Trabalho Maquinas Eletricas II

Prévia do material em texto

ETEC PEDRO BADRAN 
 
 
AMARILIO DA COSTA SANTOS, RM 17056 
BRENO HENRIQUE DOS REIS, RM 15020 
EDUARDO ANTÔNIO TOBIAS LEITE, RM 13255 
FÁBIO ASSAGRA, RM 17051 
JOÃO PAULO MARCIANO, 10486 
 
 
 
 
 
 
TRANSFORMADORES COM NÚCLEO DE FERROMAGNÉTICO E 
COM NÚCLEO DE AR 
 
 
 
 
Trabalho do 2º Modulo de Técnico em 
Eletrotécnica apresentado como exigência 
parcial para a obtenção de nota na 
Disciplina de Máquinas Elétricas II. 
 
Prof. Eng. André Luís Ventrescke 
 
 
 
 
 
 
SÃO JOAQUIM DA BARRA 
2020 
 
 
2 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 1 - Relação de tensão e número de espiras de um 
transformador com núcleo de ferro 04 
Figura 2 - Relação de corrente pelo número de espiras de um 
transformador com núcleo de ferro 05 
Figura 3 - Simbologia de um transformador com núcleo de ferro 05 
Figura 4 - Coeficiente de acoplamento 06 
Figura 5 - Simbologia de um transformador com núcleo de ar 06 
Figura 6 - Equação simplificada da eficiência de um 
transformador 07 
Figura 7 - Equação da eficiência de um transformador 07 
Figura 8 - (a) Domínios orientados aleatoriamente. (b) Domínios 
orientados por influência de um campo magnético 
externo 09 
Figura 9 - Material de ferro sobre influência da corrente Foucault 10 
Figura 10 - Peças fundamentais na montagem de 
transformadores 11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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SUMÁRIO 
 
 
1 TRANSFORMADORES ........................................................................................ 04 
1.1 TRANSFORMADOR COM NÚCLEO FERROMAGNÉTICO, E COM NÚCLE DE 
AR ............................................................................................................................ 05 
1.2 TIPOS DE PERDAS EXISTENTES EM TRANSFORMADORES ....................... 07 
1.2.1 Perdas no cobre do enrolamento ..................................................................... 08 
1.2.2 Perdas por histerese ....................................................................................... 08 
1.2.3 Perdas por correntes parasitas ou Foucault ..................................................... 09 
1.3 MONTAGEM E INSTALAÇÃO DE TRANSFORMADORES ............................... 10 
1.4 MATERIAIS ISOLANTES EM TRANSFORMADORES E SUAS PROPRIEDADES 
DIELÉTRICAS .......................................................................................................... 12 
CONCLUSÃO ........................................................................................................... 14 
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 15 
APÊNDICE A ............................................................................................................ 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
1 TRANSFORMADORES 
 
 
 A diversos tipos de transformadores, porém sua finalidade tende a ser a 
mesma, seu papel no SEP (Sistema Elétrico de Potência) é atuar na parte de geração, 
transmissão, e distribuição de energia. O transformador de potência faz com que a 
tensão seja elevada ou abaixada, esse tipo de transformador é muito utilizado em 
concessionárias e subestações, pois quando se trabalha com altas tensões a corrente 
tende a ser a baixa evitando assim perdas durante a transmissão em grandes 
distancias. Já o transformador de distribuição é comumente utilizado para tensões em 
níveis de uso doméstico. 
 As principais características de um transformador são a presença de 
uma ou duas bobinas enroladas com fio de cobre, onde o primeiro enrolamento é 
denominado primário, já o segundo (carga) enrolamento é denominado secundário. 
Tais enrolamentos fazem com que haja um fluxo magnético em uma das bobinas 
criando assim um campo magnético, e consequentemente a existência de tensão 
induzida, tal tensão é diretamente proporcional ao número de espiras existente em 
cada bobina. Abaixo é demonstrado por meio da figura 1 a relação de tensão e 
números de espiras de um transformador: 
 
 
 
FIGURA 1: Relação de tensão e número de espiras de um transformador com núcleo de ferro. 
 FONTE: BOYLESTAD, 2012. 
 
