Transformadores

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Transformadores

  1. 1. Transformadores Heitor Bruno Oliveira Galvão 1
  2. 2. SUMÁRIO 1. Necessidade da transformação das correntes alternadas 2. Princípios de construção do transformador trifásico 3. Principio de funcionamento do transformador 3.1 Funcionamento a vazio 3.1.1 Relação de Transformação 3.2 Funcionamento a carga 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico 5. Núcleos envolvidos e núcleos envolventes 6. Tipos de enrolamentos 6.1 Enrolamentos concêntricos ou tubulares 6.2 Enrolamentos bobinas em disco ou intercaladas 7. Construção dos enrolamentos 8. Resfriamento dos Transformadores 8.1 Transformador a Seco 8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante 9. Perdas no transformador 9.1 Perdas no cobre 9.2 Ensaio a curto-circuito 9.3 Perdas no ferro 2
  3. 3. SUMÁRIO 9.4 Ensaio a vazio 10. Rendimento 3
  4. 4. 1. Necessidadeda transformaçãodas correntes alternadas • Exigências técnicas e econômicas impõem a construção de grandes usinas hidrelétricas. • Necessidade do transporte da energia elétrica por meio de linhas de comprimento notável. • Estas realizações são possíveis em virtude da corrente alternada poder ser transformada facilmente de baixa para alta tensão e vice-versa. • Por meio de uma maquina simples e rendimento elevado: transformador. 4
  5. 5. 2. Princípiosde construçãodo transformador trifásico • O funcionamento do transformador baseia-se nos fenômenos de Mútua indução entre dois circuitos eletricamente isolados mais magneticamente ligados. • Para que a ligação magnética ocorra entre circuitos eletricamente isolados, mas magneticamente ligados, é necessário que estejam enrolados sobre um núcleo magnético de pequena relutância • Este núcleo deve ter elevada permeabilidade e por isso seus entreferros devem ser muito reduzidos 5
  6. 6. 2. Princípiosde construçãodo transformador trifásico • O enrolamento alimentado pela tensão V1 chama-se enrolamento primário, e o outro que fornece a tensão V2 chama-se enrolamento secundário. • A relação entre estas duas tensões chama-se relação de transformada. • Analogamente as duas tensões V1 e V2 são denominadas de tensão primaria e tensão secundaria 6
  7. 7. 2. Princípiosde construçãodo transformador trifásico • As correntes I1 e I2 que atravessarão os dois enrolamentos constituem a corrente primária e a secundária • Os fenômenos de mútua indução são reversíveis, então nenhuma distinção pode ser feita entre os circuitos primário e secundário. • Nenhuma distinção pode ser feita entre os enrolamentos primário e secundário, pois os dois podem funcionar indiferentemente como primário ou secundário. 7
  8. 8. 3. Principio de funcionamento do transformador • Para entendimento e análise do principio de funcionamento do transformador é necessário analisar um transformador ideal ( no qual as resistências elétricas dos enrolamentos são nulas, as perdas no ferro e as dispersões magnéticas) • Considera-se antes os seguintes funcionamentos: -> Funcionamento a vazio -> Funcionamento com carga 8
  9. 9. 3.1 Funcionamento a vazio • Se ligarmos o enrolamento primário a uma fonte de tensão alternada o fluxo produzido no núcleo induzirá tensão tanto no enrolamento primário como no secundário. • Os valores eficazes das duas f.e.m. primária e secundária, são dados por: • E1 = (10-8)*(ω)*(φM)*N1 = (10-8)*( 2𝜋𝑓 2 )*(φM)*N1 • E2 = (10-8) *(ω)*(φM)*N2 = (10-8)*( 2𝜋𝑓 2 )*(φM)*N2 • Onde dividindo membro a membro obtém-se: • 𝐸1 𝐸2 = 𝑁1 𝑁2 • A diferença entre a tensão induzida no primário e no secundário deve-se ao diferente número de espiras. • Se o secundário tiver um numero de espiras maior que o primário é um transformador elevador, onde a tensão induzida no secundário é maior do que a do primário, na proporção do número de espiras. 9
