Transformadores: Princípios, Estruturas e Aplicações

Transformadores Transformador é uma máquina elétrica estática sem partes móveis no qual por meio do fenômeno da indução eletromagnética ocorre transferência de energia elétrica de um ou mais circuitos primários para outros circuitos secundários mantendo a mesma frequência porém com tensões e intensidades de corrente diferentes Os transformadores são constituídos basicamente por Núcleo Enrolamentos Transformadores utilizado em sistemas de transmissão Transformadores Transformador utilizado em sistemas de transmissão Transformadores Transformador utilizado em subestação de sistemas industriais Transformadores Transformador utilizado em subestação de sistemas de distribuição cerca de 35 metros de altura Transformadores Transformador utilizado em sistemas de distribuição alimentação da rede secundária Transformadores Corte em um transformador bobinas buchas radiador Transformadores Corte em um transformador bobinas buchas radiador Transformadores As principais aplicações dos transformadores são Adequar os níveis de tensão em sistemas de geração transmissão e distribuição de energia elétrica Isolar eletricamente sistemas de controle e eletrônicos do circuito de potência principal toda a energia é transferida somente através do campo magnético Realizar casamento de impedância de forma a maximizar a transferência de potência Evitar que a corrente contínua de um circuito elétrico seja transferida para o outro circuito elétrico Realizar medidas de tensão e corrente Um transformador pode fornecer isolação entre linhas de distribuição e dispositivos de medição Transformadores Isolação elétrica entre dois dispositivos existe quando não existe conexão física entre eles através de condutores elétricos Na figura abaixo o transformador evita que a corrente contínua de um circuito elétrico seja transferida para o outro circuito elétrico Transformadores Um transformador pode fornecer isolação entre linhas de distribuição e dispositivos de medição eg voltímetro Transformadores O transformador tem a função de transformar energia elétrica em ca de um determinado nível de tensão para um outro nível de tensão através da ação de um campo magnético Esse dispositivo consiste de duas ou mais bobinas enroladas em um núcleo ferromagnético Normalmente a única conexão entre essas bobinas é o fluxo magnético que circula pelo núcleo ferromagnético com exceção do autotransformador símbolo Transformadores Exemplo da necessidade do uso de transformadores em sistemas de potência Seja um gerador com tensão terminal de 10 kV e capacidade de 300 MW e que se deseja transmitir esta potência energia para um carga situada a um distância de 20 km Temse que If Pf Vf Pf 3000 MW Vf 100 kV Sabemos que Assim temos If 3000100 300 kA Exemplo da necessidade do uso de transformadores em sistemas de potência Sendo a resistividade do cobre 175 108 m para 20 km de linha a resistência será RL lA para l 20 km e considerando que o condutor tem uma bitola de 25 mm2 temos RL 175 108 20 10325 1032 01783 Assim a perda ôhmica de potência será Ploss RL I 2 01783 3002 160 MW Esta perda representa 1603000 100 533 Ou seja mais da metade da potência energia gerada seria perdida na transmissão Exemplo da necessidade do uso de transformadores em sistemas de potência A queda de tensão na linha é dada por VGVL V ZI V 0872 300 2616 kV Este resultado é absurdo pois a queda de tensão é maior que a tensão nos terminais do gerador 100 kV Conclusão É fisicamente impossível transmitir 300 MW de potência através de uma linha de 20 km com um nível de tensão de 10 kV Se a tensão na saída do gerador fosse 100 kV ao invés de 10 kV teríamos I 300 kA ao invés de 300 kA P 160 MW ao invés de 160 MW 053 da potência gerada V 262 kV ao invés de 2616 kV VG 1000 kV VG 100 kV Portanto as perdas e a queda de tensão estariam dentro de limites aceitáveis e fisicamente realizáveis Uso de transformadores em sistemas de potência Sistemas interligado nacional SIN Fonte ONS Operador Nacional do Sistema n k 1 Hdl