Transformadores Elétricos: Funcionamento e Aplicações

CONVERSÃO E CONSERVAÇÃO DE ENERGIA MARCIO BELLONI 33 2 TRANSFORMADORES ELÉTRICOS Apresentação Neste bloco vamos adentrar aos conhecimentos de máquinas elétricas mais precisamente os transformadores elétricos Veremos seu funcionamento e como o circuito eletromagnético promove as alterações de tensão e corrente para adequar a energia elétrica ao uso à que se destina Veremos também os aspectos construtivos e demais detalhes referentes à estas máquinas 21 Introdução aos transformadores elétricos As máquinas elétricas já estão sendo utilizadas pela humanidade há muitos anos Por esta razão podemos acreditar que a sociedade moderna seria impossível sem o domínio dessa tecnologia Utilizase das máquinas elétricas para a conversão de energia das mais diversas formas sendo os transformadores as máquinas elétricas que utilizam de circuitos elétricos e magnéticos para alterar as características físicas da energia elétrica Por exemplo um transformador elétrico pode ser utilizado para alterar os valores de 220V para 127V com diferenciação de número de suas espiras Para iniciar nossos estudos sobre os transformadores podemos imaginar um sistema de transmissão de energia elétrica Para a correta utilização da energia elétrica pelo consumidor final para viabilizar economicamente a sua transmissão da geração à distribuição e daí ao consumidor final é necessário adequar diversas vezes as características físicas desta energia como tensão e corrente O transformador é uma máquina elétrica constituída por duas bobinas estreitamente acopladas magneticamente Tratase de um meio de alterar os valores de tensão e corrente que entra por um de seus lados denominado Primário em valores adequados no lado de saída denominado Secundário através da indução eletromagnética 34 Os transformadores isolam os circuitos eletrônicos da rede elétrica pois seus enrolamentos encontramse eletricamente isolados Transformadores de alta frequência possuem núcleos feitos de materiais especiais e quando em baixa frequência possuem núcleos grandes e pesados São formados de dois ou mais enrolamentos sobre um núcleo que pode ser feito de material ferromagnético de forma que a bobina em que passa uma corrente elétrica consegue por meio do fluxo magnético causar a mobilidade eletrônica na outra bobina criando uma corrente elétrica A corrente no transformador deve ser alternada pois enquanto o campo magnético criado pela corrente no enrolamento primário cresce é gerada uma corrente no enrolamento secundário pois a corrente no primário é variável e crescente Quando o campo no enrolamento primário se estabiliza se torna constante a corrente cessa no enrolamento secundário Enquanto o campo magnético permanece constante no enrolamento primário não há corrente no enrolamento secundário Em contrapartida enquanto o campo magnético diminui no enrolamento primário é gerada uma corrente no enrolamento secundário com sentido oposto à anterior Isto cessa logo após o campo magnético se anular no enrolamento primário Figura 21 Transformador trifásico da Weg que possui um sistema de resfriamento à óleo Fonte WEG 2015 35 Ao analisar a figura 21 podemos dizer que se trata de um transformador trifásico resfriado a óleo Veja que ele possui três estruturas em sua parte superior de cor marrom Tratase dos isoladores Isto evita que as fases fechem circuito com a carcaça do transformador Tem também estruturas laterais que correspondem aos radiadores de calor que auxiliam na troca de calor com o lado externo resfriando o óleo do transformador Outras características podem ser apresentadas Quanto às fases em que trabalham os transformadores podem ser Monofásicos trabalham com sistemas monofásicos ou bifásicos transformando tensões de 127V em 220V ou 220V em 127V Trifásicos