 
 De acordo com Boylestad (2012), a corrente é inversamente 
proporcional a tensão e consequentemente ao número de espiras de um 
transformador. Se analisado é possível observar que tal fenômeno se dá pela formula 
de potência, ou seja, a potência é a razão da tensão pela corrente. Quanto maior for 
a tensão menor será a corrente, e quanto menor for a tensão maior será a corrente. 
Abaixo é demonstrado por meio da figura 2 a relação de corrente pelo números de 
espiras de um transformador: 
 
 
5 
 
 
 
 
FIGURA 2: Relação de corrente pelo número de espiras de um transformador com núcleo de ferro. 
 FONTE: BOYLESTAD, 2012. 
 
 
 
1.1 TRANSFORMADOR COM NÚCLEO FERROMAGNÉTICO, E 
COM NÚCLEO DE AR 
 
 
 Em transformadores de ferromagnéticos, utiliza-se em seu núcleo 
chapas laminadas de silício, que são excelentes dissipadores de calor, algo que é um 
grande problema em transformadores, pois com a criação do fluxo magnético em seu 
núcleo, ocorre um aquecimento no mesmo criando assim perdas comumente 
conhecidas com Foucault e Histerese. Abaixo é apresentado a figura 3 no qual 
representa a simbologia do núcleo de ferro: 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 3: Simbologia de um transformador com núcleo de ferro. 
 FONTE: BOYLESTAD, 2012. 
 
 Conforme descreve Boylestad (2012) o núcleo de ferro serve para 
aumentar o valor do coeficiente de acoplamento entre os enrolamentos pelo fluxo 
mutuo. O coeficiente de acoplamento é dado pela proporção do fluxo do primário m, 
 
 
6 
 
pelo fluxo que atravessa no secundário p. Abaixo a figura 3 representa a equação 
do coeficiente de acoplamento: 
 
 
 
FIGURA 4: Coeficiente de acoplamento. 
 FONTE: BOYLESTAD, 2012. 
 
 O núcleo de ferromagnético permite que o fluxo atravesse do primário 
para o secundário, fazendo com que o coeficiente de acoplamento seja próximo de 1, 
porém esse valor nunca será superior a 1, dado pelo fato de que o maior valor para 
fluxo m é o fluxo p. 
 Já em transformadores com núcleo de ar, o mesmo não possui núcleo 
de ferro como o transformador anterior, ao invés disso as bobinas do transformador 
com núcleo de ar são colocadas precisamente próximas uma da outra, com a 
finalidade de ser ter o valor de acoplamento desejado. 
 Conforme menciona Petry (2014) as Leis de Faraday e de Lenz se 
aplicam aos transformadores, do mesmo modo que se aplicam aos indutores. 
 A comparação entre o fluxo do primário e o fluxo mutuo também é o 
coeficiente de acoplamento, que nessa situação o ideal seria unitário, quanto melhor 
for o acoplamento dos enrolamentos, melhor será tal fator. A figura 5 abaixo 
representa a simbologia do núcleo de ar. 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 5: Simbologia de um transformador com núcleo de ar. 
 FONTE: BOYLESTAD, 2012. 
 
 
 
 
 
7 
 
1.2 TIPOS DE PERDAS EXISTENTES EM TRANSFORMADORES 
 
 
 De acordo com Chapman (2013) em um transformador ocorre diversas 
perdas, e tais perdas estão associados de forma direta com sua eficiência. A eficiência 
de transformador pode ser comparada e avaliada por meio da proporção da potência 
de saída pela potência de entrada, ou seja, a potência que entra pelo enrolamento 
primário pela potência que sai pelo enrolamento secundário. Abaixo é apresentado a 
figura 6 no qual representa a equação simplificada da eficiência de um transformador: 
 
 
 
 
FIGURA 6: Equação simplificada da eficiência de um transformador. 
 FONTE: CHAPMAN, 2013. 
 
