Parece que os transformadores são capazes de fazer o que deveria ser impossível, pois ajustam a tensão sem ter componentes móveis e sem um fator de interferência. O processo de fazer isso envolve impedir que os dois circuitos sejam conectados, insistindo que ambos os circuitos operem dentro do mesmo campo magnético.
Esta configuração simples é a chave para que os sistemas de fornecimento de energia sejam possíveis e para o fato de que residências localizadas a uma distância de 300 km de uma estação elétrica são capazes de ter 230 V. Isso é, na verdade, o que permite que o sistema de distribuição de energia elétrica funcione.
Um transformador consiste em duas bobinas que estão enroladas em um núcleo magnético compartilhado. Na bobina primária, uma corrente elétrica leva à geração de um campo magnético oscilante, que subsequentemente induz uma corrente na bobina secundária. A relação de espiras permite a definição das tensões que passam por ambas as bobinas, pois, por exemplo, 100 espiras passarão por 1.000 espiras e isso leva ao aumento da tensão de 230 V para 2300 V.
O Princípio: Indução Mútua
Consistindo de duas bobinas e um núcleo, os dois componentes não entram em qualquer interação de fluxo elétrico entre si. Se a parte primária das bobinas for fornecida com energia elétrica, então uma corrente elétrica é passada através dela e gera um campo eletromagnético. A corrente utilizada no circuito é uma corrente alternada, portanto o campo produzido está continuamente mudando, levando a uma ligação com a segunda bobina; isso resulta em uma tensão elétrica aparecendo na última.
Existem três regras principais que fundamentam o princípio de funcionamento do transformador:
- A relação das bobinas do transformador determinará a tensão. Vp/Vs=Np/Ns.
- O dobro de bobinas levará ao dobro de tensão.
- A potência é conservada. Existe um princípio de conservação de energia. A potência de entrada é igual à potência de saída menos perdas específicas.
- A impedância é determinada pelo quadrado da relação de bobinas. O transformador com a relação 10:1 aparecerá como uma carga de 100 Ohm para a bobina primária.
O núcleo é uma parte importante. É feito de aço elétrico laminado, sua orientação é de tal forma que o campo produzido viajará com a ajuda deste material, e a laminação do material tornará impossível fazer circuitos fechados no material.
Por que Funciona Apenas em Corrente Alternada
Para iniciar a indução, há necessidade de um fluxo que varia e muda com o tempo. Quando você usa corrente contínua para criar campos magnéticos, esse campo magnético não muda com o tempo nem produz qualquer tensão em uma bobina secundária. Este resultado é possível devido às propriedades da eletricidade e não por causa do design do transformador em si. Este fenômeno pode ser utilizado praticamente de duas maneiras.
Primeiro, o transformador funciona em corrente alternada e não funciona em corrente contínua. Portanto, ele tem a capacidade de separar uma fonte de corrente contínua de um sistema de corrente alternada. Em segundo lugar, isso explica por que o transformador não pode ser usado para conversão de CC para CC, uma vez que esse tipo de conversor utiliza eletrônica de comutação para converter corrente contínua em corrente alternada e vice-versa.
Curiosamente, a frequência em si desempenha um papel muito importante. Por exemplo, um transformador projetado para 50 Hz ficará saturado a 60 Hz apenas se a tensão for proporcionalmente reduzida. Um transformador de 60 Hz usado com tensão de 50 Hz estará operando no modo de saturação e, assim, produzirá calor e ruído.
O que ele faz em um sistema de energia
Compreender o propósito de um transformador é mais fácil ao rastrear a energia elétrica do local de geração até a tomada.
O gerador em si produz eletricidade de 11-25 kV, que é uma capacidade de isolamento economicamente viável do gerador. Assim, a transmissão de alta tensão da energia é necessária. A perda à qual a transmissão está sujeita é proporcional a I²R, portanto, aumentar a tensão por um fator de 10 diminuirá a corrente pelo mesmo fator e reduzirá a perda de energia em 100. Assim, a transmissão faz sentido por causa dessa relação.
Ao chegar ao destino, a alta tensão diminui em etapas: de 400 kV para 110 kV, para 33 kV, para 11 kV e finalmente para 400/230 V no transformador de distribuição (o transformador que atende a rua ou o edifício). Cada etapa é um transformador e cada transformador é usado para que a etapa possa ser construída economicamente.
