Um engenheiro de manutenção técnica de uma usina siderúrgica de médio porte entrou em contato conosco na primavera passada sobre um problema sem precedentes: um transformador de distribuição de 1600 kVA que funciona perfeitamente quando as tensões no chão da fábrica são suficientes é relatado como estando em violação dos padrões operacionais. A causa raiz não foi encontrada nem no comutador de derivação nem no relé de proteção; estava escondida no princípio de funcionamento do transformador, que é a indução eletromagnética, que permite que qualquer transformador opere. Assim que nossos especialistas descobriram como correlacionar a tensão induzida e as espiras, a solução, que é fazer um ajuste de razão, levou horas. A maior parte dos “mistérios” dos transformadores é resolvida de maneira semelhante: uma vez que você sabe o que a indução faz, você sabe o que fazer com a máquina.
Neste artigo, fornecemos uma descrição detalhada de como os transformadores funcionam. Você descobrirá o que é a indução eletromagnética, como a lei de Faraday gera corrente, por que os transformadores não têm partes móveis e como essa compreensão ajudará você a tomar decisões de compra e manutenção.
Resposta curta: O princípio de funcionamento dos transformadores baseia-se no fenômeno da indução eletromagnética. De acordo com a definição, uma corrente elétrica CA fluindo na bobina primária cria uma mudança no campo magnético no núcleo do transformador, resultando na indução de corrente elétrica na bobina secundária. A lei de Faraday afirma que a razão da tensão elétrica deve ser igual à razão do número de espiras; no caso de um transformador de 10 kV/0,4 kV, precisamos de 25 voltas de enrolamento para criar uma queda de tensão. Vale mencionar que os transformadores que atendem aos requisitos da norma IEC 60076 alcançam eficiência de cerca de 98-99,7%.
O que é Indução Eletromagnética em um Transformador?
A indução eletromagnética é o processo pelo qual uma força eletromotriz (ou tensão) é criada em um condutor devido a um campo magnético dinâmico. Nos transformadores, a indução eletromagnética ocorre duas vezes durante um meio ciclo: a CA que flui pela primeira bobina cria o fluxo magnético variável, que corta a segunda bobina e induz a tensão nela. Não envolve nenhum movimento mecânico; assim, o transformador causa quase nenhum desgaste, uma vez que não há movimento envolvido.
Este fenômeno foi descoberto em 1831 pelo cientista inglês Michael Faraday e tem sido utilizado desde então no design de transformadores para produzir eletricidade. Da mesma forma, dois fatores controlam a tensão induzida (secundária): o número de espiras e a taxa de mudança do fluxo. Uma frequência mais alta significa que o fluxo muda mais rapidamente e a tensão induzida é maior, o que explica por que os núcleos dos transformadores operam em frequências de 50 ou 60 Hertz.
Como o Princípio de Funcionamento do Transformador Opera
Vamos considerar o arranjo tradicional de duas bobinas. Nesta configuração, a bobina primária está conectada à fonte de entrada, enquanto a bobina secundária se conecta à carga. O fluxo de corrente alternada (CA) cria um campo magnético no núcleo do transformador de aço silício laminado. Como a natureza da eletricidade é alternada (variável), a indução magnética do núcleo também variará constantemente, resultando em fluxo magnético subindo e descendo e mudando de direção 50 ou 60 vezes por segundo.
O fluxo magnético alternado produzido no núcleo do transformador induz força eletromotriz nos terminais da bobina secundária. Como resultado, a corrente fluirá através da carga conectada à bobina secundária e realizará o trabalho necessário. Assim, podemos resumir o princípio de funcionamento do transformador em três etapas:
- A corrente primária cria um campo magnético alternado;
- O campo passa pelo núcleo de ferro e conecta duas bobinas;
- O campo variável induz tensão na bobina secundária.
| Quantidade | Lado primário | Lado secundário | Relação |
|---|---|---|---|
| Tensão (V) | V1 | V2 | V1 / V2 = N1 / N2 |
| Voltas (N) | N1 | N2 | Determinado na fase de projeto |
| Corrente (I) | I1 | I2 | I1 × V1 = I2 × V2 |
| Impedância (Z) | Z1 | Z2 | Z1 = Z2 × (N1/N2)2 |
| Potência (S) | Praticamente igual em ambos os lados | S1 ≈ S2 (menos perdas) | |
Como a potência é conservada (exceto por perdas), aumentar a tensão secundária automaticamente diminui a corrente. Um transformador de 1 MVA a 0,4 kV transportará cerca de 1.443 A no lado de baixa tensão, mas a mesma potência a 33 kV transportará apenas cerca de 17,5 A. Portanto, essa relação inversa entre tensão e corrente é a razão pela qual as concessionárias aumentam a tensão para transmissão a longas distâncias, uma vez que menor corrente significa menores perdas devido a I²R.
