Se um Transformador Aumenta a Tensão, O Que Acontece?

Em essência, um transformador elevador é um dispositivo usado para aumentar a tensão de uma linha de entrada para um nível necessário para a transmissão de energia elétrica adicional. No entanto, a mesma definição também inclui sobrecarga de tensão, ou seja, uma situação anormal quando a tensão de saída excede a nominal devido a uma troca de derivação inadequada ou afrouxamento do neutro do sistema de energia. Embora haja duas situações descritas no parágrafo, sua natureza é bastante diferente, e isso pode levar um técnico à solução errada do problema, como ajustar um trocador de derivação quando um neutro aberto é a causa raiz. O objetivo deste manual é fornecer uma compreensão completa de como um transformador funciona como um dispositivo elevador de tensão, o que acontece com a corrente elétrica e a carga elétrica ao aumentar a tensão da linha e quais efeitos são produzidos como resultado.

Em resumo: Quando um transformador aumenta a tensão, a tensão no lado secundário se torna maior do que a tensão no lado primário de acordo com a razão do número de espiras — Vs/Vp = Ns/Np — enquanto a corrente se torna menor pela mesma razão. Isso ocorre porque o transformador transfere potência, mas não gera potência. Este aspecto é a primeira e mais importante consequência dos transformadores. Após essa primeira consequência, há mais quatro consequências. O isolamento deve suportar tensões dielétricas aumentadas, o que significa que a bobina operando em tensão mais alta deve ter melhor isolamento. Equipamentos resistivos recebem mais energia devido ao quadrado da tensão crescente, o que significa que se a tensão aumentar em 5%, o aquecimento em equipamentos resistivos aumenta em quase 10%. Uma lâmpada incandescente deixará de brilhar se a tensão exceder o nível de tensão permissível. O indutor do núcleo se satura quando a tensão se torna muito além da faixa de projeto.

Como um Transformador Aumenta a Tensão

Transformadores são dispositivos que são feitos inteiramente de componentes estacionários e não têm conexão elétrica entre suas bobinas. Funciona através da indução eletromagnética; em outras palavras, na bobina primária, há uma corrente alternada e, portanto, um campo magnético variável; então, esse campo magnético variável cria uma tensão na bobina secundária. A tensão que foi gerada é igual à tensão primária multiplicada pela razão das bobinas secundária e primária.

A tensão gerada na bobina secundária de um transformador dependerá da relação das espiras de seus fios em relação às espiras da bobina primária. Por exemplo, se as espiras de fio na bobina secundária forem o dobro das da primária, será verdade dizer que a tensão na bobina secundária também é o dobro da tensão na bobina primária. É essa relação entre a razão das espiras que dá ao transformador a capacidade de elevar ou reduzir a tensão e que explica os benefícios que esses transformadores trazem, incluindo seu uso de forma reversa.

A única limitação do tamanho e capacidade do transformador é determinada pelo design do núcleo. A densidade de fluxo magnético dentro do núcleo cresce proporcionalmente com a tensão aplicada à bobina. Portanto, quanto maior a tensão, mais saturado o núcleo se torna. Assim, quando o núcleo atinge o ponto de saturação, a linha de fluxo não pode fluir através dele. Compreender a construção básica que produz esses limites é o ponto de partida, e está exposto em nosso guia para fundamentos do transformador de distribuição.

Onde a relação é fixa na fabricação, o parâmetro que governa a tensão de saída real é o número de voltas no circuito na bobina com derivação — a razão pela qual existem trocadores de derivação. Essas configurações e o restante dos dados da placa de identificação são o assunto de nossa explicação sobre especificações do transformador, que é onde um comprador deve olhar antes de assumir que um problema de tensão é uma falha.

A Regra da Conservação: Tensão para Cima, Corrente para Baixo

O resultado mais significativo do aumento da tensão é frequentemente negligenciado: a corrente diminui.