 Outra forma de representar a eficiência de um transformador está em 
desmembrar e observar que a potência de entrada é a somatória da potência de saída 
com as perdas existentes no cobre e no núcleo de um transformador. Sendo assim, 
abaixoa figura 7 representa a equação de eficiência de um transformador: 
 
 
 
 
FIGURA 7: Equação da eficiência de um transformador. 
 FONTE: CHAPMAN, 2013. 
 
 
 
 
8 
 
 As perdas em um transformador podem ser decorrentes por diversos 
fatores tanto no núcleo quanto no enrolamento de cobre, dentre esses fatores pode 
se citar: 
 Perdas ôhmicas no cobre do enrolamento; 
 Perdas por histerese; 
 Perdas por correntes parasitas ou Foucault. 
 
 
1.2.1 Perdas no cobre do enrolamento 
 
 
 As perdas no cobre do enrolamento se dá pela visão de que todo o 
material possui a sua oposição a passagem de corrente, que em outras palavras 
significa que todo material possui o seu nível de resistividade, seja ela baixa como no 
caso do cobre, ou alta como em outros materiais. 
 Sendo assim, dado a existência de uma corrente que passa nos 
enrolamentos primário e secundário, a um aquecimento ou dissipação joulicas entre 
essas bobinas, denominando-se perdas no cobre do enrolamento ou perdas na 
resistência ôhmica no condutor dos enrolamentos. 
 
 
1.2.2 Perdas por histerese 
 
 
 De acordo com Chapman (2013) nos átomos de ferro e de outros metais 
similares, os campos magnéticos tendem a estar estreitamente alinhados entre si, 
onde em seus interior há inúmeras regiões chamadas de domínios, onde esses 
domínios podem não possuir fluxo dado pelo fato que os mesmo estão orientados de 
forma aleatória. 
 
 
9 
 
 
 FIGURA 8: (a) Domínios orientados aleatoriamente. (b) Domínios orientados por influência 
de um campo magnético externo. 
 FONTE: CHAPMAN, 2013. 
 
 Para se corrigir esse efeito é necessário que haja um campo externo 
atuando sobre o material, onde a perda por histerese é necessária para que haja a 
reorientação dos domínios quando se é aplicado uma corrente alternada no núcleo do 
ferro. 
 
 
1.2.3 Perdas por correntes parasitas ou Foucault 
 
 
 Conforme menciona Chapman (2013), as lei de Faraday exemplificam a 
forma como ocorre as perdas pela corrente Foucault. A existência de um fluxo variável 
no tempo no qual induz uma tensão no interior do núcleo ao mesmo passo que a 
existência de uma tensão induzida no fio de que está enrolado no núcleo. A 
combinação dessas tensões fazem com que haja uma corrente que circula em forma 
de “redemoinhos”, como a existência de corrente em uma material de ferro, também 
a existência de dissipação de energia, ou seja, o que denomina-se perdas por 
correntes parasitas ou Foucault. 
 
 
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 Em materiais de ferro, a duas formas de se minimizar essas perdas por 
corrente Foucault: 
• A primeira é por meio da laminação do ferro, com a laminação desse material 
haverá subdivisões menores dentro do núcleo, onde o mesmo fara com que a tensão 
induzida do material seja menor, ao mesmo passo que a corrente seja menor. 
• Outra forma de se diminuir as correntes parasitas está no aumento da 
resistividade do material, tal aumento se dá pela adição de silício no núcleo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 9: Material de ferro sobre a influência da corrente Foucault. 
 FONTE: Universidade de Franca – Máquina Elétricas, 2018. 
 
 
1.3 MONTAGEM E INSTALAÇÃO DE TRANSFORMADORES 
 
 
 Os transformadores devem atender especificações para montagem e 
instalação conforme o nível de tensão do mesmo, ou seja, é necessário que se tenha 
parâmetros que atestem seu pleno funcionamento bem como forneça o mínimo de 
segurança possível. 
 De acordo com o manual da WEG (2010), para transformadores a óleo 
de até 4000KVa, durante a montagem os mesmo devem conter: 
 
 
11 
 
 Termômetro: No qual iram fornecer o máximo valor de temperatura atingida 
pela transformador em um dado instante de tempo; 
 Dispositivos de alivio de pressão: Esse dispositivo tem o objetivo de evitar 
possíveis deformações ou a própria ruptura do tanque do transformador; 
 Relé de pressão súbita: Tem a finalidade de atuar em casos de pressões 
internas anormais nos transformadores; 
 Conservador: Possibilita manter elevados índices dielétricos do óleo isolante; 
 Relé de gás (Buchholz): Possui por finalidade a proteção de aparelhos elétricos 
que trabalham imersos em líquidos isolantes; 
 Indicador de nível de óleo: Indica com precisão o nível do liquido isolante. 
 
