Dimensionamento e Construção de Transformador Monofásico de Baixa Potência

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DIMENSIONAMENTO E CONSTRUÇÃO DE UM TRANSFORMADOR 
MONOFÁSICO DE BAIXA POTÊNCIA 
SIZING AND CONSTRUCTION OF A LOW POWER SINGLE-PHASE TRANSFORMER 
 
NOVAES, Matheus Vilela; PACHECO, Rafael Silva Nogueira; CAIRES, Leonardo Souza1 
 
Grupo Temático 2. Conteúdos educacionais – da produção à exibição 
Subgrupo 2.1 Produção de materiais didáticos: diferentes mídias, diferentes olhares 
 
Resumo: 
Este trabalho apresenta o processo de dimensionamento e o resultado da construção de 
um transformador abaixador monofásico de 285,6 VA com uma relação de 
transformação de 220/110 V. O trabalho foi uma abordagem prática dos conceitos de 
transformadores da disciplina Conversão Eletromecânica do curso de Graduação em 
Engenharia Elétrica do Instituto Federal da Bahia (IFBA). Neste trabalho também foi 
discutida a importância dessa abordagem prática na formação do aluno de Engenharia, 
assim como as limitações e disposições que a Educação a distância (EaD) apresenta 
nesse âmbito. O dimensionamento dos componentes foi inserido na base de cálculos do 
software MATLAB no ambiente GUIDE (GUI – Graphical User Interface). Além disso, 
tornou possível a obtenção de determinados parâmetros através de curvas específicas. 
Em seguida, foi realizado o processo de obtenção dos materiais necessários para 
construção do protótipo projetado. Posteriormente, o transformador projetado foi 
montado. Testes de ensaio foram necessários para verificar a continuidade dos 
enrolamentos e identificar possíveis falhas no processo. Os testes em laboratório 
apresentaram uma tensão de 213 V no primário e uma tensão no secundário de 123 V. 
As vibrações no núcleo do protótipo não foram observadas. Portanto, em pleno 
funcionamento, os valores de tensão avaliados se mantiveram próximos ao esperado, 
conclui-se, por conseguinte que o projeto da construção do transformador obteve êxito. 
Palavras-chave: Transformador, ensaios, dimensionamento. 
 
Abstract: 
This work presents the dimensioning process and the result of the construction of a 285.6 
VA single-phase step-down transformer with a transformation ratio of 220/110 V. The 
work was a practical approach to the concepts of transformers in the Electromechanical 
Conversion discipline of the Graduation in Electrical Engineering from the Federal 
Institute of Bahia (IFBA). In this work, the importance of this practical approach in the 
training of Engineering students was also discussed, as well as the limitations and 
dispositions that distance education (DE) presents in this context. The dimensioning of 
the components was inserted in the calculation base of the MATLAB software in the 
GUIDE environment (GUI - Graphical User Interface). In addition, it made it possible to 
obtain certain parameters through specific curves. Then, the process of obtaining the 
necessary materials for the construction of the projected prototype was carried out. 
Subsequently, the designed transformer was assembled. Test tests were necessary to 
verify the continuity of the windings and to identify possible flaws in the process. The 
laboratory tests showed a voltage of 213 V in the primary and a voltage in the secondary 
of 123 V. The vibrations in the core of the prototype were not observed. 
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1IFBA 
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Therefore, in full operation, the voltage values evaluated remained close to the expected, 
it is concluded, therefore, that the design of the construction of the transformer was 
successful. 
Keywords: Transformer, tests, dimensioning. 
1. Introdução 
Na segunda metade do século XIX, no período conhecido como “Segunda Revolução 
Industrial” ocorreram grandes avanços tecnológicos, e no final daquele século, a fim de 
transmitir corrente alternada a longas distâncias, fez-se necessário a invenção de um 
dispositivo que elevasse e abaixasse os níveis de tensão. Assim, em 1831, Michael Faraday 
inventou o transformador elétrico. 
Segundo Jordão (2008), o transformador exerceu papel fundamental no atual 
desenvolvimento dos sistemas elétricos de potência. Devido às ordens técnicas e 
econômicas, entre a geração da energia elétrica e sua utilização, é necessário realizar esta 
transferência em diversos níveis de tensão, com finalidade de obter menores custos, maior 
segurança e eficiência. 
Este dispositivo é composto basicamente por um núcleo de um material com 
facilidade em imantar, e duas bobinas chamadas de ‘primário’, a bobina que recebe a 
tensão, e ‘secundário’, a bobina que sai a tensão transformada. Seu funcionamento segue o 
princípio da indução de uma corrente no secundário, por meio da variação do fluxo de 
campo magnético no primário (Física, 2008). 
Desta forma, esse trabalho teve como propósito dimensionar e construir um 
transformador monofásico de baixa potência com uma relação de transformação de 
220/110 V. Após a confecção, conduziram-se ensaios no transformador a fim de confirmar 
seus parâmetros práticos em consonância com os seus parâmetros teóricos calculados. Além 
disso, foi discutida a necessidade de encontros presenciais para execução de atividades 
práticas na educação da Engenharia, abordando as limitações encontradas pelos alunos 
durante a realização deste projeto, e as possibilidades por meio da EaD. 
 