  10. 10. 3.1.1Relação de Transformação • Nos transformadores, assim como em qualquer outro tipo de dispositivo, é valido o princípio da conservação de energia, ou seja, “a energia não poder ser criada nem destruída e sim transformada de uma forma para outra”. • Assim, a potência do lado primário dever ser igual à potência no lado secundário do transformador. • Em termos de equações: P = V*I P1 = P2 V1*I1 = V2*I2 Isolando tensões e correntes de um mesmo lado: V1 V2 = I2 I1 10
  11. 11. 3.2 Funcionamento a carga • Supondo que uma impedância seja ligada entre os terminais do enrolamento secundário, de modo que a tensão induzida imponha uma corrente de carga , que irá circular pelo enrolamento secundário de espiras • Quando a corrente de carga circula no enrolamento secundário, a fmm que ela gera é cancelada por uma fmm igual e oposta no enrolamento primário, produzida por um aumento apropriado da corrente primária. • Assim, igualando as fmm devido às correntes de carga: (i1)*(N1) = (i2)*N2 • Com a ajuda do tópico anterior conclui-se que: • 𝐸1 𝐸2 = 𝑁1 𝑁2 = 𝐼2 𝐼1 11
  12. 12. 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • Para a transformação dos sistemas trifásicos podem-se empregar três transformadores monofásicos distintos e iguais entre si. • Os três enrolamentos primários destes transformadores serão alimentados pela linha trifásica primária através de agrupamento estrela ou triângulo. • Dos três enrolamentos secundários que são também agrupados em estrela ou triângulo, sai a linha trifásica secundária. 12
  13. 13. 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico 13
  14. 14. 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • Os três núcleos monofásicos estão agrupados em estrela, isto é, cada coluna externa abriga tanto o enrolamento primário com o secundário de uma fase. • A coluna central é desprovida de enrolamentos. Se os três enrolamentos primários possuem o mesmo número de espiras N1 e são alimentados por três tensões iguais e defasadas de 120° entre si, também os fluxos nas três colunas externas resultam iguais entre si e defasadas a 120° um com respeito ao outro 14
  15. 15. 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • A resultante destes três fluxos é nula: a coluna central não é atravessada por fluxo magnético, o que permite elimina-la sem que a distribuição dos fluxos nas colunas remanescentes resulte alterada. • No caso exposto, cada coluna é atravessada por um fluxo igual e oposto à resultante dos outros dois fluxos; cada coluna, portanto funcionará como retorno dos fluxos das duas outras 15
  16. 16. 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • Com a eliminação da coluna central e dada a necessidade da construção laminada, o núcleo trifásico pode ser feito segunda a disposição da figura ao lado. • Com esta disposição consegue-se a vantagem de diminuir notavelmente o peso. • As correntes magnetizantes relativas as três colunas resultarão, portanto iguais entre si, isto é, constituem um sistema trifásico e equilibrado. 16
  17. 17. 4. Principio de Construção do Transformador Trifásico • Nos transformadores trifásicos normais, com o intuito de simplificar a construção abandona- se a condição de simetria, e dá-se ao núcleo a forma indicada ao lado. • As três colunas são assim colocadas no mesmo plano para ligá-las entre si com uma simples travessa superior e inferior. • As relutância das três colunas adquire valores diferentes e as correntes magnetizantes também serão diferentes entre si. 17
  18. 18. 5. Núcleos envolvidos e núcleos envolventes • Tipos de circuitos magnéticos: núcleo envolvido e núcleo envolvente • Núcleo envolvido: neste tipo de núcleo os enrolamentos colocados sobre as colunas envolvem o respectivo circuito magnético sem serem envolvidos por estes Monofásico Trifásico 18