Um transformador ideal transmite energia sem perdas e, portanto, o valor da tensão vezes a corrente nos dois lados deve ser idêntico. Quando a tensão no lado secundário aumenta, a corrente secundária que flui na mesma corrente no primário diminui proporcionalmente. Em outras palavras, se um transformador fornece uma corrente de 100 A a 240 V no lado secundário enquanto consome 200 A a 120 V em seu lado primário, a potência em ambos os lados é igual, uma vez que nenhuma nova corrente é produzida.

Quantidade	Relação	Consequência do aumento da tensão secundária
Tensão	Vs/Vp = Ns/Np	Aumenta em proporção à relação de voltas
Corrente	Is/Ip = Np/Ns	Diminui em proporção inversa
Potência	VpIp ≈ VsIs	Inalterado, exceto pelas perdas
Impedância vista pela fonte	Zp = (Np/Ns)² × Zs	Transformada pelo quadrado da relação de voltas

A linha de impedância é importante considerar porque é a mais contra-intuitiva. Uma carga no secundário será vista pela fonte não como ela mesma, mas multiplicada pelo quadrado da relação de voltas. Com um aumento de dez vezes na tensão, uma carga de 1Ω parece 0,01Ω do primário. É assim que ocorre o ajuste de impedância em circuitos de áudio e RF e é exatamente a razão para o fenômeno de um transformador elevador com uma certa quantidade de carga fixa puxando uma corrente primária muito maior do que se pode esperar de cálculos simples.

Na vida real, um transformador real não atinge a conservação de 100%. Tanto as perdas de cobre nas bobinas quanto as perdas no material do núcleo se dissipam na forma de calor, razão pela qual a eficiência é expressa em porcentagem em vez de ser assumida como um e a razão pela qual os transformadores ficam quentes sob carga enquanto permanecem frios em um circuito aberto. As perdas em si estão entre os mecanismos que eventualmente limitam a vida de um transformador, um assunto abordado em nosso artigo sobre o que causa a falha de transformadores.

O que Acontece com a Impedância e Carga

A natureza da carga conectada governa completamente como a carga conectada reage, e assim o resultado do aumento da tensão é transformado de uma especificação de design para uma questão de preocupação operacional.

Tipo de carga	Comportamento quando a tensão aumenta	Resultado
Resistivo (aquecedores, lâmpadas incandescentes, chaleiras)	A corrente aumenta proporcionalmente; a potência aumenta com o quadrado da tensão	Aumento do aquecimento; a vida útil da lâmpada cai drasticamente
Motores (indução)	O torque aumenta, mas também a corrente de magnetização e a perda no núcleo; o motor pode funcionar mais frio na corrente, mas mais quente no núcleo	Redução do consumo de corrente, mas aumento das perdas magnéticas; superaquecimento se a tensão estiver bem acima do nominal
Fontes de alimentação eletrônicas	Muitas são reguladas e toleram uma faixa; aquelas que não são podem falhar	Depende inteiramente da faixa de entrada; fontes não reguladas são vulneráveis
Bancos de capacitores	A saída reativa aumenta com o quadrado da tensão	Sobrecorrente e aumento adicional da tensão; possível ressonância
Transformadores	A densidade de fluxo do núcleo aumenta; saturação e geração de harmônicos acima do ponto de projeto	Superaquecimento, distorção harmônica, ruído audível
Eletrônicos com fontes de alimentação comutadas	Geralmente ampla faixa de entrada (100-240 V), portanto tolerante	Pouco efeito dentro da faixa nominal

A linha resistiva contém uma observação interessante. Em carga resistiva, a potência está relacionada ao quadrado da tensão. Portanto, qualquer sobretensão como 5% corresponderá a cerca de 10% a mais de calor produzido. No caso de elemento de aquecimento, isso significa uma vida útil muito mais curta do elemento, além de custos mais altos com energia. No entanto, em relação à lâmpada incandescente, isso significa uma vida útil ainda mais curta devido à forte dependência da vida em relação à sobretensão. Esta também é a razão da importância da regulação de tensão para as concessionárias, pois há um custo real, mensurável e crescente para os usuários devido à sobretensão.