A Lei de Faraday e a Relação de Voltas Explicadas
De acordo com a lei de Faraday, afirma que a força eletromotriz induzida é a taxa de variações na ligação do fluxo magnético, cuja fórmula é dada como E = −N × dΦ/dt. No caso de um transformador prático operando com tensão senoidal, a lei acima se aplica.
V ≈ 4,44 × f × N × Φmax
Onde f é a frequência que é 50 ou 60 Hz, N é o número de voltas, e Φmax representa o fluxo máximo do núcleo. Assim, seguem:
A tensão é fixada pelo número de voltas. A tensão é definida para um núcleo particular automaticamente e cada volta recebe seu próprio “volts por volta” fixo. Por exemplo, uma bobina secundária recebe uma tensão igual a 400 volts com 18 voltas e localizada ao lado da primária com 540 voltas de tal forma que a tensão é igual a 12 quilovolts, o que corresponde à relação de 30:1 exigida pelas redes elétricas.
A relação de voltas é igual à relação de tensão. Um transformador opera em uma relação igual a 25:1, transformando 10 kV em 400 V. A relação pode ser encontrada em sua placa de identificação que diz 25:1 ou 25000/400 V.
A relação de corrente é inversa. Portanto, o dispositivo que opera com essa relação produzirá 25 vezes mais corrente no lado secundário em comparação ao primário quando operando com a mesma potência.
Isso significa que o “transformador elevador ou redutor” é na verdade o mesmo dispositivo que é simplesmente usado ao contrário. Um transformador gerador transforma 11 kV em 220 kV, enquanto o mesmo grupo de enrolamento combinado com o lado secundário diferente transformará 220 kV de volta em 11 kV.
Componentes principais que tornam a indução possível
| Componente | Material / Forma | Papel na indução |
|---|---|---|
| Núcleo | Aço silício orientado a grão, lâminas de 0,23–0,35 mm | Fornece um caminho magnético de baixa relutância; a laminação reduz as perdas por correntes parasitas |
| Enrolamento primário | Condutor de cobre ou alumínio, isolado | Cria o fluxo magnético alternado a partir da corrente de alimentação |
| Enrolamento secundário | Condutor de cobre ou alumínio, isolado | Intercepta o fluxo e entrega a tensão induzida à carga |
| Sistema de isolamento | Papel Kraft + óleo (imersão em óleo) ou resina epóxi (tipo seco) | Isola eletricamente os enrolamentos e o núcleo; o óleo também transfere calor |
| Comutador de derivação | Fora de circuito ou em carga, ±5% tipicamente | Ajusta a relação de espiras efetiva para corresponder à tensão do sistema |
| Tanque / carcaça | Aço soldado com conservador ou sistema N2 | Protege o conjunto núcleo-e-enrolamento e o líquido dielétrico |
Dois aspectos são notáveis. O primeiro é que o núcleo é laminado em vez de sólido, uma vez que um núcleo sólido funcionaria como uma espira em curto-circuito e geraria calor devido às correntes induzidas durante a operação. O segundo é que o cobre é utilizado como material de enrolamento na maioria dos modelos de alta eficiência. Um transformador com capacidade de 1.000 kVA utiliza cerca de 800-1.000 kg de cobre no enrolamento e esta é a razão pela qual o preço do cobre influencia diretamente o preço dos transformadores.
