Transformadores

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Transformador monofásico pag.2

Bobina de núcleo de magnético pag.2

Transformador ideal· pag-3

Transformador real pag.3

Esquema equivalente do transformador pag.4

Transformador adaptador de impedâncias pag.5

Ensaio transformador em curto-circuito pag.6

Corrente de curto-circuito em regime normal pag.6

Esquema simplificado pela aproximação KAPP pag.7

Corrente de curto-circuito em regime normal pag.7

Rendimento do transformador pag.8

Queda de tensão pag.8

Transformador trifásico pag.9

Constituição pag.9

Vantagens do transformador trifásico: pag.10

Vantagens do banco de transformadores monofásicos pag.10

Ligação de enrolamentos pag.10

Índice horário pag.10

Grandezas nominais pag.11

Relação de transformação trifásica: pag.11

Paralelo de transformadores trifásicos: pag.11

Refrigeração de transformadores: pag.11

Auto transformadores pag.12

Transformador medida pag.12

Transformador tensão (T.T) pag.13

Transformador Intensidade (T.I) pag.14

Transformador numero de fases pag.15

Protecção diferencial pag.15

Protecção máxima corrente pag.15

Protecção térmica pag.16

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Curso Profissional de Técnico de Instalações EléctricasMódulo 9

Transformadores monofásico

Os transformadores são máquinas eléctricas e são responsáveis pela grande expansão da electricidade. A constituição básica dum transformador é relativamente simples. O transformador monofásico é constituído apenas por duas bobinas e um núcleo de ferro e o trifásico tem, normalmente, 6 bobinas, além do núcleo.

Transformador monofásico

São transformadores que possuem apenas um conjunto de bobinas de Alta e Baixa tensão colocado sobre um núcleo.

Bobina de núcleo de magnético

Núcleo magnético é um componente chave em dispositivos elétricos e electromecânicos como electroímanes,  transformadores e indutores. Um núcleo magnético é um material magnético com uma elevação permeabilidade magnética, mas são escolhidos geralmente ser magnética “macio”, isto é, são feitos dos materiais que não mantêm um campo magnético significativo quando o campo externo é removido.

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Transformador ideal Um transformador ideal pode ser esquematizado conforme arranjo da Figura. Duas bobinas compartilham o mesmo núcleo. Todo o fluxo magnético é conduzido pelo núcleo.

A aplicação de uma corrente variável com o tempo em uma das bobinas gera um fluxo magnético que, por sua vez, induz uma tensão na outra conforme lei de Faraday.

A bobina que recebe a corrente é denominada bobina ou enrolamento primário. Na bobina ou enrolamento secundário, está presente a tensão induzida.

Transformadores práticos costumam ter apenas um enrolamento primário, mas podem ter mais de um secundário.  

Transformador realO transformador real é aquele que encontramos na prática. A potência obtida no secundário

é menor do que a potência aplicada no primário, ou seja,existem perdas.

As perdas acontecem devido aos seguintes motivos:

No enrolamento, devemos considerar a resistência do fio, que transforma parte da energia

em calor; no núcleo também existem perdas em razão dos fenômenos físicos, que fazem

com que o núcleo se aqueça, reduzindo o campo magnético

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Esquema equivalente do transformador

Nos transformadores, existem dois circuitos:1) Enrolamento Primário> recebe a energia eléctrica da fonte;2) Enrolamento secundário> entrega a energia a um circuito de carga.

Um transformador possui as seguintes grandezas:

Vp-> tensão aplicada ao primário, V; Rp-> resistência do enrolamento primário, ; Xp-> reatância do enrolamento primário, ; Zp-> impedância do enrolamento primário, ; Ep-> tensão induzida no enrolamento primário, V; Np-> número de espiras do enrolamento primário; Ip-> corrente drenada da fonte pelo enrolamento primário, A; Vs-> tensão que “aparece” nos terminais do secundário, V; Rs-> resistência do enrolamento do secundário, ; Xs-> reatância do enrolamento secundário, ; Zs-> Impedância do enrolamento secundário, ; Es-> tensão induzida no enrolamento secundário, V; Ns-> número de espiras do enrolamento secundário; Is-> Corrente induzida “entregue” à carga ligada ao secundário, A.