A linha de motores é mais sutil do que parece à primeira vista. Quando o motor recebe mais tensão, consome menos corrente com a mesma saída mecânica, o que parece uma coisa boa, mas em relação ao circuito magnético a situação é bastante diferente. A razão é que a tensão aumentada faz a perda no núcleo aumentar, o motor superaquecendo internamente apesar da queda de corrente e, em tensões muito altas, a saturação do ferro começa.

Os Efeitos Físicos de Tensões Mais Altas

Além do(s) efeito(s) na carga, aumentos de tensão também colocam estresse no transformador de quatro maneiras.

• Estresse na isolação. O estresse na isolação aumenta com o aumento da tensão, e à medida que o estresse na isolação aumenta, a vida útil da isolação diminui. Como consequência, um transformador com uma tensão de enrolamento mais alta também deve ter um nível básico de isolação mais alto; além disso, pelo mesmo motivo, a tensão de suportação de impulso de relâmpago torna-se um dos itens na especificação e não um detalhe.
• Descarga parcial. Quando o estresse é alto o suficiente, um vazio ou defeito dentro da isolação pode começar a descarregar, o que leva à deterioração gradual desse material. A descarga parcial serve como um precursor de uma falha, mas não é uma falha em si, e é um dos efeitos colaterais da sobretensão.
• Saturação do núcleo e harmônicos. Quando um núcleo é levado acima de sua densidade de fluxo magnético de projeto (o material e a configuração do núcleo determinam o nível do fluxo magnético que o núcleo pode suportar), a corrente de magnetização torna-se distorcida e começa a conter alguns harmônicos ímpares que resultam em perdas aumentadas, temperatura elevada e podem resultar em ressonâncias em algum outro lugar do sistema.
• Aumento do ruído audível. Magnetostrição – a mudança dimensional do núcleo devido à magnetização – também aumenta com o aumento da densidade de fluxo; assim, um transformador de sobretensão produz significativamente mais som audível do que o mesmo transformador em níveis normais de tensão.

Esses quatro fenômenos têm a característica comum que torna a sobretensão perigosa: eles são cumulativos e praticamente invisíveis. Acontece que um transformador de sobretensão não dá sinais de problemas, ele apenas envelhece mais rapidamente, e a falha ocorre mais cedo do que o esperado.

Aumento de Tensão Não Intencional: As Causas

Existem quatro razões principais pelas quais os níveis de tensão serão excessivos além de serem deliberadamente elevados.

Causa	Mecanismo	Como reconhecê-lo	Resposta
Configuração incorreta do comutador de derivação	A derivação está configurada para uma tensão de alimentação diferente da que está presente	Deslocamento consistente e previsível em todas as cargas; presente o tempo todo	Redefina a derivação para corresponder à alimentação real; verifique com uma medição
Neutro perdido	O ponto de referência neutro flutua, então a tensão se divide entre as fases pela impedância da carga	As tensões em duas fases somam a tensão total da linha; algumas cargas veem alta tensão enquanto outras veem baixa	Emergência: isolar e tratar como uma falha de fornecimento
Efeito Ferranti	Em uma linha longa e levemente carregada, a corrente de carga capacitiva eleva a tensão no ponto de recebimento acima da tensão no ponto de envio	A tensão aumenta à medida que a carga diminui; pior à noite ou em períodos de baixa demanda	Compensação reativa, ou aceite se dentro dos limites
Ressonância do banco de capacitores	Capacitores de correção do fator de potência ressoam com a indutância do sistema, amplificando a tensão em uma frequência harmônica	Distorção e aumento de tensão correlacionados com a comutação de capacitores	Desafine ou reafine o banco; investigue harmônicos
Retroalimentação de PV ou geração	A geração embutida eleva a tensão no ponto de conexão ao exportar	A tensão aumenta quando a geração é alta e a carga local é baixa	Ajuste de tap do transformador, regulação de tensão ou limitação de exportação

A causa mais simples é um trocador de tap defeituoso. Se o trocador de tap estiver configurado incorretamente, o transformador fornecerá a tensão esperada o tempo todo, e a solução envolveria redefini-lo corretamente após descobrir a verdadeira tensão de entrada em vez de usar o valor de tensão nominal. No contexto dos trocadores de tap, existem trocadores fora de circuito (podem ser configurados apenas quando o transformador não está energizado) e trocadores sob carga que permitem realizar sua operação sob carga e normalmente funcionam de acordo com um relé regulador de tensão.