  19. 19. 5. Núcleos envolvidos e núcleos envolventes • Núcleo Envolvente ou Encouraçado: • No núcleo envolvente aumenta a quantidade de material ferro magnético, e consequentemente aumenta o rendimento, isso se dá porque o fluxo encontra dois caminhos paralelos internamente ao ferro. • Obtêm-se dessa forma, o máximo de acoplamento magnético, entretanto, necessita de tecnologia mais avançada na construção. Nesse tipo de transformador o núcleo envolve as bobinas. Trifásico Monofásico 19
  20. 20. 6. Tipos de enrolamentos • Independente do tipo de construção do transformador, os dois enrolamentos o de alta tensão (A.T) e o de baixa tensão (B.T) são em geral colocados na mesmo coluna. Com a intenção de reduzir a dispersão de fluxo magnético. • Nos transformadores industriais há varias maneiras de dispor os enrolamentos. Existem dois tipos de enrolamentos, o concêntrico ou tubular e em disco ou intercalado 20
  21. 21. 6.1 Enrolamentos concêntricos ou tubulares • Nesta construção os dois enrolamentos são dispostos um dentro do outro. • Quando o transformador é de alta e baixa tensão, são separados por um material isolante. • Nesta mesma figura é possível observar também que o enrolamento de baixa tensão está próximo do núcleo, isso não é por acaso, essa medida é tomada por motivos de segurança. O enrolamento de alta é dividido em varias bobinas sobrepostas e devidamente distanciadas em razão do maior número de espiras nos transformadores abaixadores. 21
  22. 22. 6.1 Enrolamentos concêntricos ou tubulares • Às vezes o enrolamento de B.T é subdividido em 2 bobinas, a primeira próxima ao núcleo e o outro externamente ao enrolamento de A.T, como pode ser visto na figura. Este arranjo das bobinas diminui consideravelmente a dispersão de fluxo. 22
  23. 23. 6.2 Enrolamentos bobinas em disco ou intercaladas • Nesta construção as bobinas são subdivididas em pequenas bobinas de comprimento axial pequeno em relação ao diâmetro (disco) ou panqueca. As bobinas de A.T e B.T se sobrepõem alternadamente como se pode ver na figura • As bobinas extremas são de baixa tensão, estas possuem metade da espessura da bobina normal de B.T, esse tipo de disposição facilita a isolação entre o núcleo e a carcaça e diminui a dispersão de fluxo 23
  24. 24. 7. Construção dos enrolamentos • Os enrolamentos de A.T e B.T têm construções diferentes. No enrolamento de A.T o problema principal é a isolação e o B.T as dificuldades se concentram no manuseio mecânico, pois elas possuem grande secção do condutor. • O enrolamento de A.T tem uma grande quantidade de espiras com secção do condutor pequena, enquanto o enrolamento de B.T possui pequena quantidade de espiras com grande secção transversal do condutor. A isolação das bobinas é feita normalmente com esmalte ou algodão. 24
  25. 25. 8. Resfriamento dos Transformadores • Em todos os transformadores é necessário se utilizar algum tipo de resfriamento, isso é de grande importância por que mesmo o transformador sendo um equipamento de grande eficiência, há perdas no núcleo e no cobre. • Essa potência é dissipada por efeito Joule (na forma de calor). Se a temperatura interna do transformador chegar a níveis críticos, deteriora a isolação dos condutores causando um curto-circuito interno, diminui a eficiência do equipamento, causa redução da vida útil e envelhecimento do óleo isolante. • Os tipos de resfriamento são: a seco e por óleo isolante. 25
  26. 26. 8.1 Transformador a Seco • Em um transformador a seco, a forma de resfriamento é o próprio ar natural, que circula o transformador ou forçado por meio de ventiladores. Transformadores de potência encapsulados em resina epóxi sob alto vácuo 26
  27. 27. 8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante • O transformador imerso em líquido isolante necessita de um tanque de aço onde a parte ativa do transformador (núcleo e bobinas) fica completamente imerso no líquido isolante. • Esse líquido isolante possui duas finalidades importantes, a primeira é isolar os elementos sob tensão do tanque e possibilitar que os arcos elétricos internos ao transformador devido às diferenças de tensão entre o primário e o secundário e tanque (carcaça), sejam rapidamente interrompidos. Transformadores de potência monofásicoimersoemóleo. 27