possuem três conexões correspondentes às 3 fases Polifásicos Utilizam mais fases e geralmente são utilizados para retificação de onda muito comum por oferecerem diversas faixas de tensão aos circuitos Quanto à finalidade Transformadores de corrente Atuam alterando os valores de corrente Por sua forma construtiva entregam valores de corrente bem definidos Transformadores de potência Atuam alterando os valores de tensão Por sua forma construtiva entregam valores de tensão bem definidos São os mais conhecidos Transformadores de distribuição São próprios para uso como abaixadores para adequar a energia elétrica a ser entregue aos consumidores na distribuição da energia Transformadores de força Ou transformadores de alta potência possuem potência de até 300MW e podem atuar em 750kV utilizados em estações abaixadoras de transmissão e distribuição 36 Quanto ao tipo do núcleo Dois ou mais enrolamentos Podem oferecer duas ou mais saídas Autotransformador As características construtivas da bobina permitem a tomada de várias tensões baseado no divisor de tensão Núcleo ferromagnético o núcleo é formado de material ferromagnético geralmente de chapas muito finas dispostas umas sobre as outras a fim de diminuir a corrente parasita Núcleo de ar o núcleo nas bobinas é preenchido com ar de forma a criar grande isolamento Transformadores toroidais Devido à sua forma causam um baixo campo magnético em sua área externa provocando baixa interferência magnética nos circuitos O uso mais proeminente dos transformadores é na transmissão e distribuição de energia elétrica Para manter o sistema sempre em funcionamento costumase utilizar os transformadores em uma configuração em paralelo Isto é muito utilizado em estações de energia elétrica para garantir a continuidade de fornecimento de energia e diminuir as perdas Contudo para se utilizar os transformadores em paralelo devese atentar aos seguintes requisitos a Igualdade de tensões e relação de transformação b Igualdade de defasagem dos diagramas vectoriais do secundário em relação ao primário c Igualdade de sequência d Igualdade de tensões de curtocircuito e Uma relação de potência compatível 37 Figura 22 Diagrama unifilar do paralelismo de transformadores Fonte Elaborado pelo autor 22 Circuito equivalente e diagrama fasorial dos transformadores Existem duas formas de encarar o transformador em estudos Ao encarálo como um transformador ideal assumese que não possui perdas Mas ao encarar o transformador como real existem perdas na transformação O transformador basicamente possuirá um lado onde se aplica a corrente e outro onde tomase uma corrente diversa Estes são nomeados de primário N1 e secundário N2 Entre estes enrolamentos primário e secundário existe uma diferença de números de espiras e denotam uma relação N1N2 Dependendo das grandezas ae b o transformador pode ser classificado como a Abaixador quando N1N2 b Elevador quando N1N2 c Isolador quando N1N2 Transformador B Transformador A Z 38 Esta relação costuma ser nomeada como a e é indicada da seguinte forma 𝒂 𝑵𝟏 𝑵𝟐 Assim a tensão e corrente do secundário serão consideradas 𝑽𝟐 𝑽𝟏𝒂 𝑰𝟐 𝑰𝟏 𝒂 Um dos efeitos da passagem da corrente no condutor é a perda pelo efeito da resistência O efeito Joule proporciona o aquecimento do condutor e a perda por resistência Ôhmica Para compreender como se comportam as reatâncias em um transformador podese utilizar de um circuito equivalente onde se apresente essas reatâncias definidas No enrolamento primário temse a presença de uma reatância R1 e um indutância L1 características deste enrolamento A reatância indutiva provocada por L1 ocorre porque o fluxo magnético presente no primário é formado por duas componentes a O fluxo magnético que ocorre por conta da corrente do primário e do secundário e que se localiza essencialmente