O efeito Ferranti é outra causa que apresenta uma surpresa. Baseia-se no fato de que uma linha de transmissão ou fornecimento de energia de longa distância tem capacitância distribuída ao longo de seu comprimento, e quando a própria linha não está muito carregada, a corrente capacitiva que passa pela indutância da linha fará com que a tensão aumente em vez de diminuir. A natureza do efeito é proporcional ao comprimento da linha e inversamente proporcional à capacidade de carga, o que significa que o efeito é mais severo em caso de linhas longas e cargas baixas, razão pela qual um problema de queda de tensão pode ocorrer à noite em vez de quando o consumo é maior.

O Caso do Neutro Perdido

Essa profundidade perdida é a razão pela qual pode não haver distinções gerais entre essa causa e outras razões semelhantes, uma vez que a resposta é diferente em natureza, ou seja, uma crise em vez de um ajuste.

No caso de um fornecimento de fase dividida, o ponto central do transformador fornece o neutro, que mantém ambas as tensões linha-neutro em seus níveis normais. Se a conexão do neutro estiver solta, corroída ou aberta em qualquer ponto, como no transformador, na queda de serviço, no weatherhead, na base do medidor ou no painel, a referência é perdida. Os dois condutores de linha mais as cargas conectadas entre eles e o neutro estão em série para toda a tensão da linha, e a tensão é distribuída dependendo das impedâncias das cargas de cada lado.

O efeito resultante é que a tensão aumenta de um lado e diminui do outro lado. Assim, as cargas no lado levemente carregado terão tensões quase iguais à tensão total da linha, enquanto os dispositivos no lado fortemente carregado notarão quase nenhuma alteração de tensão. As diferenças de tensão são devidas à natureza dos aparelhos elétricos, uma vez que sempre que qualquer dispositivo elétrico é ligado, o equilíbrio é alterado. O sintoma chave são dispositivos queimados de um lado e dispositivos com desempenho abaixo do esperado do lado oposto em paralelo.

É por isso que um neutro perdido deve ser visto como uma emergência do fornecimento e não como um problema de regulação. Os arranjos de proteção que limitam danos em tais eventos, e o papel do neutro no esquema de aterramento, são abordados em nosso guia sobre fundamentos de aterramento de transformadores.

Como a Tensão é Controlada

O controle de tensão é integrado ao sistema em múltiplas etapas, pois tanto as variações de tensão esperadas quanto as inesperadas são importantes.

• Mudadores de derivação. Tappers fora de circuito definem a relação de tensão e mudadores de derivação sob carga alteram a relação sem interromper o circuito elétrico sob a supervisão do regulador automático de tensão.
• Reguladores automáticos de tensão e compensadores. Eles medem a tensão no sistema e alteram a derivação para manter a tensão na faixa com zona morta para evitar oscilações.
• Compensação reativa. Capacitores e reatores regulam a energia reativa que causa variação de tensão devido à carga, a bateria desajustada elimina o problema de ressonância.
• Medições de tensão e proteção. O relé de sobretensão interrompe o circuito ou indica a ocorrência do nível de tensão fora da faixa aceitável—última oportunidade para proteção contra sobretensão.
• Dispositivos de proteção contra surtos. Eles eliminam sobretensões provenientes de raios e ações de comutação e não permitem que a isolação opere além de seu nível de impulso.
• Cálculo adequado no início. Escolher o transformador da classe de isolação e impedância necessárias, bem como a faixa de mudança de derivação para as condições reais de fornecimento, previne a maioria dos problemas descritos neste artigo, pois essa é a razão pela qual a especificação é o passo mais importante.

