20171024 235538 11 TRANSFORMADORES 25 10 2017 Teoria

Prévia do material em texto

1.7 
 
ELETROMAGNETISMO ( 25/10/2017 Máquinas Elétricas ): 
TRANSFORMADORES. (TEORIA). 
 
TRANSFORMADOR ELEMENTAR 
Um transformador é um equipamento usado para reduzir ou aumentar a tensão elétrica. É 
constituído de um enrolamento primário (onde se aplica a tensão de entrada), um 
enrolamento secundário (onde se obtém a tensão de saída desejada) e um caminho para o 
fluxo magnético, construído de material ferromagnético (Figura 1). Quando a tensão no 
lado primário é maior que a tensão no lado secundário, diz-se que o transformador é 
“abaixador”. Quando a tensão no primário é menor que no secundário, o transformador é 
chamado de “elevador”. 
 
 
FUNCIONAMENTO DO TRANSFORMADOR 
Seu funcionamento baseia-se nas leis de Faraday e de Lenz. Já se estudou que a 
movimentação de um campo magnético sobre um condutor faz surgir uma tensão induzida 
em seus terminais, isto é, um campo magnético variável produz fluxo magnético variável, 
o qual produz a tensão induzida. Na Figura 1, alimentando-se o primário com uma tensão 
variável (senoidal, por exemplo), fará surgir um fluxo magnético variável no núcleo 
ferromagnético. Este fluxo variável atingirá o enrolamento secundário, produzindo então 
em seus terminais uma tensão variável induzida. Se for utilizada uma tensão de qualquer 
tomada no Brasil, esta tomada terá uma tensão senoidal com freqüência de 60 Hz, isto fará 
surgir no secundário uma tensão também com freqüência de 60 Hz. 
 
 
Importante: um transformador não funciona com corrente contínua! 
Uma propriedade muito importante nos transformadores e que o torna tão útil é a relação 
entre o número de espiras nas bobinas dos enrolamentos primário e secundário e os valores 
das tensões e correntes obtidas. A expressão abaixo mostra esta relação. 
 
2.7 
 
Sendo: Vprim = tensão no aplicada no enrolamento secundário em volts. 
 Vsec = tensão obtida no enrolamento secundário em volts. 
 Nprim = número de espiras do enrolamento primário. 
 Nsec = número de espiras do enrolamento secundário. 
 a = relação de transformação. 
Da equação anterior se conclui que quanto maior o número de espiras do primário em 
relação ao número de espiras do secundário, maior será a relação de transformação “a” e, 
portanto, maior será a diferença de tensão entre o lado primário e o lado secundário. A 
seguinte fórmula empírica ajuda a determinar o número aproximado de espiras do 
enrolamento primário, quando este não é conhecido. 
 
Sendo: Vprim = tensão no aplicada no enrolamento secundário em volts. 
 f = frequência em hertz. 
 Sn = seção transversal do núcleo em cm². 
 B = densidade magnética do núcleo em gauss. 
A densidade magnética varia conforme o material utilizado no núcleo e seus valores 
podem ser obtidos na curva de magnetização do material. Os valores mais comuns 
para núcleos construídos com aço ao silício são: 
 8000 gauss (2% de silício). 
 10000 gauss (3% de silício). 
 12000 gauss (4% de silício). 
 
Outra propriedade importante do transformador é que ele não aumenta nem diminui a 
potência de um sistema elétrico. Isto é, a potência que entra no lado primário, sairá no 
secundário. Lembrando a equação: 
 
 
Sendo: P = potência elétrica em watts. 
 V = tensão elétrica em volts. 
 I = corrente elétrica em ampères. 
E aplicando a propriedade, pode-se escrever: 
 
 , isto é a potência do primário é igual à potência do secundário. 
Daí resulta: 
 
 
Isto que dizer que além da tensão ser diferente nos lados primário e secundário, também a 
corrente será diferente. No lado de maior tensão circulará a corrente de menor intensidade 
e no lado de menor tensão circulará a corrente de maior intensidade. 
3.7 
 