no núcleo b O fluxo magnético que é criado pelo primário e é dispersado por ele Este fluxo disperso no primário é o L1 sendo então parte do fluxo total existente no primário Desta forma esta reatância é denominada reatância de dispersão 𝑿𝑳 𝟐𝝅𝒇𝑳𝟏 O R1 representa a queda de tensão no primário devido à resistividade dos materiais A tensão presente no primário é formada pela queda de tensão em R1 a queda de tensão em XL1 e a tensão criada pela FEM 39 Ainda no primário é possível perceber que a corrente que percorre por R1 e L1 é a corrente necessária para magnetizar o núcleo e criar uma corrente no secundário Ou seja a magnetização do núcleo pelo primário deve ser considerada incluindo R3 e L3 R3 representa a resistência de perdas no núcleo que ocorre pela indutância mútua e L3 é a indutância de magnetização formando a reatância de magnetização XL3 A corrente que percorre esse divisor estará 90 defasada com a tensão do primário À esta relação que ocorre no núcleo R3 e XL3 denominase impedância do núcleo No secundário teremos os valores de resistência e indutância como ocorre no primário Lembrese que este valor de impedância no secundário é independente da impedância da carga A tensão do secundário é formada pelas quedas de tensão que ocorrem em R2 e XL2 e a FEM gerada no núcleo Figura 23 Circuito equivalente Fonte o autor O número de espiras impacta diretamente o valor da corrente e tensão Pois a quantidade de espiras no enrolamento altera os valores de R e L no circuito T1 representa o acoplamento magnético dos circuitos do primário e secundário e as correntes que estão presentes são a corrente do primário I1 do secundário I2 e de magnetização Im Assim temos a seguinte relação 𝑵𝟏𝑵𝒎 𝑵𝟏𝑰𝟏 𝑵𝟐𝑰𝟐 𝑰𝟏 𝑵𝟐 𝑵𝟏 𝑰𝟐 Da mesma forma que o valor de corrente pode ser considerado podemos construir uma relação entre o número de espiras e os valores de tensão gerados 40 𝑽𝟏 𝑵𝟏 𝑵𝟐 𝑽𝟐 A reatância XL2 provocada pela indutância no secundário L2 também é reatância de dispersão Desta forma podese analisar alguns valores pelo diagrama fasorial em um transformador Os valores e características elétricas podem ser demonstradas pelos fasores Iniciaremos analisando um transformador sem carga Assim podemos chegar ao seguinte diagrama de circuito equivalente do transformador Figura 24 Circuito equivalente do transformador demonstrando as correntes atuantes Fonte FITZGERALD 2015 Veja que E1 e E2 são respectivamente FEMs geradas pela indução no primário e no secundário A corrente que corre no primário é I1 e é requerida pelas impedâncias no primário sendo que pelo nó verificado na magnetização percebese que a corrente I1 é formada por outras correntes 𝑰𝟏 𝑰𝑽 𝑰𝟐 A corrente que promove a magnetização é Iv sendo certo que é formada pela corrente que se perde em Rc e a que magnetiza em Xm também se perdendo 41 Evidentemente partindo do princípio que a tensão induzida E1 está em fase o fluxo magnético 𝛗 e a corrente de magnetização Im que forma Iv estão defasados em 90 desta FEM A corrente de perdas no núcleo Ic e que passa por Rc e forma Iv está em fase com a FEM E1 Como vimos a corrente Iv é formada pela corrente Ic que se percorre em Rc e a corrente Im que magnetiza em Xm Assim sua representação é a soma vetorial 𝑰𝑽 𝑰𝑪 𝑰𝒎 Figura 25 Fasor do transformador em vazio O valor de IV é formado pelas componentes Im e Ic Fonte FITZGERALD 2015 Contudo em uma situação de carga o secundário irá possuir uma corrente I2 haverá de ser considerada a impedância de curtocircuito ZCC e existirá uma defasagem entre a corrente e a tensão no secundário φ que dependerá da carga Na figura a seguir temos o primeiro caso de diagrama fasorial de um transformador com varga Lembrese que a carga indutiva oferecerá um ângulo de defasagem da corrente negativo Os fasores de corrente em amarelo e de tensão da