2. Material e métodos 
Inicialmente, alguns parâmetros foram definidos para realizar o dimensionamento do 
transformador, são estes: frequência (f = 60 Hz), tensão de entrada (V1 = 220 V) e tensão de 
saída (V2 = 110 V). 
Dessa forma, objetivando-se utilizar as lâminas de aço de algumas carcaças de 
transformadores que não funcionavam mais, disponíveis no IFBA, se processou o 
desenvolvimento de um software no MATLAB a fim de obter as curvas do rendimento em 
função da largura e do comprimento do núcleo para seleção da melhor opção de lâmina 
dentre as disponíveis. Esse processo, sem a ferramenta computacional, demandaria grande 
esforço de cálculo. Os dados inicialmente definidos foram utilizados para esta simulação. A 
Figura 1 apresenta o gráfico do rendimento em função da largura do núcleo e a Figura 2 
mostra a curva rendimento versus comprimento do núcleo. Em verde são destacados os 
intervalos nos quais a construção do transformador é viável e em vermelho são os intervalos 
em que a construção é inviável, conforme metodologia apresentada por Martignoni (1991). 
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Figura 1. Gráfico do rendimento do transformador em função da largura do seu núcleo. 
 Fonte: Autoria Própria. 
 
 
Figura 2. Gráfico do rendimento do transformador em função do comprimento do seu 
núcleo. 
Fonte: Autoria Própria. 
 
Também por meio do software verificou-se a resposta da potência de saída em 
função da variação da largura do núcleo. Esta reposta é apresentada na Figura 3. 
 
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Figura 3. Gráfico da potência de saída do transformador em função da largura do seu 
núcleo. 
Fonte: Autoria Própria. 
 
Assim, dentre as lâminas disponíveis, utilizou-se uma com largura de núcleo de b = 
4,0 cm. E como construtivamente é vantajoso que a forma do núcleo seja próxima da forma 
quadrada (MARTIGNONI, 1991), o transformador foi construído com largura da coluna 
central 𝑎 = 4,5 cm. 
A partir dos parâmetros escolhidos, foi projetado a interface gráfica no MATLAB. 
Neste trabalho foi utilizado o ambiente GUIDE devido sua maior simplicidade e melhoria de 
intuição na escolha dos parâmetros durante o processo de projeto (pois o fluxo do código é 
guiado por indicações externas chamadas de eventos). A Figura 4 apresenta a interface do 
usuário desenvolvida. A metodologia de projeto utilizada teve como base o livro Martignoni 
(1991). 
Através dessa interface, estudantes podem inserir valores desejados de potência (de 
até 1kVA), corrente de entrada e saída e obter os parâmetros de construção do 
transformador. Dos parâmetros destacam-se dois deles: o número de espiras do primário e 
secundário. Essa informação possibilita a reprodução do trabalho de maneira fidedigna. Em 
conjunto, no que tange o aprendizadoà distância, poderão ser disponibilizadas apostilas e 
videoaulas que complementam o uso dessa ferramenta. Deste modo, torna-se um 
importante artefato também no Ensino a Distância (EaD), podendo ser disponibilizada para 
acesso remoto e reproduzido com baixo custo, complementando o aprendizado. 
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Figura 4. Parâmetros do transformador gerados pelo programa. 
 Fonte: Autoria Própria. 
 
A potência de saída do transformador, PS, calculada foi de 285,6 VA. 
Assim, a Tabela 1 apresenta os materiais que foram utilizados para confecção do 
transformador, da sua estrutura de apoio e da conexão elétrica, e os seus respectivos custos. 
 