  28. 28. 8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante • A outra finalidade importante é de resfriar o transformador dissipando o calor produzido na parte ativa por condução e por convecção. • O óleo, em contato com as partes aquecidas do transformador fica menos denso, mais leve, o que causa um movimento ascendente, o óleo mais afastado da parte ativa fica mais denso, mais pesado, o que causa um movimento descendente, resultando uma lenta movimentação do óleo no tanque do transformador, no processo chamado de convecção. • Com esse processo transfere-se calor da parte interna para o exterior através do tanque por condução. Transformadores de potência monofásicoimersoemóleo. 28
  29. 29. 8.2 Transformador Imerso em Liquido Isolante • O líquido isolante é submetido à variação de temperatura o que faz aumentar o volume quando a temperatura cresce e reduzir quando a temperatura diminui. • Por esta razão no tanque deve existir um espaço chamado de “colchão de ar” para possibilitar “respiração do transformador”, pela variação de volume do líquido isolante e do vapor do líquido isolante decorrente da elevação da temperatura sem comprometer a pressão interna do tanque. Transformador de potência monofásicoimersoemóleo. 29
  30. 30. 8.3 Radiadores • Os radiadores tubulares ligam a lateral inferior, a lateral superior do tanque do transformador. • No interior dos radiadores tubulares passa o óleo dissipando o calor para o ambiente externo. Cumpre assim a necessidade de aumento da superfície do tanque em contato com o ambiente. Transformadorcom radiadortubular 30
  31. 31. 8.3 Radiadores • Os radiadores de chapa ou achatados têm a mesma finalidade do radiador tabular, porém com a vantagem de utilizar maior quantidade de radiador ocupando menor espaço que o radiador tubular ocuparia. • Nesse radiador o óleo passa por um tubo achatado com maior área e menor espessura por seu interior dissipando o calor para o ambiente externo. Radiadordechapascomconservadorde óleo 31
  32. 32. 8.4 Tipos de óleo isolante • O líquido isolante utilizado nos transformadores é o óleo mineral, a função desse óleo é a de isolação e resfriamento. • O óleo mineral é um isolante melhor que o ar. Os transformadores de distribuição, com tensão acima de 1,2kV, são construídos de maneira a trabalharem imersos em óleos isolantes. • Os óleos isolantes possuem dupla finalidade: garantir isolação entre os componentes do transformador e dissipar para o exterior o calor gerado nos enrolamentos e no núcleo. • Para que o óleo possa cumprir satisfatoriamente as duas condições acima, deve estar perfeitamente livre de umidade e outras impurezas para garantir seu alto poder dielétrico. É considerado bom, o óleo com rigidez dielétrica superior a 30kV/mm. 32
  33. 33. 8.4 Tipos de óleos isolantes • Óleo mineral de base naftênica: O de base naftênica (tipo A), utilizado em equipamentos para tensões superiores a 145kV. • Óleo mineral de base parafínica :o de base parafínica (tipo B), é usado em equipamentos com tensão igual ou inferior a 145kV. • Óleo de silicone: ao contrário dos óleos minerais, este tipo de fluido possui baixa inflamabilidade, reduzindo sensivelmente uma eventual situação de incêndio. Pois no caso de combustão do óleo, forma-se na superfície uma camada de sílica extinguindo a chama. • Óleo vegetal isolante para transformadores: é usado também o óleo rtemp que é um óleo vegetal isolante de alto ponto de fulgor com características semelhantes ao silicone. 33
  34. 34. 9. Perdas no transformador • A energia no primário é transferida para o secundário, mas parte dessa energia é dissipada em forma de calor no cobre (condutores do primário e secundário) e no ferro (correntes parasitas ou Foucault e Histerese). • Para reduzir estas perdas haverá necessidade de resfriamento do transformador ou instalá-lo em local bem ventilado 34
