Aplicações e Características de Transformadores Elétricos, Esquemas de Cinética de Transformações de Fase

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CURSO TÉCNICO ELETROTÉCNICA

Disciplina de Transformadores

Prof. Frank Gonzatti

TRANSFORMADORES

SANTA MARIA

Ementa da Disciplina

UNIDADE 1 – DEFINIÇÕES

1.1 Princípios fundamentais 1.2 Características construtivas 1.3 Coeficiente de acoplamento 1.4 Relações no transformador ideal UNIDADE 2 – TRANSFORMADOR REAL 2.1 Circuito equivalente para um transformador real 2.2 Circuito equivalente simplificado 2.3 Regulação de tensão de um transformador 2.4 Ensaios de transformadores 2.4.1 Ensaio de regulação para diferentes tipos de cargas 2.4.2 Regulação de tensão a partir do ensaio de curto-circuito 2.4.3 Rendimento do transformador a partir dos ensaios a vazio e de curto-circuito 2.5 Identificações das fases e polaridade dos enrolamentos do transformador UNIDADE 3 – AUTOTRANSFORMADOR 3.1 Ligações de um transformador abaixador e elevador 3.2 Rendimento do autotransformador 3.3 Autotransformador variável UNIDADE 4 – TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS 4.1 Princípios de funcionamento 4.2 Características construtivas 4.3 Deslocamento angular para transformadores trifásicos 4.4 Operações em paralelo 4.5 Tipos de ligações 4.6 Transformadores de potência 4.7 As harmônicas nos transformadores

1. TIPOS DE TRANSFORMADORES

O transformador é um dispositivo capaz de transformar um nível de tensão CA em outro nível de tensão CA através da ação de um campo magnético. Essencialmente, este dispositivo é constituído de duas ou mais bobinas (enrolamentos) enroladas em um núcleo ferromagnético. Em transformadores convencionais não há conexão elétrica entre os enrolamentos. 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. Fornece isolação entre linhas de distribuição e dispositivos de medição. Conforme a aplicação tem-se diferentes tipos de transformadores, Figura 1. Figura 1 - Tipos de transformadores Tr an sf or m ad or es Potência Instrumentação Eletrônica Força Distribuição Autotransformadores Potencial (TP) Corrente (TC) Pulso Áudio-Frequência Rádio-Frequência

Transformadores de força São transformadores para geração, transmissão e distribuição de energia em concessionárias e subestações de grandes indústrias, incluindo aplicações especiais como fornos de indução, fornos a arco e retificadores, Figura 2. Potência: 5 MVA a 300 MVA. Tensões: as tensões mais comuns no Brasil vão de 230 kV a 500 kV. Uma exceção é uma das linhas CA da UHE Itaipu, que transmite em 750 kV. Figura 2 – Transformador de potência Transformadores de distribuição São transformadores para distribuição de energia ao consumidor final, comércio e residência, industrias, Figura 3. Potência: 30 kVA a 300 kVA. Alta tensão: 13,8 kV a 25 kV. Baixa tensão: 380/220 V ou 220/127 V.

Transformadores de potencial (TPs) Os TPs são transformadores de medição de alta tensão usados em conjunto com os TCs. São conectados em paralelo com o circuito medido, interferindo minimamente no funcionamento deste, Figura 5. O primário do TP é conectado ao circuito de alta tensão a ser medido e o secundário é conectado a um voltímetro. A razão entre a tensão do primário e a tensão do secundário é uma constante denominada “razão de transformação” e é determinada pelo fabricante. Figura 5 - Transformador de potencial (TP) Transformadores de corrente (TCs) TCs de alta tensão são usados em subestações para medição de corrente e proteção, Figura 6. Também existem TCs de baixa tensão, usados para monitoramento do consumo de energia em residências e outras instalações do mesmo tipo. O primário dos TCs é geralmente um só condutor e o secundário é uma bobina envolvente. Amperímetros do tipo alicate, que permitem a medição de correntes sem interrupção do circuito, também operam com base nesse princípio.

Figura 6 - Transformador de corrente Transformadores de pulso Enquanto os transformadores convencionais operam com ondas senoidais, os transformadores de pulso operam com ondas descontínuas, ondas quadradas. A principal característica destes transformadores é reproduzir o mais adequadamente possível em seu secundário o sinal injetado no primário, o que requer elevada permeabilidade e indutância de dispersão reduzida, assim como capacitância entre espiras, Figura 7. Figura 7 - Transformador de pulso

2. MODO CONSTRUTIVO DOS TRANSFORMADORES

Os enrolamentos de um transformador são isolados eletricamente do núcleo e entre si através de materiais isolantes especiais. O lado de alta tensão é composto pelo maior número de voltas, porém devido a menor corrente estes condutores são de menor bitola quando comparado ao lado de baixa tesão. O núcleo deve ser de um material de alta permeabilidade magnética e de baixa perda ôhmica. Os transformadores possuem simbologias que expressam seus dois enrolamentos (primário e secundário) como pode-se observar na Figura 10. Figura 10 - Representação de transformadores 2.1 CONSTRUÇÃO DO NÚCLEO A composição do núcleo de um transformador depende de alguns fatores como tensão, corrente e frequência. Geralmente são constituídos de material ferromagnéticos com uma curva de histerese que represente baixas perdas. Em outras palavras a curva de histerese deve ser mais fina possível, Figura 11.