resistência em verde são paralelos a tensão na reatância em preto está à noventa graus destes versores Perceba que a tensão oferecida do primário e que sofre a atuação de a é maior que a tensão na carga V2 UMANS 2014 42 Figura 26 Diagrama fasorial do transformador com carga indutiva Fonte o autor Na segunda hipótese com uma carga capacitiva teremos uma corrente defasada em relação à tensão em um ângulo positivo O fasor da tensão na resistência será igualmente paralela ao fasor de corrente O valor da tensão na reatância será de 90 em relação à tensão na resistência UMANS 2014 Figura 27 Diagrama fasorial do transformador Fonte o autor 23 Características elétricas dos transformadores Agora que já conhecemos os circuitos elétricos e eletricidade básica e sabemos que o valor da potência de um sistema elétrico pode ser calculado com o produto da tensão pela corrente φ I V1 a V2 I jX I R V1a I jX I R I φ 43 𝑷 𝑽 𝑰 Podemos considerar o seguinte CHAPMAN 2013 𝑵𝟏 𝑵𝟐 𝑬𝟏 𝑬𝟐 𝒂 𝑵𝟐 𝑵𝟏 𝑰𝟏 𝑰𝟐 𝟏 𝒂 231 Ensaio em vazio e ensaio em curtocircuito Para se obter os valores de impedância dos transformadores podese efetuar testes chamados ensaios de forma a conhecer os valores das características elétricas especialmente as perdas nos transformadores Apenas para relembrar as perdas Ôhmicas ocorrem no enrolamento tanto no primário como no secundário e portanto costumam ser denominadas perdas no cobre Para desenvolver o fenômeno da magnetização existem perdas no núcleo denominadas perdas de magnetização como a corrente de histerese Estes valores são verificados em ensaios Estes ensaios são a Ensaio em vazio b Ensaio em curto circuito c Ensaio em carga 2311 Ensaio em vazio Mantendo o secundário em aberto ou seja sem carga alimentase o primário com tensão nominal V e medese a corrente A e a potência dissipada W Figura 28 Esquema para montagem do ensaio em vazio Fonte EPUSP 2016 44 Neste caso a corrente i1 é basicamente formada pela corrente iv que corresponde às correntes que passam por Rc e Xm Assim podese desprezar os valores de R1 e X1 obtendose uma boa aproximação dos valores de perdas no núcleo 𝐜𝐨𝐬 𝛗 𝐖 𝐕 𝐈 𝐑𝐂 𝐕 𝐈 𝐜𝐨𝐬 𝛗 𝐗𝐦 𝐕 𝐈 𝐬𝐞𝐧 𝛗 Figura 29 Circuito equivalente do ensaio em vazio Preferese deixar o secundário como o lado de alta e o ensaio no lado de baixa por motivos de ordem prática Fonte FITZGERALD 2015 Este ensaio irá apresentar com um valor bastante aproximado a resistência RC e a reatância Xm 2312 Ensaio em curtocircuito No ensaio em vazio será fechado um curtocircuito no secundário No primário aplica se uma tensão V crescente até que a corrente A alcance seu valor nominal Medese a potência dissipada W Veja que a tensão aplicada será muito menor que a tensão nominal geralmente descrita na documentação do transformador e desta forma devese aplicar uma tensão crescente com muito cuidado no primário para não exceder o valor de corrente nominal que será alcançado rapidamente cerca de 3 a 10 da tensão nominal 45 Figura 210 Esquema para montagem do ensaio em curtocircuito Fonte EPUSP 2016 A resposta será uma impedância de curtocircuito Figura 211 Circuito equivalente do ensaio em curtocircuito É preferível que o ensaio ocorra no lado de alta e o curtocircuito ocorra no lado de baixa tensão Fonte o autor Assim sendo a reatância e resistência formam uma só impedância denominada impedância de curtocircuito Zcc formada por uma resistência rCC e uma reatância Xcc A corrente i1 é a corrente de curtocircuito icc Como o lado secundário está curto circuitado temos o valor de perda com magnetização do núcleo RC e Xm como valores desprezíveis E o que se obtém são os valores de perdas nos enrolamentos Assim os parâmetros podem ser obtidos da seguinte forma 𝒁𝒄𝒄 𝑽 𝑰 𝒓𝒄𝒄 𝑷 𝑰² 𝑿𝒄𝒄 𝒁𝒄𝒄² 𝒓𝒄𝒄² 46 232 Regulação em carga Por meio dos ensaios em vazio e em curtocircuito podese obter o valor