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Transformador adaptador de impedâncias

A função do transformador como adaptador de impedâncias, uma vez que

permite adaptar determinada carga a determinada fonte desde que seja

adoptada a relação de espiras adequa.

Ensaio transformador em curto-circuito

O objectivo do ensaio de curto-circuito é determinar os demais parâmetros do

circuito equivalente, além das perdas ocorridas nos enrolamentos de cobre,

sob condições de carga nominal. Nesse ensaio é aplicado o valor da corrente

nominal de menor valor, ou seja, a corrente do enrolamento de maior tensão,

mantendo o outro lado transformador em curto-circuito.

Corrente de curto circuito em regime normal

- Amperímetro = corrente nominal, In- Voltímetro 1 = tensão de curto-circuito, Vcc (aproximadamente 10% da tensão nominal)- Wattímetro = potencia dissipada nos enrolamentos de cobre = Perdas no cobre para o valor de carga nominal, Pcobre.

De posse desses valores é possível calcular:

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Esquema simplificado pela aproximação KAPP

Em vazio: O transformador é equivalente a uma impedância Z0. Já vimos que pelo ensaio em vazio podemos calcular o seu valor assim como I10 e Pferro.

-Em carga: Nesta situação pode desprezar-se a corrente em vazio em face da corrente de carga pelo que i1 = i´2.

É nisto que consiste a aproximação de Kapp permitindo agora ver o transformador como se fosse um gerador com uma f.m.e constante (valor eficaz) ou igual a U20 e com uma impedância interna Z (impedância longitudinal).

Tal como nos geradores de corrente continua a tensão aos seus terminais é igual á f.m.e menos a queda de tensão interna.

Corrente de curto circuito em regime normal

- Amperímetro = corrente nominal, In- Voltímetro 1 = tensão de curto-circuito, Vcc (aproximadamente 10% da tensão nominal)- Wattímetro = potencia dissipada nos enrolamentos de cobre = Perdas no cobre para o valor de carga nominal, Pcobre.

De posse desses valores é possível calcular:

Rendimento do transformador

O rendimento de um transformador pode ser definido como a percentagem de potencia útil de entrada que estará disponível na saída, considerando todas as perdas ocorridas.

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x 100%

Sendo:Potencia de entrada = potencia de saída + Σ perdas Potencia de saída = Vs.Is.cosθCosθ – Fator de potencia da carga ligada no secundário do transformador.

Queda de tensão

. Uma queda significativa da tensão pode causar efeitos prejudiciais nos motores eléctricos por ela alimentados, tais como aqueles encontrados em refrigeradores, máquinas de lavar e outros. A operação contínua com tensão baixa pode levar ao sobreaquecimento e até mesmo à queima desses equipamentos.

Uma forma de se evitar a queda de tensão com carga crescente no circuito de distribuição pode ser feita através de um regulador de tensão. Para isso é necessário saber a regulação da tensão necessária no transformador. A regulação de tensão de um transformador é definida como a mudança em módulo, da tensão do secundário, quando a corrente muda de carga total para em vazio, com a tensão do primário mantida fixa. Em forma de equação:

Regulação de tensão

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Transformador trifásico

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Transformador trifásico

É grande a importância do transformador trifásico. É através dele que a energia eléctrica chega a nossas casas, por exemplo.

Um transformador trifásico é constituído por 3 transformadores monofásicos ligados de determinada maneira.

Existem vários processos de ligar os enrolamentos dum transformador: estrela, triângulo, zig-zag.

Constituição: Com o aumento dos consumos de energia nasceu a necessidade de

fazer o transporte e distribuição de energia em sistema trifásico, o qual se mostrava bastante mais económico do que em monofásico.

Para transformar o sistema trifásico de tensões, que se obtém á saída dos alternadores trifásicos nas centrais, podemos utilizar 3 transformadores monofásicos. Num tal sistema os 3 transformadores devem trabalhar como um bloco dada a interdependência de uns em relação aos outros. A este conjunto de chama-se banco de transformadores monofásicos.

Surgiu assim a ideia de reunir os 3 transformadores monofásicos de formar um único transformador que tivesse o mesmo papel, economizado material e espaço.

Vantagens do transformador trifásico:Ocupa menos espaço e é mais leve que 3 transformadores, o que é de

grande importância nos postos de transformação de baixa potencia.É mais barato em cerca de 15%. Para esta diferença de preço

contribuem em grande parte os preços dos isolamentos de alta tensão que são elevadas. O banco requer 6 isolamentos enquanto o trifásico requer apenas 3.