ik c i AndréMarie Ampère Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica surge em torno dele um campo magnético Lei circuital de Ampère Produção de um campo magnético Transformadores Princípio de funcionamento O que acontece se energizamos a bobina 1 do transformador com uma fonte de corrente alternada O que observa a bobina 2 do transformador Transformadores Princípio de funcionamento Michael Faraday Constatações Ocorre um deslocamento do ponteiro do galvanômetro no instante em que a chave é fechada ou aberta fonte CC Para corrente constante chave fechada independentemente de quão elevado seja o valor da tensão aplicada não há deslocamento do ponteiro Transformadores Princípio de funcionamento Lei de Faraday fluxo e Michael Faraday Constatações Ao se aproximar ou afastar o ímã do solenóide bobina ocorre um deslocamento do ponteiro do galvanômetro Quando o ímã está parado independentemente de quão próximo este esteja do solenóide não há deslocamento do ponteiro do galvanômetro Transformadores Princípio de funcionamento Lei de Faraday fluxo e Michael Faraday A lei de Faraday declara que Quando um circuito elétrico é atravessado por um fluxo magnético variável surge uma fem tensão induzida atuando sobre o mesmo A lei de Faraday também declara que A fem tensão induzida no circuito é numericamente igual à variação do fluxo que o atravessa e d dt Transformadores Princípio de funcionamento Lei de Faraday fluxo e Michael Faraday Formas de se obter uma tensão induzida segundo a lei de Faraday Provocar um movimento relativo entre o campo magnético e o circuito Utilizar uma corrente variável para produzir um campo magnético variável e d dt Transformadores Princípio de funcionamento O que acontece se energizamos a bobina 1 com uma fonte de corrente continua O que observa a bobina 2 Transformadores Princípio de funcionamento Pela lei de indução de Faraday surge uma tensão induzida na bobina 2 do transformador Transformadores Princípio de funcionamento Se uma carga é conectada na bobina 2 do transformador uma corrente i2 circulará pelo mesmo Transformadores Princípio de funcionamento Efeito provocado pela colocação do núcleo no transformador Transformadores Princípio de funcionamento Relação de Transformação É a relação existente entre a corrente induzida e a corrente indutora sendo dada por Onde n1 é o número de espiras do enrolamento primário n2 é o número de espiras do enrolamento secundário Transformadores Princípio de funcionamento Como a potência empregada pela corrente no primário P1 E1 x I1 deve ser igual à obtida no secundário P2 E2 x I2 obtemos a seguinte relação Transformadores Princípio de funcionamento Autotransformadores São transformadores que possuem uma parte do enrolamento servindo em comum tanto ao primário como ao secundário Transformadores Princípio de funcionamento 1 Resistência elétrica dos enrolamentos verificar irregularidades nos enrolamentos contatos soldas etc 2 Relação de tensões verificar irregularidades nos enrolamentos quanto ao nº de espiras 3 Resistência de isolamento verificar a isolação entre enrolamentos e terra para atestar a secagem da parte ativa Transformadores Testes Ensaios de rotina realizados em um transformador 4 Polaridade verificar se o sentido dos enrolamentos está correto 5 Deslocamento angular e sequência de fase verificar se a conexão dos enrolamentos está correta de acordo com o diagrama fasorial 6 Perdas em vazio e corrente de excitação verificar perdas no ferro e corrente de magnetização do núcleo 7 Perdas em carga e Impedância de curto circuito verificar perdas nos enrolamentos e o valor da impedância de curto circuito Transformadores Testes 8 Tensão induzida verificar as isolações entre espiras do próprio enrolamento Valor teste 2 x tensão nominal do enrolamento durante 7200 ciclos 9 Determinação do fator de potência FP verificar a qualidade do processo de secagem da parte ativa Não se trata de ensaio de rotina mas em transformadores com tensão igual ou superior a 362 kV é recomendado fazêlo Transformadores Testes