Para um local que está instalando ou substituindo um transformador de distribuição, o passo prático é especificar com base na tensão de fornecimento medida e no perfil de carga esperado, em vez de contra números nominais. Nosso gama de transformadores de distribuição ilustra os parâmetros que devem ser definidos — tensões nominais, faixa de derivação, impedância, nível de isolação e classe de resfriamento — porque cada um deles determina como a unidade se comporta quando o fornecimento não é exatamente nominal.

Limites de Tensão e Normas

As concessionárias não tentam manter a tensão consistente; em vez disso, mantêm-na dentro de uma faixa e a extensão dessa faixa define que tipo de variações o equipamento pode suportar.

Na América do Norte, a principal especificação utilizada é a ANSI C84.1, que especifica, por exemplo, as chamadas concessionárias da Faixa A (aproximadamente ±5% do nominal) como uma faixa dentro da qual se espera que o equipamento funcione e que é referida como Faixa B ou (aproximadamente ±5.5%) faixa que se espera ser tolerada, mas não sustentada. Se tomarmos um serviço de 120 V, obtemos aproximadamente 114-126 V para a Faixa A e se tomarmos serviços de 240 V, obtemos aproximadamente 228-252 V.

Na Europa, a EN 50160 especifica as características de tensão da tensão em uso e que estabelece a tensão nominal de 230 V e variações permitidas no espaço circundante de cerca de ±10% durante a maior parte do tempo e também com restrições sobre harmônicos, cintilação e desbalanceamento. Equipamentos adequados nos circuitos projetados para o mercado europeu poderão trabalhar com essas características de faixa da tensão.

Praticamente, isso significa que a tensão nominal é provavelmente uma média mais exatamente definida da tensão que é requerida do transformador. O transformador deve ser escolhido de tal forma que forneça a tensão correta (tensão nominal) em algum ponto da faixa de tensão de fornecimento disponível e para que a isolação funcione normalmente no nível superior dessa faixa e para que a carga seja compatível com o cálculo dessa variação. Caso algo aconteça no fornecimento e se o fornecimento de alguma empresa sempre esteve próximo da borda da faixa, seria melhor ajustar a derivação.

Perguntas Frequentes

Como um transformador aumenta a tensão?

Utilizando indução eletromagnética e relação de espiras para um transformador elétrico. Ele gera um campo magnético no núcleo magnético através do processo de induzir corrente. Caso o enrolamento secundário do transformador tenha mais espiras do que o enrolamento primário, a tensão induzida é proporcionalmente alta, significando que a relação Vs/Vp = Ns/Np se aplica. Não há conexão lógica entre os ramos e a energia não é produzida e, assim, o transformador realiza a transferência de potência elétrica em um circuito diferente com uma alteração da relação tensão – corrente ao mesmo tempo.

O que causaria um transformador a ter alta tensão?

Existem quatro razões principais. Um comutador de derivação que está incorretamente ajustado resultará em um deslocamento de tensão constante, independentemente da situação, e pode ser corrigido redefinindo a derivação com base na tensão de alimentação medida. Um neutro interrompido causará a flutuação do neutro de referência, resultando assim em um aumento de tensão em uma fase, mas uma queda em outra, significando que é uma emergência de fornecimento em vez de ajuste. O efeito Ferranti resultará em um aumento da tensão na extremidade receptora devido ao carregamento capacitivo em linhas longas não carregadas, atingindo o pico em carregamento mínimo. A ressonância do banco de capacitores e a indutância do sistema aumentarão a tensão. O projeto de gerador embutido exportará energia em sistemas não carregados, tornando-se uma causa mais frequente de aumento de tensão atualmente.

O que acontece se a tensão aumentar?