Tem um maior rendimento.

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Vantagens do banco de transformadores monofásicos:Transportam-se mais facilmente, dado que é constituído por unidades

independentes.Exige uma reserva de potencia mais económica. Com efeito, quando um

transformador avaria é necessário uma unidade de reserva com a potencia S/3, enquanto que por avaria da unidade trifásica se torna necessária uma reserva com potencial total S.

O banco de transformadores, mesmo que tenha uma unidade avariada, pode continuar em funcionamento desde as ligações dos enrolamentos no primário e no secundário sejam em triângulo.

Ligação de enrolamentos:Os 3 enrolamentos primários e secundários podem ser ligados de

diferentes maneiras: em triângulo, em estrela e em ziguezague.Na ligação em ziguezague, cada enrolamento é dividido em duas partes

bobinadas sobre duas diferentes colunas, de modo a que, a corrente provoque fluxos de sentidos inversos numa coluna e noutra.

Num mesmo transformador, a associação das duas ligações de enrolamentos (primário e secundário) constitui uma ligação.

Índice horário:Trata-se de uma associação, entre os ponteiros do relógio (em horas e

minutos) e as posições dos vectores das tensões no primário e no secundário.Por exemplo, se o grupo de ligações for Yy e as tensões duma fase (no

primário e secundário), estiverem em fase, o índice é zero, a ligação denomina-se por Yy0, mas se o neutro estiver acessível denomina-se por Yy0n. Se numa ligação Yy, as tensões num enrolamento do primário e do secundário, montado na mesma coluna do transformador, estiverem em oposição de fase, que corresponde a existência de uma desfasagem de 180º, entre o vector da tensão num enrolamento do primário e o vector da tensão no enrolamento do secundário. Pensando, se no vector da tensão mais alta como o ponteiro dos minutos e, no vector da tensão mais baixa como o das horas, verifica-se que, no exemplo apontado, os ponteiros indicam as seis horas, diz-se que o índice horário é seis a ligação é Yy6.

Grandezas nominais:O valor nominal das correntes é sempre o da corrente na linha. Só na

ligação em ziguezague e em estrela, é que a corrente na linha é igual à corrente no enrolamento.

O valor nominal das tensões é a tensão composta (tanto no primário como no secundário).

A potência nominal é dada por: Sn=√3 U1n I1n=√3 U20 I2n, sendo U1n e U20 tensões compostas e I1n e I2n as intensidades das correntes na linha.

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Sintetizando, os valores nominais são os valores medidos no exterior do transformador, não os valores interiores que variam com o tipo dos enrolamentos.

Relação de transformação trifásica:Torna-se claro que se no primário e no secundário tivemos o mesmo tipo

de ligações (Yy ou Dd) então a relação entre tensões compostas ou entre tensões simples (reais ou fictícias) é igual á relação entre espiras já estudada no transformador monofásico.

Se, no entanto, as duas ligações forem diferentes então a relação entre tensões compostas Uc1 e Uc2 já não é igual a N1/N2. Senão vejamos para o transformador Yd representado na figura.

Paralelo de transformadores trifásicos:Quando dois transformadores trifásicos são

ligados, e a mesma rede alimenta os primários, e os secundários fornecem energia a uma rede comum, a sua ligação é em paralelo. Na ligação em paralelo de transformadores trifásicos, deve-se cumprir às seguintes condições: terem iguais tensões de curto-circuito, terem a mesma relação global de transformação (as mesmas tensões primárias e secundárias respectivamente), e pertencerem ao mesmo grupo de ligações.

A satisfação destas condições evita que, haja a circulação de correntes entre os enrolamentos dos dois transformadores, que até, podem atingir valores elevados.

Refrigeração de transformadores:O rendimento dos transformadores é muito elevado, mas podem libertar

quantidades de calor elevadas. Por exemplo, um transformador de 10 MVA, com um rendimento de 99%, produz uma potência térmica de 100 kW, é necessário recuar, para que a temperatura da máquina se mantenha dentro limites admissíveis.

Para refrigerar os transformadores, consoante a potência destes, empregam-se vários processos como o arrefecimento artificial no óleo obtido por circulação forçada do ar, do óleo ou de água, arrefecimento natural do óleo ou no piraleno e arrefecimento natural no ar.

