, trocador de calor, etc. existe uma crescente dificuldade em se dissipar o calor advindo das perdas, à medida que cresce a potencia e o tamanho dos transformadores.

Nos grandes transformadores existe sempre um sistema de ancoragem das bobinas, para protegê-las contra os elevados esforços que podem aparecer por ocasião de sobrecorrentes, como nos curto-circuitos. Essas forças podem ser bastante elevadas.

  1. Razão ou relação de tensão

A tensão nas bobinas de um transformador é diretamente proporcional ao numero de espiras das bobinas. Esta relação é expressa através da formula

onde:

Vp= tensão na bobina do primário [V]

Vs= tensão na bobina do secundário [V]

Np=número de espiras da bobina do primário

Ns=número de espiras da bobina do secundário

A razão Vp/Vs é chamada de razão ou relação de tensão. A razão Np/Ns é chamada de razão ou relação de espiras.

Uma razão de tensão de 1:4 (lê-se um para quatro) significa que para cada volt no primário do transformador há 4 volts no secundário. Quando a tensão do secundário é maior do que a tensão do primário, o transformador é chamado de transformador elevador. Uma razão de tensão de 4:1 significa que para 4V no primário há somente 1V no secundário. Quando a tensão no secundário for menor do que no primário, o transformador é chamado de transformador abaixador.

Fig. 5 Diagrama simplificado de um transformador

  1. Relação entre potências primárias e secundárias

Fig. 6 Representação esquemática de um transformador com fluxo positivo e correntes positivas.

Devido ao suprimento das perdas, num transformador com uma carga como a da Fig. 7, a potência ativa de entrada no primário é maior que a transferida para o secundário, e esta é maior que a de saída.

A relação entre as potências pode ser deduzida a partir da Fig. 6.

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