Tabela 1. Quantidade e custo do material utilizado para construção do transformador. 
Quantidade Material Custo Total (R$) 
600 g Fio AWG17 esmaltado 28,00 
1000 g Fio AWG20 esmaltado 47,00 
2 u. Carretel para fio 8,00 
2 m Cabo flexível 2,5 mm 2,00 
1 un. Plug macho – 10 A 4,50 
4 un. Borne para plug-in banana 7,60 
35 cm Papel Kraft 5,00 
1 un. Fita crepe 2,60 
1 un. Carretel de transformador (Sucata) 
-- Lâminas de aço silício para transformador (Sucata) 
200 cm2 MDF (Sucata) 
Valor Total 104,70 
Fonte: Autoria Própria. 
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Informações referentes ao custo total mostram que o projeto e montagem podem 
ser reproduzidos em baixo custo. É possível também a utilização de equipamentos 
danificados para reduzir os valores investidos na montagem (reutilização das lâminas do 
núcleo de um transformador defeituoso). 
Após finalizar a construção e montagem foram realizados ensaios práticos a fim obter 
os parâmetros do transformador, e outros parâmetros foram mensurados por meio da 
teoria. Estes ensaios foram feitos no laboratório de Máquinas Elétricas do Instituto, 
utilizando alguns equipamentos disponíveis, como multímetro digital, wattímetro, variac 
(variador de tensão) e cabos de conexão. 
 
3. Resultados e discussão 
A Figura 5 apresenta o transformador finalizado, montado sob a placa de MDF e com 
seus devidos conectores e identificação dos lados de baixa e alta tensão. 
 
 
Figura 5. Transformador monofásico construído. 
Fonte: Autoria Própria. 
 
Buscando identificar possíveis falhas nos enrolamentos, como curtos-circuitos, foram 
realizados testes de ensaio verificando-se a continuidade dos enrolamentos e a isolação 
entre eles. 
O transformador, analisado como um dispositivo não ideal, contém uma série de 
perdas. As suas principais são as perdas no cobre, perdas por fluxo de dispersão, perdas por 
correntes parasitas e perdas por histerese. As perdas no cobre são perdas devido ao efeito 
Joule que ocorrem em ambos os enrolamentos tanto no primário quanto no secundário. A 
resistência do enrolamento pode ser estimada através da tabela de AWG, que dispõe dos 
valores de resistência por metro (𝜌𝑖) a depender da seção transversal do condutor. A partir 
desse valor, do número de espiras (𝑁𝑖) e do comprimento médio de cada espira (𝑙𝑖), 
conforme Fitzgerald (2006), foi possível estimar a resistência (𝑅𝑖) do enrolamento. 
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Logo, utilizando os parâmetros conhecidos, as resistências dos enrolamentos 
primário (𝑅1) e secundário (𝑅2) encontradas foram R1 = 3,45 Ω e R2 = 0,943 Ω. 
No enrolamento primário, o fluxo disperso induz uma tensão que se soma àquela 
produzida pelo fluxo mútuo. Como na maior parte do caminho, o fluxo está disperso no ar, 
esse fluxo e a tensão variam linearmente de acordo com a corrente do primário 𝐼1, sendo 
assim representado por uma indutância de dispersão de cada enrolamento 𝐿𝑖 e, portanto, 
por uma reatância de dispersão 𝑋𝑖. Com isso, de acordo com a metodologia utilizada por 
Martignoni (1991) para cálculo das indutâncias dos enrolamentos, temos que L1 = 126,33 µH 
e L2 = 78,09 µH. 
De acordo as dimensões do objeto, a reatância de dispersão do primário é dada por: 
𝑋1 = 2𝜋 ⋅ f ⋅ 𝐿1 = 2𝜋 ⋅ (60 Hz) ⋅ (126,33 µH) = 47,63 mΩ 
 Para o secundário, temos: 
𝑋2 = 2𝜋 ⋅ f ⋅ 𝐿2 = 2𝜋 ⋅ (60 Hz) ⋅ (78,09 µH) = 29,44 mΩ 
Dessa forma, a Tabela 2 expõe o resultado dos cálculos das impedâncias dos 
enrolamentos vistas pelo lado de alta tensão. 
 
Tabela 2. Impedâncias equivalentes dos enrolamentos do transformador. 
Módulo da impedância equivalente - |ZEQ| 6,56 Ω 
Resistência equivalente – REQ 110,50 V 
Reatância equivalente - XEQ 145m Ω 
Fonte: Autoria Própria. 
 