Transformador Elevador vs Transformador Redutor: Revertendo a Indução
Cada rede elétrica possui ambos os aspectos funcionais incorporados em si mesma. A geração aumenta a tensão enquanto a distribuição a diminui, portanto, o processo de definição de qual é necessário deve começar com a determinação da sua área de serviço.
| Cenário | Lado de entrada | Lado de saída | Unidade típica |
|---|---|---|---|
| Exportação de fazenda solar / eólica | Saída do inversor de 0,4–0,8 kV | Barramento coletor de 10–35 kV | Transformador elevador, 0,5–10 MVA |
| Transmissão de utilidade | 11–66 kV | 110–765 kV | Transformador GSU, 50–1.000 MVA |
| Subestação para consumidores | 10–35 kV | 4 kV | Unidade de distribuição redutora, 100–2.500 kVA |
| Serviço de planta industrial | 33 kV | 6,6 / 11 kV | Transformador principal, 2–40 MVA |
Um erro frequente na dimensionamento é negligenciar lembrar que a relação de tensão do transformador não é a história completa. O transformador com uma relação de 35 kV/0,4 kV também possui uma classificação KVA fixa e alguma tensão de impedância (geralmente de 4-8%) e grupo vetorial (mais comumente Dyn11 para serviço de distribuição). O princípio da indução mostra a relação, mas a classificação mostra o ferro, cobre e resfriamento utilizados. Encomendar o transformador apenas pela tensão é o mesmo que comprar uma bomba apenas pelo tamanho do tubo, porque o fluxo (KVA) é igualmente importante.
Eficiência e Perdas em Transformadores Práticos
Devido ao fato de que a indução é apenas uma interconexão eletromagnética, a eficiência teórica dos transformadores pode ser bastante alta. Os transformadores reais que foram construídos de acordo com a IEC 60076 têm eficiências variando de 98% a 99,7%, e grandes transformadores de potência são conhecidos por ter as taxas de eficiência mais altas entre as máquinas rotativas e estáticas. As perdas podem ser divididas em duas grandes categorias:
Perdas a vazio: perdas por histerese e correntes parasitas, que podem ser encontradas no ferro sempre que o transformador está funcionando. As perdas a vazio representam 0,1-0,5% da classificação.
Perdas de carga: as perdas de cobre. A perda de calor durante a função dos enrolamentos do transformador pode ser calculada usando a fórmula I²R e dividida em duas categorias. Caso a carga seja 1,5 vezes maior que a carga nominal, as perdas de potência aumentarão significativamente — por exemplo, um transformador de 1000 kVA que tem uma certa classificação perde 8,5 kW, pode perder quase 19 kW quando sobrecarregado em 150%.
O design eficiente de um transformador de 1.000 kVA garante perdas entre 1,4 e 2,4 kW em vazio e perdas entre 8 e 13 kW quando os transformadores estão energizados. A importância das perdas pode ser explicada pelo fato de que os transformadores operam durante todo o ano e, assim, até mesmo a pequena queda de 1 kW nas perdas durante o processo de operação do transformador economizará 876 dólares americanos por ano.
Tipos de Transformadores de Potência Construídos com o Mesmo Princípio
O mecanismo de indução é universal, mas a construção varia enormemente com a função. As principais famílias são:
| Tipo | Resfriamento / isolamento | Classificação típica | Onde usado |
|---|---|---|---|
| Transformador imerso em óleo | ONAN / ONAF | 50 kVA–1.000+ MVA | Utilidades, subestações industriais |
| Transformador tipo seco | Epóxi fundido ou VPI | 100–10.000 kVA | Edifícios altos, metrô, offshore |
| Transformador de distribuição | Montagem em poste ou base ONAN | 5–5.000 kVA | Conversão de tensão de última milha |
| Transformador de Potência / GSU | ONAN/ONAF/OFAF | 10–1.000 MVA | Transmissão e geração |
| Transformador de núcleo amorfo | Imerso em óleo, aço amorfo | 50–2.500 kVA | Aplicações de baixa perda em vazio |
| Especialidade (retificador, forno, desfasagem) | Óleo ou seco | 1–200 MVA | Cargas de processos industriais |
Especificações Típicas de Transformadores Baseados em Indução
Ao se referir ao princípio de funcionamento, a placa de identificação revela todas as informações sobre como o dispositivo de indução foi projetado. Um sistema de distribuição padrão de 1.000 kVA, 10/0,4 kV possui estes valores:
| Parâmetro | Valor comum | Referência padrão |
|---|---|---|
| Potência nominal | 100–2.500 kVA (sob encomenda) | IEC 60076-1 |
| Relação de tensão | 10 kV / 0,4 kV (exemplo) | IEC 60076-1 |
| Grupo vetorial | Dyn11 | IEC 60076-1 |
| Tensão de impedância | 4–6% na corrente nominal | IEC 60076-5 |
| Perda em vazio | 1,4–2,4 kW | IEC 60076-1 / classes de energia ISO |
| Perda de carga a 120 °C | 8–13 kW | IEC 60076-1 |
| Faixa de derivação | ±2×2.5% ou ±5% | IEC 60076-1 |
| Classe de resfriamento | ONAN (aumento de 50–63 °C) | IEC 60076-2 |
Principais marcas e faixas de preço para transformadores de potência
No mercado, existem apenas algumas empresas globalmente reconhecidas que criam produtos impressionantes. A ABB (atualmente ABB Ltd) e a Hitachi Energy têm a vantagem no design de geradores e transformadores HVDC; a Siemens Energy e a GE Vernova são conhecidas por seus sistemas de ultra-alta tensão e grande potência; a Schneider Electric e a Eaton concentram-se na indústria de distribuição e transformadores do tipo seco. Seus dispositivos geralmente custam mais e têm prazos de conclusão mais longos. Nesse contexto, fabricantes da China estão ganhando altas participações no mercado global de distribuição e equipamentos de média potência, utilizando os benefícios que surgem devido à conformidade com os padrões IEC 60076 e menores custos de produção.