O cenário pode ser descrito da seguinte forma: No caso de um transformador operando sob uma carga constante sob a qual a corrente aumenta, a corrente será inversamente proporcional a essa carga, uma vez que um transformador pode fornecer potência sem gerá-la. Cargas constantes consumirãopoder como carga resistiva, obtendo aproximadamente 10 por cento mais calor sob 5 por cento de sobretensão. A potência varia em proporção direta à tensão no quadrado da potência; portanto, a carga resistiva fará com que a vida útil do elemento de aquecimento diminua. As perdas no núcleo em motores e a corrente de magnetização aumentam enquanto a corrente de funcionamento pode diminuir, portanto, o motor ficará mais quente centralmente. A isolação estará sob maior tensão elétrica e sofrerá desgaste mais rápido, portanto, com sobrecargas prolongadas, há chances de ocorrer descargas. A saturação ocorre em transformadores e motores, então eles geram harmônicos, bem como calor. E, em qualquer caso, o transformador atrás do afetado terá um zumbido mais alto em alta densidade de fluxo.

Como um transformador afeta a tensão?

O transformador elétrico gerencia a proporção de tensões nos circuitos primário e secundário através da relação de espiras, e neste mecanismo, desempenha três funções principais. Primeiro, o transformador eleva ou reduz a tensão, dependendo de qual circuito possui um maior número de espiras. Em seguida, realiza a regulação de tensão não muito bem, pois quando a carga aumenta, a tensão de saída diminui devido à queda na tensão de impedância em relação ao valor da corrente, que é expressa em porcentagem de impedância na placa de identificação. Finalmente, o transformador possui tomadas para regular a tensão, seja fora do circuito durante a instalação ou quando o relé entra em operação. A tensão na saída do transformador dependerá não apenas de seu funcionamento, mas também do perfil de carga e do estado da rede de fornecimento.

Aumentar a tensão reduz as perdas?

A resposta depende de onde as perdas são consideradas, seja na linha de transmissão ou na extremidade receptora. Para qualquer quantidade fixa de potência, aumentar a tensão reduz a corrente, e as perdas resistivas em um condutor dependem do quadrado da corrente, levando assim a uma diminuição significativa nas perdas de transmissão. No entanto, esse efeito ocorre apenas na parte de transmissão da linha. Uma vez que a tensão é aumentada quando a potência está sendo consumida, a carga resistiva consumirá mais potência e aumentará as perdas na carga. É importante distinguir entre essas duas condições; portanto, a alta tensão pode ser considerada eficiente na transmissão de potência e, ao mesmo tempo, a sobretensão leva a perdas de energia e até mesmo a uma vida útil mais curta dos equipamentos utilizados.

Referências

• IEEE — Padrões de Carregamento de Transformadores e Coordenação de Isolamento
• Comissão Eletrotécnica Internacional — IEC 60076 Transformadores de Potência e IEC 60038 Tensões Padrão
• ANSI — ANSI C84.1 Classificações de Tensão de Sistemas e Equipamentos de Energia Elétrica
• CENELEC — EN 50160 Características de Tensão da Eletricidade Fornecida por Redes Públicas
• Departamento de Energia dos EUA — Qualidade de Energia e Orientações para Sistemas de Distribuição

Conclusão

Quando se trata de aumentar a tensão em um transformador, é evidente que a tensão de saída dependerá da relação de enrolamento. A corrente de saída também diminuirá na mesma proporção que o aumento da tensão devido ao fato de que os transformadores transferem potência em vez de gerá-la. Após encontrar a tensão de saída mais alta, o próximo passo é considerar qual efeito isso terá nos equipamentos que operam com ela. Instalações resistivas exigirão mais potência com a tensão ao quadrado e produzirão mais calor. Motores operarão com menos corrente e perdas de núcleo aumentadas. Tensões mais altas resultarão em um envelhecimento mais rápido do isolamento, mais ruído e harmônicos excessivos se a tensão exceder seu valor limite. Quando se trata do aumento da geração dessa alta tensão, todo o sistema é projetado de acordo com esse conjunto de parâmetros como isolamento, relação de enrolamento e derivação. Quando a geração de alta tensão é não intencional, sua causa raiz determina qual solução aplicar. Por exemplo, mudar a derivação com defeito de volta para o padrão ou compensar o efeito Ferranti.