  35. 35. 9.1 Perdas no cobre • As perdas no cobre representam a energia dissipada nos condutores dos enrolamentos. • A perda no cobre varia com a carga do transformador. Ao passar corrente nos enrolamentos, há perdas de energia por efeito Joule, a equação seguinte calcula a potência dissipada no cobre. P = (R)*(I²) • R - Resistencia elétrica do enrolamento primário ou secundário • I - Corrente do primário ou do secundário 35
  36. 36. 9.2 Ensaio a curto-circuito • No ensaio a curto-circuito do transformador pode-se medir a perda nos enrolamentos (no cobre), e utilizado para determinar o seu rendimento. • Alimentando-se com tensão variável, pelo lado de tensão mais alta e estando os terminais de tensão mais baixa em curto-circuito, até que a corrente nominal primária 𝐼𝑛1 seja lida no amperímetro. Neste ponto lê-se também a tensão de curto-circuito (𝑉𝑐𝑐) e a potencia de curto-circuito (𝑃𝑐𝑐). • Com estes valores pode-se calcular a impedância equivalente, 𝑍𝑒=𝑉𝑐/𝐼𝑛1 e a resistência equivalente, 𝑅𝑒=𝑃𝑐𝑐/𝐼𝑛12. • A resistência equivalente do transformador de terminada no ensaio e curto- circuito representa unicamente a perda no cobre por feito Joule e depende diretamente da carga ligada ao transformador. 36
  37. 37. 9.3 Perdas no ferro • Quando um fluxo magnético atravessa uma massa metálica (núcleo), essa massa fica sujeita a uma fmm, que produz grandes correntes chamadas de correntes parasitas ou correntes de Foucault. Estas correntes não transferem energia para o secundário, apenas aquecem o núcleo. Uma forma de reduzir essas correntes parasitas é aumentar a resistência elétrica do núcleo. 37
  38. 38. 9.3 Perdas no ferro • Outra perda no ferro é a histerese magnética. Essa perda depende do material usado na construção do núcleo. • Quando uma corrente alternada no primário inverte seu sentido, há também inversão de polaridade no campo magnético circulante no núcleo. • A inversão do campo no núcleo consome certa quantidade de energia na forma de calor que representa a perda por histerese. • Alguns materiais, como o aço silício de grãos orientados, mudam a polaridade do campo facilmente por que os grãos estão orientados no sentido do fluxo magnético, isso reduz as perdas por histerese. • A perda por histerese é representada pelo ciclo histerético cuja forma depende da qualidade do material ferromagnético do núcleo 38
  39. 39. 9.3 Perdas no ferro Ciclo de histerese para materiais diferentes 39
  40. 40. 9.4 Ensaio a vazio • No ensaio a vazio do transformador pode-se medir a perda no ferro (núcleo), e utilizado para determinar o seu rendimento. • Alimentando-se com tensão e freqüência nominais, pelo lado de tensão mais baixa e estando os terminais de tensão mais alta em aberto, mede-se a tensão nominal (𝑉𝑛), corrente de magnetização (𝐼𝑚) e a potencia a circuito aberto, (𝑃𝑐𝑎). • Assim obtêm-se as perdas no núcleo caracterizadas pelas perdas por correntes parasitas e pela histerese magnética, considerando que no enrolamento em aberto a corrente é nula sendo, portanto igual a zero a perda Joule. 40
  41. 41. 10. Rendimento • O rendimento de um transformador é a relação entre a potência de saída e a potência de entrada, desconsiderando- se as perdas na transformação e o tipo de carga alimentada, (resistiva, indutiva ou capacitiva) 𝜂=𝑃2/𝑃1 • 𝑃2=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑜 (𝑊) • 𝑃1=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 (𝑊) • A diferença entre a potência de entrada e a potência de saída corresponde às perdas no cobre, correntes parasitas e histerese 41
  42. 42. 10. Rendimento • 𝑃1−𝑃2 = 𝑃𝐹𝑒+𝑃𝐶𝑜 • Lembrando que: 𝑃𝐹𝑒= 𝑃𝐻+𝑃𝑐𝑝 • Considerando as perdas fixas e sem importar o tipo de carga nem o nível de carregamento do transformador, ou seja, da quantidade de potencia alimentada em relação a potencia nominal do transformador • 𝜂=𝑃2/(𝑃2+𝑃𝐶𝑜+𝑃𝑐𝑝+𝑃𝐻) 42

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