Uma empresa chamada Jiangsu Subian Electric Power está entre esses fabricantes. Ela produz transformadores imersos em óleo e transformadores do tipo seco com potência variando de 10 kVA a dezenas de MVA, que atendem aos requisitos da IEC 60076. A empresa fornece produtos para mais de 40 países ao redor do mundo. Os clientes entram em contato diretamente com as fábricas para resolver questões relacionadas a transformadores, como grupos vetoriais, faixas de derivação, perdas ou design de resfriamento. Como resultado, no caso em que a teoria da indução não está sujeita a negociações, mas o orçamento é fixo, a Subian pode oferecer produção verificada respaldada por entrada e monitoramento de engenharia. Os preços estão mostrados na tabela abaixo.
| Marca | Força | Faixa de preço típica (escala de distribuição) |
|---|---|---|
| ABB | Líder global em engenharia de energia | $15.000–$80.000+ |
| Hitachi Energy | Especialista em GSU e HVDC | $20.000–$150.000+ |
| Siemens Energy | Capacidade de ultra-alta tensão | $18.000–$120.000+ |
| Schneider Electric | Distribuição do tipo seco e inteligente | $10.000–$45.000 |
| Eaton | Unidades de distribuição e industriais | $8.000–$30.000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Fábrica IEC 60076, preços competitivos | $4.000–$60.000 (típico), os preços variam conforme a especificação e a região |
Os preços são faixas indicativas FOB para unidades de 250–5.000 kVA e variam com a classificação, preço do cobre, tipo de resfriamento e destino.
Como escolher um transformador usando o princípio de funcionamento
- É importante verificar os requisitos da relação de espiras do sistema. Verifique o que está declarado no contrato de conexão com a concessionária relacionado à tensão de entrada e saída e também para a faixa de derivação aceitável (±5%).
- Medida kVA com carga real. Some as cargas conectadas, aplique diversidade (0,6—0,9 em média) e aumente o resultado em 10—20% para levar em conta o crescimento futuro. O dimensionamento inadequado aumenta as perdas em vazio. O subdimensionamento resulta na redução da expectativa de vida do equipamento.
- Selecione o núcleo e o enrolamento com base em seus requisitos de eficiência. Aço silício de grão orientado de alta qualidade e enrolamentos de cobre mais caros incorrerão em custos de desenvolvimento mais altos, mas resultarão na redução da perda.
- Confirme a impedância, bem como o grupo vetorial com o engenheiro do sistema. Um fasor ou impedância incorretos resultam em problemas com a operação paralela e configuração de proteção.
- Verifique as normas aplicáveis. Você pode solicitar relatórios de teste que confirmem a conformidade com a IEC 60076 em termos de razão, impedância, perdas, testes dielétricos, etc.
- Faça comparações em termos do custo total de propriedade em vez do preço. Para isso, compare o valor presente das perdas futuras por 20-30 anos em relação às tarifas locais antes de fazer uma escolha entre orçamentos.
Dicas de Manutenção Relacionadas à Física da Indução
- Monitore a corrente de excitação. Uma corrente crescente na tensão sem carga indica que há degradação do núcleo magnético ou que uma volta pode estar quebrada; deve ser investigado imediatamente antes que uma falha ocorra.
