Baixe Apostila de transformadores e outras Notas de estudo em PDF para Eletromecânica, somente na Docsity! / UNIB BRAS Transformador TRANSFORMADORES Página 1 Transformador 1. Objetivo........................................................................................................................... 3 2. Introdução....................................................................................................................... 3 2.1. Divisão detalhada quanto aos tipos construtivos................................................... 4 2.1.1. Quanto ao material do núcleo........................................................................... 4 2.1.2. Quanto ao número de fases............................................................................. 5 2.1.3. Quanto à forma do núcleo................................................................................ 5 2.1.4. Quanto à disposição relativa dos enrolamentos............................................... 6 2.1.5. Quanto à proteção e maneira de dissipação de calor...................................... 7 3. Razão ou relação de tensão.......................................................................................... 7 4. Relação entre potências primárias e secundárias...................................................... 8 5. Eficiência......................................................................................................................... 9 6. Corrente alternada e corrente contínua....................................................................... 9 7. O transformador ideal.................................................................................................. 10 7.1. Sumário comparativo entre o transformador real e o transformador ideal.......... 10 7.2. A importância do transformador ideal.................................................................. 12 8. Autotransformador....................................................................................................... 12 9. Outros tipos de transformadores............................................................................... 14 9.1. Transformador autoprotegido.............................................................................. 14 9.2. Transformador industrial...................................................................................... 15 9.3. Tranformador subterrâneo................................................................................... 16 9.4. Transformador a seco.......................................................................................... 17 9.5. Tranformador de distribuição............................................................................... 18 9.6. Transformador de força....................................................................................... 19 9.7. Transformador de comando................................................................................. 20 9.8. Transformador de corrente 4NC/4NF.................................................................. 21 10. Conclusão.................................................................................................................... 22 Página 2 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 111 mN φλ = e 222 mN φλ = . 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 , 2mφ e 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. Página 5 Transformador 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. Página 6 Transformador 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 s p s p N N V V = 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 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 parâmetros Transformador real Transformador ideal Resistência ôhmica dos enrolamentos Não-nulas Nulas Fluxo mφ em carga a) 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 e1≠v1 ; e2≠v2 2 1 2 1 N N e e = ; 2 1 2 1 N N v v ≠ v1≠v2 Finita e1=v1 ; e2=v2 2 1 2 1 N N e e = ; 2 1 2 1 N N v v ≡ v1=v2 Infinita Página 10 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 Página 11 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 O autotransformador constitui um tipo especial de transformador de potência. Ele é formado por um só enrolamento. Fazendo-se derivações ou colocando-se terminais em pontos ao longo do comprimento do enrolamento, podem ser obtidas diferentes tensões. O autotransformador possui um único enrolamento entre os terminais A e C (Fig. 8). É colocada uma terminação no enrolamento, de onde sai um fio que forma o terminal B. o enrolamento AC é o primário enquanto o enrolamento BC forma o secundário. Fig. 8 Diagrama esquemático do autotransformador. A simplicidade do autotransformador o torna mais econômico e de dimensões mais compactas. Entretanto, ele não fornece isolação elétrica entre os circuitos do primário e do secundário. São usados, preferencialmente, quando as tensões aumentadas ou abaixadas são de pequeno valor. Um exemplo tipico é na compensação de quedas de tensão em certos pontos da rede de distribuição elétrica. Também podem ser usados como transformadores reguladores em redes de alta tensão e de transformação de tensão ultra-alta, desde 220kV até 750kV. Pequenos autotransformadores também são utilizados de forma similar como potenciômetros rotativos, para operar como transformadores com núcleo toroidal de saída variável. Exemplos adicionais de aplicação são: arranque para lâmpadas de vapor de sódio, transformadores de arranque para motores monofásicos e motores de comboios. Página 12 Transformador 9.2. Transformador industrial Aplicável a subestações de empresas, para redução de tensão primária (máxima 36,2 Kv) e para as tensões secundárias usadas industrialmente. Sendo ainda providos de caixas de aclopamento para proteção das conexões do primário e/ou secundário, quando solicitado pelo cliente. Principais Características Potência: 500 à 5.000 Kva Alta Tensão: 15;24,2;36,2 ou 72,5 Kv Baixa Tensão: conforme especificações do cliente. Normas: conforme ABNT/IEC. Página 15 Transformador 9.3. Tranformador subterrâneo Transformador de construção adequada para ser instalado em câmaras, em qualquer nível, podendo ser prevista sua utilização onde haja possibilidade de submersão de qualquer natureza. Principais Características Potência: 150 à 2.000 kVA Alta Tensão: 15 ou 24,2 kV Baixa Tensão: 216, 5/125; 220/127; 380/220; ou 400/231 V Normas: conforme NBR 9369/1986 ABNT. 9.4. Transformador a seco Página 16 Transformador Plantas industriais, plantas químicas e petroquímicas, plataformas off-shore, prédios comerciais, hospitais, embarcações marítimas, shopping centers, unidades de tratamento de água, aeroportos, centros de entretenimento, etc. Principais Características Potência: 300 à 15.000 kVA Alta Tensão: 15 ou 24,2 ou 36,2 kV Baixa Tensão: 4160/2402; 440/254; 380/220; 220/127 V ou conforme especificações do cliente. Normas: conforme ABNT/IEC. 9.5. Tranformador de distribuição Página 17 Transformador Os Transformadores de Comando possuem uma faixa de potência de 50 a 5000VA religáveis para tensões primárias 110/220VCA e 24VCA. Aplicados na alimentação de circuitos de comando oferecem isolação galvânica, limitação de capacidade de curto- circuito, redução de tensão em relação aos circuitos de potência e inclusive efeito de supressor em transitórios não lineares da instalação. Estes transformadores possuem terminais de ligação em bloco frontal com proteção ao toque acidental, proporciona uma montagem simples com fixação pela base em estrutura metálica. Isolação a seco para instalação abrigada Todos os transformadores são individualmente ensaiados e identificados por número de série. 9.8. Transformador de corrente 4NC/4NF Página 20 Transformador Um transformador de corrente ou simplesmente TC é um dispositivo que reproduz no seu circuito secundário, uma amostra da corrente que circula no enrolamento primário. Esta corrente tem proporções definidas e conhecidas, sem alterar sua posição vetorial. As relações mais utilizadas no mercado são de xx/5A e xx/1A, ou seja, a corrente do primário é amostrada e tem como saída no secundário 5A ou 1A. Por exemplo: 1000/5A – Uma corrente no primário de 0 a 1000A é amostrada e no secundário teremos 0 a 5A. Esta aplicação é largamente utilizada em circuitos de medição, onde seria economicamente inviável medir utilizando equipamentos para altas correntes. 10. Conclusão Página 21 Transformador 11. Referencias bibliográficas FALCONE, AURIO GILBERTO, Eletromecânica Volume 1, 1ª edição, São Paulo, Editora Edgard Blucher, 1985. GUSSOW, MILTON, Eletricidade Básica, 1ª edição, São Paulo, Editora Mc Graw-Hill, 1985. COTRIM, ADEMARO A. M. B., Instalações Elétricas, 4ª edição, São Paulo, Editora Pearson Prentice Hall, 2006. http://pt.wikipedia.org/wiki/Transformador#Simbologia http://www.weg.net/br http://w1.siemens.com/entry/br/pt/ Página 22