Figura 11 - Curva de histerese Para minimizar a perdas por correntes parasitas ou de Foucault o núcleo é laminado, Figura 12. Figura 12 - Corrente parasitas no núcleo Elas são isoladas uma da outra, aplicado verniz e pressionadas para formar o núcleo do transformador.

Núcleo envolvente Núcleo envolvido Figura 14 - Tipos de núcleo

2. 2 CONSTRUÇÃO DAS BOBINAS Quanto as confecção e distribuição das bobinas no núcleo elas podem se diferenciar em concêntricos/tubulares ou discos/intercaladas. Concêntricos ou tubulares Neste tipo são dispostos um dentro do outro e separados por um material isolante. Devido a segurança as bobinas de BT estão próximas do núcleo, Figura 15.

Figura 15 - Bobinas concêntricas ou tubulares Discos ou intercaladas As bobinas são confeccionadas em discos menores e colocadas alternadamente entre AT e BT. Sendo que nos extremos são colocadas as de BT para facilitar o isolamento, Figura 16. Figura 16 - Bobinas em discos ou intercaladas 2.3 TRANSFORMADORES COM MÚLTIPLOS ENROLAMENTOS Os transformadores podem ser construídos com múltiplos enrolamentos primários ou secundários. Os enrolamentos encontram-se acoplados uns aos outros através de um núcleo magnético comum.

O transformador com ponto médio representado ‘e’ é utilizado na retificação de sinais sinusoidais e na geração de sinais diferenciais (sinais com amplitudes idênticas, mas sinais contrários). Com efeito, no caso particular em que os dois enrolamentos do secundário são idênticos, N 2 =N 3.

3. TRANSFORMADOR IDEAL

Transformador ideal é a representação elétrica desconsiderado qualquer tipo de perda elétrica ou magnética, assumindo que potência de entrada é igual a potência de saída. 3.1 OPERAÇÃO TRANSFORMADOR IDEAL O funcionamento dos transformadores é baseado no princípio da indução eletromagnética. O princípio de funcionamento dos transformadores é baseado na força eletromotriz variacional e = N(ΔΦ/Δt) induzida pelo fluxo mútuo que se concatena com as espiras dos enrolamentos primário e secundário. Aplicada a tensão V 1 estabelece-se no núcleo o fluxo Φ, variando no tempo, induz a tensão ‘E 1 ’ e nas espiras do secundário ‘E 2 = V 2 ’, Figura 18. Figura 18 - Fluxo produzido pelo primário Aplicada a tensão ‘V 2 ’ nos terminais da carga passa a circular a corrente I 2 que produz o fluxo no sentido contrário ao fluxo ‘Φ’, ou seja, que tende a anular o fluxo produzido no enrolamento primário; Dessa forma a reatância do primário cai fazendo com que a corrente ‘I 1 ’ aumente e consequentemente o fluxo ‘Φ’, restabelecendo-o. Assim, quanto mais carga for adicionado no secundário maior será a corrente ‘I 2 ’ e consequentemente ‘I 1 ’, Figura 19.

Usando materiais ferromagnéticos cria um caminho favorável a circulação do fluxo magnético gerado pelos enrolamentos tendo um alto fluxo mútuo e baixo fluxo de dispersão, e assim obtendo um alto grau de acoplamento entre o primário e o secundário. Deste modo é possível conseguir coeficientes de acoplamentos de até 0,998. Figura 20 - Fluxo mútuo 3.3 RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO A tensão aplicada no enrolamento do primário faz circular uma corrente: 𝑖 1 (𝑡) = 𝑖𝑝 ∙ 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) Logo o fluxo magnético mútuo é: Φ𝑚(𝑡) = Φ𝑝 ∙ 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) A tensão induzida no enrolamento do primário será: 𝑒 1 (𝑡) = 𝑁 1

𝑒 1 (𝑡) = 𝑁 1 ⋅ 𝜔 ⋅ Φ𝑝 ⋅ sen (𝜔𝑡 + 90°)

Logo o valor eficaz é: 𝑒 1 =

√^2

Como: 𝜔 = 2 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓 Logo: 𝑒 1 =

O fluxo no secundário é o mesmo do primário, logo: 𝑒 2 (𝑡) = 𝑁 2

𝑒 2 (𝑡) = 𝑁 2 ⋅ 𝜔 ⋅ Φ𝑝 ⋅ sen (𝜔𝑡 + 90°) Logo o valor eficaz é: 𝑒 2 =

Como: 𝜔 = 2 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓 Logo: 𝑒 2 =

√^2

Dividindo um por outro tem-se: 𝑒 1 𝑒 2