 
FIGURA 10: Peças fundamentais na montagem de transformadores. 
 FONTE: Weg Equipamentos Elétricos S/A, 2010. 
 
 Ainda de acordo com o manual da WEG (2010), é necessário que a 
instalação do transformador seja feita por profissionais qualificados, onde os mesmos 
deveram atentar-se quanto: 
 Instalar os transformadores em dias chuvosos; 
 Realização de inspeção visual do nivelamento da base do transformador; 
 Verificação da fixação correta; 
 Inspecionar a parte externa do tanque; 
 Constatação se os dados da placa são compatíveis com as especificações 
técnicas do equipamento; 
 
 
12 
 
 Uma análise por meio de amostragem do óleo isolante; 
 Inspeção das conexões de aterramento do transformador. 
 
 
1.4 MATÉRIAIS ISOLANTES EM TRANSFORMADORES E SUAS 
PROPRIEDADES DIELÉTRICAS 
 
 
 Para se ter uma melhor compreensão acerca do princípio da aplicação 
dos materiais isolantes em transformadores, antes se faz necessário ter o 
entendimento sobre o conceito de um material dielétrico, assim como sua rigidez 
dielétrica. 
 Um material dielétrico é caracterizado por ser isolante, ou seja, não a 
circulação de corrente elétrica por ele, bem como todo material possui seu nível de 
rigidez dielétrica, em um dado momento no qual um determinado material sofre a ação 
de um campo magnético superior ao seu nível de rigidez dielétrica o material deixa de 
ser isolante, e passa ser um condutor. 
 O tempo de vida útil de um transformador pode ser associado a 
deteorização por parte de seu sistema de isolação, no qual o mesmo é comumente 
constituído por um verniz isolante, papel isolante, e um óleo mineral também com 
características isolantes. 
 O verniz é esmaltado em um condutor de cobre ou alumínio, onde o 
mesmo tem a função de isolar as espiras dos enrolamentos para que não ocorra um 
curto-circuito interno, o verniz eleva a rigidez dielétrica do fio de cobre, bem como sua 
principal característica em transformadores é a resistência quanto as perdas 
dielétricas, porém um excesso da camada de verniz no condutor pode ocasionar 
problemas nas espiras e no tamanho das bobinas, e consequentemente no 
dimensionamento das mesmas. 
 O papel isolante utilizado em transformadores é a base de celulose 
(papel Kraft), o mesmo é empregado em enrolamentos do transformador na forma de 
 
 
13 
 
finas camadas, ou na parte de isolação dos níveis de tensão e entre as fases. Fatores 
como a temperatura ou a umidade são determinantes a deterioração físico-química 
do papel. 
 A maior parte dos óleos isolantes utilizados em transformadores são 
compostos por parafina ou naftênica, o processo para obtenção desse óleo é por meio 
do refino do petróleo a uma temperatura que varia de 300ºC a 400ºC. 
 Conforme menciona SCHOLZ (2013) em sua dissertação, o mesmo 
realizou um estudo sobre o comportamento dielétrico do materiais isolantes utilizados 
em transformadores, chegando à conclusão que de fato o envelhecimento de 
materiais isolantes dos transformadores se dá por alterações físicas e químicas na 
sua composição, onde o mesmo ressaltou que o aumento do teor de umidade diminui 
a capacidade de isolamento do material. Também foi realizado uma análise no qual o 
papel isolante foi imerso no óleo isolante, onde por meio de uma curva das perdas 
dielétricas, foi constatado que as mesma são em função e dependentes da 
temperatura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14 
 