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Transformadores especiais

Auto transformadores

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 Um auto-transformador é um transformador cujos enrolamentos primários e secundário coincidem parcialmente. Conforme se ilustra na Figura 13.11, os acessos ao primário e ao secundário são coincidentes ou com as extremidades ou com pontos intermédios do enrolamento, sendo um dos terminais do primário sempre coincidente com um dos do secundário. O auto-transformador é do tipo redutor quando o número de espiras do secundário é inferior ao do primário (Figura. A), e do tipo elevador no caso contrário (Figura B).

Figura Auto-transformador redutor (a) e elevador (b)

Transformador medida

Transformador de medida obtêm as grandezas a medir já reduzidas a valores convenientes e sem perigo.

O transformador de medida, para além da segurança, tem ainda a função de aumentar o campo de medida (apenas em corrente alternada) do aparelho a utilizar, tal como os "shunts" e as resistências adicionais respectivamente para os amperímetros e voltímetros.

Transformador tensão (T.T)

O transformador de tensão  (T.T.)  permite fazer a extensão do campo de medida dos voltímetros para tensões acima de 500 V.

Os transformadores de tensão e de intensidade, em conjunto ou separados, permitem também a utilização de wattímetros, contadores,

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fasímetros e frequencímetros em alta tensão assim como o funcionamento de relés de protecção.

Transformador Na figura está representado o circuito eléctrico de um transformador de tensão a alimentar um voltímetro, bem como os esquemas unifilar e multifilares correspondentes.

 

Transformador Intensidade (T.I)

O primário do transformador de intensidade é ligado em série ao circuito cuja intensidade de corrente se quer medir (fig.A). O enrolamento secundário fecha-se sobre o aparelho de medida (amperímetro, bobina amperimétrica de wattímetro, etc.). Na figura é exemplificado este tipo de ligação.

 

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Fig. A - Esquemas de T.I. Sendo a resistência dos amperímetros bastante baixa (da ordem de 1

(OHM) ou inferior) podemos dizer que o T.I. funciona em regime próximo do ensaio em curto-circuito.

Nestas condições são válidas as relações obtidas para o ensaio em curto-circuito. Como o transformador é elevador, visto que N2 > N1, temos:

 

Transformador numero de fases

Transformador número de fases Além das potencialidades já apontadas, o transformador tem ainda uma bastante importante: permite, através de uma montagem conveniente de enrolamentos, a transformação de um sistema polifásico (n fases) num outro sistema também polifásico mas com um número de fases diferente:

Podemos obter, entre outras, as seguintes transformações: Trifásico em monofásico e Trifásico em bifásico Trifásico em hexafásico (6 fases) Trifásico em dodecafásico (12 fases)

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Protecção de transformadores

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Protecção diferencial

A lógica diferencial é uma das principais metodologias aplicadas à protecção de transformadores de potência, cuja base é a comparação entre as correntes que entram e saem do equipamento, conforme ilustra a Fig.1. A figura mostra também o esquema de conexão dos Transformadores de Corrente (TC´s) acoplados em série aos ramos primário e secundário. Neste, Np:Ns é a relação de transformação entre o primário e o secundário do transformador protegido.

Protecção máxima corrente

Através de aparelhos de protecção, este tipo de aparelho é destinado a impedir ou limitar os efeitos perigosos ou prejudiciais da passagem de uma corrente de intensidade superior à admissível nas canalizações ou aparelhos de utilização, aos quais possam estar sujeitas pessoas ou instalações. Protecção contra curto-circuitos deverá ser efectuada de modo a garantir que a duração do curto-circuito seja limitada a um tempo suficientemente curto de forma que as características das canalizações e dos aparelhos não sejam afectadas

Protecção térmica

Quando o transformador tem um detector de temperatura ,tipo resistência, alimentado por um T.I , trata-se de uma Imagem térmica colocada no interior do óleo.

-Imagem térmica:Indica a temperatura do ponto mais quente no enrolamento;

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O aumento da temperatura provoca a expansão de um bolbo de mercúrio que leva ao accionamento de uma mola que move um ponteiro, quando a temperatura atinge um limite máximo os contactos fecham-se e caso a temperatura seja muito elevada pode ser necessário retirar o transformador de serviço

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