CORRENTES DE FOUCAULT (CORRENTES PARASITAS) 
As correntes induzidas são produzidas não somente nos fios condutores, mas em qualquer 
condutor maciço, em movimento, num campo magnético ou atravessado por um fluxo 
magnético variável. Dentro de um material condutor podemos encontrar vários percursos 
fechados para a circulação de uma corrente. Em cada percurso fechado o fluxo magnético 
varia com o tempo; portanto tensões induzidas fazem circular correntes induzidas no 
interior do material condutor maciço. Estas correntes induzidas são chamadas de Correntes 
de Foucault. As Correntes Parasitas ou Correntes de Foucault são correntes que circulam 
em núcleos metálicos sujeitos a um campo magnético variável. Observando-se de frente e 
em corte, pode-se perceber que as correntes parasitas são pequenos círculos concêntricos 
como mostra a Figura 2. Pode-se perceber também que em cada ponto no interior do 
núcleo a corrente é nula, pois o efeito de uma corrente é anulado por outra. No entanto, 
isso não acontece na periferia. Aí as correntes, todas com mesmo sentido, se somam e 
circulam pela periferia do núcleo. Isso faz com que o núcleo se aqueça por efeito Joule, 
exigindo uma energia adicional da fonte. 
 
 
Estas correntes podem atingir valores muito elevados, provocando aquecimento do 
material. Se este aquecimento for indesejado, ele constitui as chamadas Perdas Foucault. É 
por essa razão que essas correntes são chamadas de parasitas. Este aquecimento pode ser 
utilizado nos fornos de indução, usados para fundir metais. Para reduzir o efeito das 
correntes parasitas, principalmente em transformadores, deve-se laminar o núcleo na 
direção do campo, isolando-se as chapas entre si. Isso impede (ou pelo menos reduz) que 
as correntes se somem e as perdas por efeito Joule serão menores. Também se podem 
reduzir os efeitos das correntes de Foucault através da adição de elementos que aumentem 
a resistividade do núcleo (como o Carbono), sem, no entanto, comprometer as 
propriedades magnéticas do núcleo. 
 
Apesar de serem na maioria dos casos indesejáveis, as correntes de Foucault têm sua 
aplicação prática na confecção de medidores de energia a disco de indução, relés e freios 
eletromagnéticos. Com a aplicação da Lei de Lenz, essas correntes induzidas opõem-se ao 
movimento que as produz. Por exemplo: seja um disco de cobre colocado entre os pólos de 
um eletroímã, como mostra a Figura 3. Fazendo o disco girar, o movimento não oferece 
dificuldade enquanto o eletroímã não for ligado. 
 
4.7 
 
 
 
Quando o eletroímã for ligado, no disco surgem correntes induzidas que se opõem ao 
movimento, fazendo o disco parar. Este fenômeno mostra que no disco surgem correntes 
induzidas que se opõem ao movimento, gastando energia em forma de calor. Uma das 
aplicações desse fenômeno são os freios eletromagnéticos que existem nos trens de metrô, 
por exemplo. Se o fluxo magnético for variável, criado por uma corrente alternada, as 
correntes induzidas se opõem à variação do fluxo fazendo o disco girar. Este é o princípio 
de funcionamento dos medidores de energia. 
 
 
 
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO 
Muito utilizado na distribuição de energia pública e por indústrias. Podem ser vistos como 
um conjunto de três transformadores monofásicos idênticos, isto é com as mesmas 
características construtivas, número de espiras, seção dos condutores, potência e 
principalmente impedância. Isto significa que haverá três primários e três secundários. Na 
Figura 4 há três enrolamentos primários e três secundários, cada qual em uma coluna do 
entreferro do transformador. Os terminais do primário foram identificados com a letra H e 
o secundário com a letra X. A potência total do transformador trifásico será a soma das 
potências de cada unidade monofásica. Na Figura 5 se vê como é construído um 
transformador trifásico.5.7 
 
 
Grupos de transformadores trifásicos 
A defasagem angular do trafo determina a que grupo ele pertence. Os trafos do grupo A 
possuem defasagem angular de 0º e os do grupo B possuem 30º. A defasagem depende 
de como foi enrolado o transformador e do tipo de ligação do primário e do secundário. O 
fabricante determina as ligações para o trafo de acordo com o grupo. 
Não se pode ligar trafos de grupos diferentes em paralelo. 
 