- Monitore a temperatura do óleo e o nível de gás dissolvido. O DGA indica superaquecimento das bobinas isoladas mesmo antes que a falha ocorra; é suficiente verificar o óleo uma vez por ano para unidades com capacidade superior a 1 MVA.
- Verifique a razão após cada alteração no tap. A razão de transformação do transformador deve ser verificada novamente após a alteração do tap; a mudança de razão de 2.5% resulta em mudanças imediatas nas leituras.
- Torne o resfriamento eficaz possível. A perda de indução deve ser removida do sistema de resfriamento; caso contrário, radiadores entupidos ou ventiladores quebrados aumentariam a temperatura nas bobinas acima dos critérios de 65–70 °C, resultando em um aumento de 2 vezes no processo de envelhecimento para cada aumento anormal de 8–10 °C na temperatura.
Perguntas Frequentes
Por que um transformador funciona apenas em CA e não em CC?
Para que a indução eletromagnética ocorra, é necessário ter um fluxo magnético variável. A corrente contínua fornece um fluxo magnético constante e a tensão secundária cai a zero imediatamente após a aplicação da CC. Se a corrente CC for aplicada continuamente a um transformador, o núcleo do transformador ficará saturado e uma corrente alta será extraída.
Qual é a relação volts por volta na prática?
A tensão média para um núcleo de distribuição de circuito é aproximadamente 5–15V por enrolamento. Em um sistema secundário de 400V, cerca de 30-80 enrolamentos são necessários, enquanto uma utilização de 10kV do mesmo núcleo pode exigir cerca de 25 vezes mais enrolamentos ou cerca de 750-2000 enrolamentos. Sistemas que precisam de tensão mais alta colocarão mais enrolamentos no mesmo núcleo, o que obviamente exigirá mais isolamento também.
Como posso verificar a razão do transformador antes da compra?
O relatório de teste de rotina deve ser solicitado conforme a IEC 60076-1, que contém um resumo do teste de razão de enrolamentos em todos os taps. Você pode verificar isso na entrega usando um medidor de razão portátil, que exigirá investigação se exceder a placa de identificação de 0.5%.
Por que a eficiência é maior em classificações mais altas?
As perdas no estator, que estão relacionadas à superfície dimensional e à área do condutor principal, em vez do volume total do gerador, superam as perdas relacionadas à potência. Assim, a eficiência do gerador classificado em 100 kVA pode ser igual a 97%, enquanto a do gerador que excede 100 MVA pode ser igual a aproximadamente 99.6%.
O mesmo transformador pode ser usado tanto como elevador quanto como redutor?
Certamente, do ponto de vista elétrico, as bobinas podem ser intercambiáveis, mas a faixa de derivação, grupo vetorial e design de proteção são definidos para operação em uma única direção. Embora seja possível operar a unidade de distribuição ao contrário (energizando o lado de 0,4 kV), isso é prático apenas em uma classificação reduzida e um estudo de engenharia da unidade é aconselhável antes de considerar essa opção.
Referências
- IEC — Comissão Eletrotécnica Internacional — editora da série de transformadores de potência IEC 60076 que rege o design e teste.
- IEEE — fonte de normas de transformadores e práticas operacionais, incluindo a série IEEE C57 para transformadores de potência e distribuição.
- NEMA — normas de equipamentos elétricos da América do Norte, incluindo classificações de transformadores e eficiência.
- Administração de Informação de Energia dos EUA — dados públicos sobre uso de energia de transformadores e eficiência de transmissão.
- DOE dos EUA — Programas de eficiência de transformadores — orientações sobre avaliação de perdas e seleção de transformadores energeticamente eficientes.
- Electrical4U — referências educacionais sobre a lei de Faraday, relação de transformadores e teoria da indução.
Conclusão
A operação do transformador é baseada no princípio de uma teoria sofisticada de indução eletromagnética — este é um conceito aplicável no domínio da geração de energia. A lei de Faraday informa sobre as relações de espiras, equações de tensão e dependências de corrente; subsequentemente, todo o resto é simplesmente a interpretação de engenharia da teoria da física. É essencial verificar a relação do transformador com base nos requisitos da rede, demanda de potência real da carga e perdas estimadas. Ao decidir comprar um transformador, a melhor ideia é optar por aquele fabricado de acordo com as normas da IEC 60076 com a prova de teste relevante. Visite www.subian-electric.com com seus detalhes de tensão e carga, e a equipe de engenharia da fábrica ajudará você a dimensionar o transformador correto para o seu local.