Perdas por correntes parasitas são também conhecidas como correntes de Focault, e 
estão relacionadas ao aquecimento do núcleo que se deve à corrente induzida que circula 
nas chapas do material ferromagnético (𝐼𝜑). A resistência de magnetização (𝑅𝑐) juntamente 
com a reatância de magnetização (𝑋𝑚) formam o ramo de excitação do circuito equivalente. 
A combinação em paralelo de 𝑅𝑐 𝑒 𝑋𝑚 será referida como impedância de magnetização (𝑍𝜑) 
(referido ao lado de baixa tensão). 
Para determinar os valores de 𝑅𝑐 𝑒 𝑋𝑚, faz-se um ensaio em aberto (ou a vazio) no 
transformador, onde são obtidas a potência, a tensão e a corrente de circuito aberto (𝑃𝑐𝑎, 
𝑉𝑐𝑎 e 𝐼𝑐𝑎, respectivamente). A partir disso, os parâmetros desse ensaio são calculados. 
No ensaio a vazio do transformador, os seguintes valores foram obtidos: 
 
Tabela 3. Resultado do ensaio a vazio do transformador. 
Potência de circuito aberto - PCA 8,75 W 
Tensão de circuito aberto - VCA 110,50 V 
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Corrente de circuito aberto - ICA 194 mA 
Fonte: Autoria Própria. 
A partir dos dados da tabela acima, obteve-se a reatância de magnetização (𝑋𝑚) e a 
resistência do núcleo (𝑅𝑐). 
 
Tabela 4. Impedâncias do núcleo do transformador. 
Módulo da impedância de magnetização - Zϕ 569,59 Ω 
Resistência do núcleo - RC 1395,43 Ω 
Reatância de magnetização - XM 623,93 Ω 
Fonte: Autoria Própria. 
 
 4. Conclusão 
Este trabalho apresenta os resultados de um processo de dimensionamento e 
construção de um transformador de baixa potência, com relação de tensão de entrada saída 
220/110 V. Por meio deste, observou-se de maneira prática o funcionamento dos 
transformadores abaixadores de tensão. Assim como, foi possível compreender o princípio 
de indução eletromagnética e analisar a relação entre enrolamentos primário e secundário 
do transformador, suas impedâncias e suas perdas associadas. 
O trabalho, como uma abordagem prática da disciplina de Conversão Eletromecânica, 
foi fundamental para permitir que os alunos experimentassem o conteúdo trabalhado em 
aulas teóricas. Foi construída uma plataforma no ambiente GUIDE que pode ser 
disponibilizada para Ensino a distância (EaD). Essa plataforma permite o projeto de 
transformadores com potências de no máximo 1 kVA, de maneira interativa e com baixo 
custo. Medidas de tensão de entrada e saída também poderão ser realizadas por projetistas 
a distância, contanto que tenham em casa um aparelho multímetro. 
Entretanto, para realização dos ensaios foi necessário a utilização de equipamentos 
disponíveis no laboratório da instituição. São equipamentos que dificilmente o aluno possui 
em casa. Assim, a realização destes testes fica atrelada a disponibilidade de equipamentos 
da instituição e ao acompanhamento do professor-orientador no uso do laboratório, sendo 
necessários encontros presenciais para sua realização. 
A Educação a distância revolucionou o processo de aprendizagem, permitindo um 
ensino mais moderno, acessível e prático. Entretanto, na área das Engenharias as aulas 
presenciais de laboratório são de fundamental importância, pois permitem que os discentes 
experimentem na prática o conteúdo teórico, utilizando equipamentos e materiais 
disponibilizados pela instituição os quais, na maioria das vezes, o aluno não tem como 
suporte em casa. 
No transformador montado, foi realizado em laboratório um ensaio em vazio, no qual 
foi obtida medida a impedância do núcleo e comparada com a estimada na base de cálculos. 
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O ensaio em curto, por sua vez, não pôde ser realizado devido a limitação do Wattímetro 
disponível no laboratório, pois estesó funcionava a partir de 40 V, valor que não era 
alcançado com a corrente nominal do primário do transformador equivalente a 1,43 A e 
secundário em curto. 
Ao final do desenvolvimento do trabalho, a tensão de saída do transformador foi de 
123 V para uma entrada de 213 V, quando se esperava uma tensão por volta de 106,5 V. 
Esta diferença provavelmente está associada a erros na confecção do transformador, como 
no número de espiras e na uniformidade da disposição dos enrolamentos. Outro fator pode 
ser algumas aproximações adotadas nos cálculos, por exemplo, no dimensionamento dos 
fios utilizados. 
 
Referências 
Física, Só. Transformadores. 2008. Disponível em: 
<https://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/InducaoMagnetica/transforma
dores.php>. Acesso em: 01 mar. 2020 
Fitzgerald, A. E.; Kingsley Jr, C.; Kusko, A. Máquinas Elétricas: com introdução à eletrônica 
de potência. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. 648p. 
Jordão, R. G. Transformadores: teoria e ensaios. 1 ed. São Paulo: Blucher, 2008. 1p. 
Martignoni, A. Transformadores. 8 ed. São Paulo: Globo, 1991. 307p.