Apostila de transformadores

Apostila de transformadores

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Transformador TRANSFORMADORES

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1. Objetivo3
2. Introdução3
2.1.Divisão detalhada quanto aos tipos construtivos4
2.1.1. Quanto ao material do núcleo
2.1.2. Quanto ao número de fases5
2.1.3. Quanto à forma do núcleo5
2.1.4.Quanto à disposição relativa dos enrolamentos6
2.1.5.Quanto à proteção e maneira de dissipação de calor7
3. Razão ou relação de tensão7
4.Relação entre potências primárias e secundárias8
5. Eficiência9
6. Corrente alternada e corrente contínua9
7. O transformador ideal10
7.1.Sumário comparativo entre o transformador real e o transformador ideal10
7.2. A importância do transformador ideal12
8. Autotransformador12
9. Outros tipos de transformadores14
9.1. Transformador autoprotegido14
9.2. Transformador industrial15
9.3. Tranformador subterrâneo16
9.4. Transformador a seco17
9.5. Tranformador de distribuição18
9.6. Transformador de força19
9.7. Transformador de comando20
9.8. Transformador de corrente 4NC/4NF21
10. Conclusão2

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1. Referencias bibliográficas2

Transformador

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.

2.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.

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Transformador

Fig. 1 Transformador trifásico

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

2.1.1.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 (mHar/10470− ==piµµ) e, conseqüentemente, necessita de maior f.m.m. de excitação. Se a permeabilidade relativa (0/)()(µµµBBr=) aços-silício é da

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Transformador 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.

2.1.2.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 mφ são fluxos mútuos, isto é, concatenam-se com o enrolamento primário e secundário, produzindo os fluxos concatenados 111mNφλ= e 222mNφλ=. Os fluxos 1dφ e 2dφ 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 1mφ, 2mφe 3mφ e as três f.e.m. são três grandezas alternativas, senoidais no tempo e defasadas 120º entre si.

2.1.3.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.

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2.1.4.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.

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2.1.5.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.

3.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

spsp NNV 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 Página 7

Transformador 4.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.

)()()(')( 2221 titetite −= Essa é a potência realmente transferida, através do acoplamento magnético de um lado para outro. É a energia liquida que, por exemplo, o secundário recebe do primário após serem descontadas todas as perdas de energia neste enrolamento e no núcleo. Devido ao sentido das correntes, nota-se o sinal negativo na expressão acima, significando que os fluxos de energia são contrários, isto é, se o lado 1 absorve )(')(21tite, o lado 2 fornece

)()(22tite e vice-versa, sem armazenagem de energia. No caso da Fig. 7, se 2iic−=, tem-se

)()()(')( 221 titetite c= . No transformador ideal, obviamente,

)()()()( 211 titvtitv c= , e, em regime senoidal permanente, as potências aparentes são e o quanto de energia reativa o transformador absorve da fonte depende não só de I1mag, mas da natureza da carga.

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Transformador

Fig. 7 O transformador da Fig. 5 alimentando uma carga Zc. 5. Eficiência

A eficiência de um transformador é igual à razão entre a potência de saída do enrolamento do secundário e a potência de entrada no enrolamento do primário. Um transformador ideal tem 100% de eficiência porque ele libera toda a energia que recebe. Devido às perdas no núcleo e no cobre, a eficiência do melhor transformador na prática é menor que 100%. Exprimindo na forma de equação, psPP entradadepotencia saídadepotênciaEf == ..

onde: Ef= eficiência

Ps= potência de saída no secundário [W] Pp= potência de entrada no primário [W]

6.Corrente alternada e corrente contínua

A grande vantagem técnica da corrente alternada em confronto com a corrente contínua repousa na possibilidade de se obter, a partir da primeira, qualquer tensão elétrica desejada, quase sem perdas, por meio dos transformadores. Ordinariamente, no local de utilização, se necessita baixas tensões que não são perigosas para o organismo humano (é comum o emprego de tensões de 120 volts e 220 volts). Por outro lado, o transporte da energia elétrica desde o local de sua geração até o de sua utilização, convém que seja efetuado sob tensões mais altas possíveis (220 0 V ou mesmo 380 0 V). Porém, ao funcionamento mais econômico das máquinas que produzem a energia elétrica corresponde uma tensão média de alguns milhares de volts. Portanto, em toda rede de distribuição existe sempre a necessidade de transformar a tensão elétrica.

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Transformador

7.O transformador ideal

Um transformador ideal é aquele em que o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, ou seja, todas concatenam, ou “abraçam”, o mesmo fluxo, o que vale dizer que não há dispersão de fluxo. Isso implica assumir a hipótese de que a permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético é alta ou, no caso ideal, infinita, e o circuito magnético é fechado. Além disso, admite-se que o transformador não possui perdas de qualquer natureza, seja nos enrolamentos, seja no núcleo.

7.1.Sumário comparativo entre o transformador real e o transformador ideal Variáveis e parâmetrosTransformador real Transformador ideal

Resistência ôhmica dos enrolamentos Não-nulas Nulas

Fluxo mφem cargaa)Ligeiramente diferente do existente em vazio, nos transformadores de forte acoplamento magnetico b)Bastante diferente nos de fraco acoplamento, como muitos transformadores de núcleo de ar

Igual ao de vazio

Fluxos de dispersão

Indutâncias de dispersão dos enrolamentos a)Pequenos nos casos de forte acoplamento b)Relativamente grandes nos de fraco acoplamento

Não-nulas; relacionadas diretamente com o item anterior

Inexistente

Nulas F.e.m. e1 e e2

Permeabilidade magnética do núcleo

Finita

Infinita

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Transformador Corrente magnetizante

Capacitância entre espiras e de enrolamento para massa

Perdas Joule a)Pequena nos casos de nucleos ferromagnéticos b)Alta nos núcleos não ferromagneticos (ar, por exemplo)

Desprezivel nos regimes permanentes de frequência baixa, mas considerável em fenômenos transitórios Rápidos e em regime de frequências altas

Proporcionais às resistências efetivas dos enrolamentos

Nula Nula

Inexistente Perdas no núcleo

Circuito equivalente completo

Impedância interna

Corrente de curto- Circuito a)Diferentes de zero, embora relativamente pequenas nos casos de chapas de silício especiais b)Inexistentes nos casos de núcleo de ar. R1p pode ser infinita no caso de nucleo de ar

Diferente de zero Finita

Inexistente

Nula Infinita

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Transformador

7.2.A importância do transformador ideal

A importância do transformador ideal se dá no desenvolvimento da teoria do transformador real. Parte-se do aspecto totalmente ideal, introduzindo-se, gradativamente, os fenômenos reais de perdas, de magnetização do núcleo, etc. Serve também como elemento de pré-cálculo e de ante-projeto, seja para o utilizador, seja para o projetista de médios e grandes transformadores de força, pois estes se aproximam bastante do transformador ideal, principalmente quando outros componentes do sistema possuam, relativamente a ele, maiores perdas, imperdâncias, etc.

8. Autotransformador

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