de regulação em carga Tratase de valor que representa a alteração do valor de tensão nominal segundo a carga aplicada ℝ 𝑽𝟐𝑽𝒂𝒛𝒊𝒐 𝑽𝟐𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂 𝑽𝟐𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂 𝟏𝟎𝟎 Assim podemos concluir que em um transformador ideal a regulação seria zero pois o valor da tensão em vazio seria o mesmo que a tensão em carga afinal não há perdas Isto significa que a regulação está intimamente ligada à impedância de curtocircuito ZCC KOSOW 1982 A natureza da carga influencia os valores elétricos do transformador alterando o cos φ 233 Rendimento de Transformadores O valor de potência de saída em um transformador real não possui o mesmo valor da potência na entrada pois como vimos existem perdas a serem consideradas Assim um transformador ideal nunca possuirá um rendimento de 100 Este rendimento pode ser verificado da seguinte forma 𝜼 𝑷𝑺𝒂í𝒅𝒂 𝑷𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑷𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑷𝑷𝒆𝒓𝒅𝒂𝒔 𝑷𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝟏 𝑷𝑷𝒆𝒓𝒅𝒂𝒔 𝑷𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 24 Autotransformador Até agora verificamos transformadores que possuem enrolamentos separados conectados magneticamente entre si Contudo o autotransformador possui enrolamentos conectados e seu funcionamento baseiase na teoria dos divisores de tensão e de corrente Os enrolamentos do autotransformador não são eletricamente separados Autotransformadores possuem reatâncias de dispersão menores poucas perdas e possuem valor mais atrativo 47 Figura 212 Autotransformador demonstrando as bobinas conectadas eletricamente Fonte FITZGERALD 2015 O autotransformador poderá ser conectado como abaixador ou elevador como ocorre com os transformadores de duas bobinas separadas mas funcionará de forma diversa A relação de tensão no autotransformador funciona de forma diversa devido à sua conexão elétrica A tensão no lado de alta será a soma da tensão de N1N2 Na baixa será a tensão de N1 𝑽𝑵𝟏𝑵𝟐 𝑽𝑵𝟏 𝑽𝑵𝟐 𝑽𝑵𝟏𝑵𝟐 𝑽𝑵𝟏 𝑽𝑵𝟐 𝑵𝟏 𝑵𝟐 𝑽𝑵𝟏 𝑽𝑵𝟏 A corrente que entra em b é a soma das correntes ba e bc 𝑰𝒃 𝑰𝒃𝒂 𝑰𝒃𝒄 Assim como exemplo podemos considerar um autotransformador de 50kVA e 2400240 V que recebe 2400V no lado de alta Este colherá uma tensão N1N2 de 2640V 𝑽𝑵𝟏𝑵𝟐 𝟐𝟒𝟎𝟎 𝟐𝟒𝟎 𝟐𝟔𝟒𝟎𝑽 48 A corrente funcionará de forma diversa também pois se fosse um transformador de dois enrolamentos separados teria uma corrente de 208A na alta e 208 na baixa Mas como autotransformador recebe 228 no enrolamento de 240V pois como os enrolamentos estão conectados entre si existe um nó que soma as correntes de 208A e 208A Figura 213 Resultados e diagrama do exemplo Verifique o nó que existe quando conecta os dois enrolamentos no autotransformador Fonte FITZGERALD 2015 Conclusão Neste material foram analisados os detalhes técnicos e físicos dos transformadores notadamente suas características elétricas funcionamento ensaios para obtenção dos valores de corrente e tensão e de perdas de potência na forma dissipada Foi verificado também os transformadores abaixadores elevadores isoladores e autotransformadores seu rendimento e potência REFERÊNCIAS CHAPMAN S J Fundamentos de máquinas elétricas 5 ed Porto Alegre Mac Grae Hill 2013 49 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Transformadores resumo teórico parte II 2016 Disponível em httpsbitly2NTVi9x Acesso em 22 fev 2020 FITZGERALD A E Máquinas Elétricas Com introdução à eletrônica de potência 6 ed São Paulo Editora Artmed 2015 KOSOW I L Máquinas elétricas e transformadores Porto Alegre Globo 1982 UMANS S D Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley 7 ed Porto Alegre AMGH 2014 WEG Manual Transformador a óleo de distribuição até 300 kVA 2015 Disponível em httpsbitly2ZER8oH Acesso em 22 fev 2020