Ligações em transformadores trifásicos 
O esquema de ligação fornecido pelo fabricante utiliza as letras H e X, mas, além disso, as 
bobinas componentes das fases são identificas com a numeração normalizada. Para a fase 
R: (1 e 4); fase S: (2 e 5) e fase T: (3 e 6). Para reequilibrar as correntes desequilibradas no 
secundário, os transformadores trifásicos de distribuição têm o primário ligado em 
triângulo. De acordo com a defasagem angular, o fabricante recomenda um grupo de 
ligações para o transformador. Ao lado, na Figura 6, se tem os esquemas de típicos de 
ligação triângulo/estrela para transformadores do grupo B. 
 
 
 
 
 
 
 
OUTROS TRANSFORMADORES 
Serão apresentados brevemente outros tipos de transformadores. 
 
Autotransformador 
Este transformador não difere muito de um transformador monofásico quanto ao núcleo 
ferromagnético. A diferença está nos enrolamentos das bobinas, pois no autotransformador 
não há bobina do primário e bobina do secundário, como enrolamentos distintos. O que há 
é um único enrolamento que servirá como primário e como secundário ao mesmo tempo. 
Vide Figura 7. 
6.7 
 
 
Um autotransformador proporciona economia, pois se tem apenas um enrolamento, porém 
a isolação elétrica entre a entrada e a saída é perdida, pois ambas utilizam o mesmo 
enrolamento. Outro ponto importante é quanto à potência que se pode ter neste tipo de 
transformador, uma vez que o mesmo fio usado para o primário será o usado para o 
secundário, o que acarreta limitações na corrente que poderá circular em um dos lados do 
transformador. Um exemplo de como circulam as corrente em um autotransformador pode 
ser vista na Figura 8. 
 
 
 
Transformador de potencial (TP) 
A Figura 9 apresenta dois modelos de transformador de potencial. Este transformador é 
utilizado na proteção e medição de sistemas elétricos de potência. Nestes sistemas as 
tensões utilizadas ultrapassam os 1000 V e é necessário instalar dispositivos para indicar o 
valor destas tensões, bem como relés que irão atuar em caso de alguma falha relacionada a 
estas tensões. Por exemplo, se um sistema trabalha em 13,8 KV é perigoso ligar um 
voltímetro diretamente nesta tensão. Aí entra o transformador de potencial, que irá reduzir 
esta tensão para um valor de 115 V, permitindo a utilização de instrumentos comuns. 
Claro que o voltímetro terá uma escala de 0 a 13,8 KV, mas a posição da sua agulha ou do 
visor, caso seja um instrumento digital, será proporcional a voltagem no secundário do 
transformador de potencial. 
7.7 
 
 
 
 
 
 
Transformador de corrente (TC) 
A Figura 10 ilustra um transformador de corrente comercial. O transformador de corrente 
também é utilizado em sistemas de elétricos de potência nas funções de proteção e 
medição. Quando se depara com valores altos para correntes, inviabiliza a aplicação direta 
de pequenos amperímetros para a medição da corrente. Vale lembrar que para se medir a 
corrente é necessário que se instale o amperímetro em série no circuito. Por exemplo, um 
circuito onde circula uma corrente de 1500 A e se instala um TC, no seu secundário se tem 
normalmente uma corrente padronizada de 5 A, então se diz que o TC tem uma relação de 
1500 A para 5 A. 
Uma informação importante sobre a utilização de TC´s é que após a sua instalação em um 
circuito ele não poderá ficar com o seu secundário aberto, pois surgirá uma tensão 
induzida elevada, podendo causar algum acidente, além de poder danificar o próprio TC, 
devido a isso devem ser instalados circuitos que conectem em curto-circuito o secundário 
do TC quando este tiver que ser retirado do circuito.