CONCLUSÃO 
 
 Se faz notório por meio desse trabalho, por todo conteúdo absorvido em 
sala de aula, e através das referências aqui mencionadas, que a utilizaçãodos 
transformadores no SEP (Sistema Elétrico de Potência) são de extrema importância, 
diante do cenário e da dependência do uso da energia elétrica. 
 Com o uso dos transformadores é possível geral e transmitir a energia 
elétrica para distancias impressionantes, além de se evitar grandes perdas durante 
todo esse percurso. 
 Sendo assim, conclui-se que o presente trabalho serviu para se ter um 
melhor conhecimento acerca do princípio da transformação, bem como os principais 
conceitos associados ao transformador (número de espiras, campo magnético, tensão 
induzida, corrente, potência), fatores que somados possibilita que a energia elétrica 
chegue até nossos lares. 
 Outro ponto de estrema importância está na montagem e na instalação 
de tais transformadores, fatores como suas perdas devem ser levados em 
consideração, afim de se obter a maior eficiência por parte da potência que entra em 
relação a potência que sai. Assim como em aspectos de vida útil do transformador, o 
material isolante deve estar dentro das normas pois é fator determinante para se 
prolongar o período de vida útil do equipamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
REFERÊNCIAS 
 
BOYLESTAD, Robert L. Introdução à Análise de Circuitos, São Paulo: Editora Prentice Hall, 
10ª edição, 2004. 
CHAPMAN, Stephen J. Fundamentos de Máquinas Elétricas, Porto Alegre: Editora AMGH, 
5ª edição, 2013. 
ELÉTRICOS, Weg Equipamentos. Manual Transformador a Óleo até 4000KVa, São Paulo, 
2010. 
PETRY, Clóvis Antônio. Projeto de Elementos Magnéticos, Florianópolis. 2014. 
SCHOLZ, Ricardo Costa. Dissertação: Avaliação do comportamento dielétrico de 
materiais isolantes utilizados em transformadores de distribuição por meio de 
espectroscopia dielétrica, Paraná, 2013. 
TRANSFORMADORES – Perdas no cobre e no ferro. Disponível em:< 
file:///C:/Users/Cliente/Downloads/docsity-transformadores-perdas-no-cobre-e-no-ferro.pdf>. 
Acessado em: 15 Março 2020. 
TRANSFORMADORES: Resumo Teórico – Parte II. Disponível em:< 
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/1614769/mod_resource/content/2/TransfomadoresT
eo2_2016.pdf>. Acessado em: 15 Março 2020. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
file:///C:/Users/Cliente/Downloads/docsity-transformadores-perdas-no-cobre-e-no-ferro.pdf
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/1614769/mod_resource/content/2/TransfomadoresTeo2_2016.pdf
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/1614769/mod_resource/content/2/TransfomadoresTeo2_2016.pdf
 
 
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APÊNDICE A – Visão geral de um transformador e seus 
componentes 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Acessórios Normais: 
1 – Bucha TS 15 ou 25kV 12 – Fixação de tampa 
2 – Bucha TI e neutra 1,2kV 13 – Mudança de derivações (interna) 
3 – Secador de ar 14 – Acionamento comutador 
4 – Janela de inspeção 15 – Bujão para drenagem de óleo 
5 – Olhal de suspensão 16 – Dispositivo de nível de óleo 
6 – Suspensão da parte extraível (interna) 17 – Indicador de nível de óleo 
7 – Olhal de tração 18 – Bujão para retirada de amostra do óleo 
8 – Apoio para macaco 19 – Válvula para drenagem e ligação 
9 – Suporte para ganchos 20 – Tubo de encher 
11 – Rodas bidirecionais 21 – Tubo para ligação do filtro - prensa 
22 – Bujão para drenagem do conservador 25 – Previsão para relé Buchholz 
 
 
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23 – Radiadores 26 – Terminal de aterramento 
24 – Bolsa para termômetro 27 – Placa de identificação 
 
Acessórios Opcionais: 
28 – Relé Buchholz 30 – Indicador magnético do nível de óleo 
29 – Termômetro com contatos