1. A necessidade da transformação de correntes alternadas para o transporte de energia elétrica por longas distâncias levou ao desenvolvimento do transformador. 2. Os transformadores trifásicos são construídos com três núcleos magnéticos agrupados em forma de estrela, permitindo a transformação de sistemas trifásicos de energia. 3. O funcionamento do transformador se baseia nos princípios de indução eletromagnética, onde a variação do fluxo magnético no núcleo induz tensões nos enrolamentos

1. Transformadores
Heitor Bruno Oliveira Galvão
1

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. SUMÁRIO
9.4 Ensaio a vazio
10. Rendimento
3

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 4. Principio de Construção do
Transformador Trifásico
13

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 9.3 Perdas no ferro
Ciclo de histerese para materiais diferentes
39

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. 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. 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