Assim, o propósito do transformador pode ser dividido em quatro funções que são frequentemente confundidas:
- Transformação de tensão para transmissão e para uso seguro
- Transformação de corrente que ocorre automaticamente e permite que altas correntes sejam transmitidas em baixa tensão
- Isolamento galvânico para que qualquer lado do elemento do transformador não possa energizar o lado oposto e o projeto do sistema possa ser alimentado com aterramento de forma independente
- Correspondência de impedância e limitação de falhas, uma vez que os dados disponíveis indicam que a impedância do transformador é criada intencionalmente para fins de proteção.
A diferença entre as duas principais famílias em trabalho de distribuição, e qual delas um projeto deve especificar, é apresentada nesta comparação de transformadores de potência e de distribuição.
Para onde vai a energia
Transformadores praticamente nunca estão livres de perdas, mas conhecer os pontos onde essas perdas ocorrem fornece uma visão considerável sobre seu comportamento.
A perda no núcleo ocorre de duas formas. Primeiro, há histerese (os domínios magnéticos se invertem) e segundo, há perda por corrente de Foucault (as correntes circulando no aço). Essas perdas ocorrem independentemente de um transformador estar energizado ou sob carga, pois são inerentes à sua construção.
A perda de cobre com a resistência dos enrolamentos é calculada como I²R. Isso significa que, em meia carga, essa perda é um quarto da perda em carga total.
Porque uma dessas perdas é constante e a outra aumenta com o quadrado da carga, a eficiência ótima de um transformador é observada na carga em que as perdas são iguais. Assim, se uma perda aumenta com a carga, a outra não.
As perdas de transformação são constantes durante toda a operação; portanto, a eficiência de um transformador é melhor quando elas são iguais, o que é por design. Os métodos são descritos neste guia para testar um transformador.
Os Principais Tipos e Para Que Cada Um Serve
A maioria das ofertas que acompanham o comprador vem de quatro famílias de transformadores.
Os transformadores de distribuição preenchidos com óleo são aqueles que estão em postes ou em montagens de base. O óleo atua tanto como isolamento quanto como refrigerante, tornando esses transformadores compactos e baratos para suas faixas de capacidade de 25 kVA a 2.500 kVA.
Os transformadores do tipo seco usam ar e isolamento sólido em vez de óleo, que geralmente é feito de resina epóxi fundida. Eles são aplicados em condições internas, em várias construções, túneis, hospitais e centros de dados, onde o risco de incêndio do óleo não pode ser tolerado. Embora os transformadores do tipo seco possam custar mais do que os preenchidos com óleo na mesma classificação de capacidade, eles eliminam um tipo de risco.
Os transformadores de potência são os grandes que são usados nas subestações de transmissão, projetados para alta tensão e capacidade de passagem e uma longa vida, equipados com trocadores de tomadas de carga e sistemas de refrigeração.
As unidades especializadas restantes incluem transformadores de instrumentos que transformam corrente e tensão para fins de medição ou proteção, transformadores de isolamento para o propósito de separação galvânica, autotransformadores para a leve mudança de tensão, e transformadores K-rated ou harmônicos para operações de carga não linear.
O caso interno é onde a escolha é mais frequentemente contestada, e as classes, códigos de refrigeração e limites que decidem isso são abordados nesta visão geral de transformadores de distribuição de tipo seco.
O Que Ele Não Pode Fazer
Existem três equívocos que levam a erros reais de especificação.
- Ele não produz nenhuma potência. Um transformador aumenta a tensão de 230 V para 2300 V diminuindo a corrente nas mesmas proporções. Qualquer afirmação sobre a capacidade do transformador de aumentar a potência de saída é uma indicação de erro de medição ou fraude.
- Ele não muda a frequência. A entrada de 50 Hz gera uma saída de 50 Hz. Para mudar a frequência, é necessário uma máquina rotativa ou um conversor de eletrônica de potência.
- Ele também não fornece correção do fator de potência. O que o transformador faz é exercer sua própria demanda reativa sem corrigir a de mais ninguém; a correção do fator de potência é um trabalho de um capacitor ou de um filtro ativo.
Ele também não protege contra tudo. O transformador limita a corrente de falha através de sua impedância, e é capaz de separar os aterramentos, mas não desconecta a falha, limita o surto e regula a tensão, a menos que tenha um trocador de tomadas ou um regulador eletrônico.
Onde os Transformadores Estão em uma Subestação
Poderia ser chamado de subestação porque todo o equipamento serve ao único propósito de estabelecer conexão, proteção e medição do transformador, e o diagrama unifilar é a melhor e mais rápida maneira de obter uma visão sobre a instalação.
O circuito chega a um desconector, depois passa por um disjuntor e transformadores de corrente, antes de entrar no transformador. O mesmo é verdadeiro para o caminho de saída, adequando transformadores de tensão para medição, chaves de manobra para proteção contra impulsos e chaves de aterramento para facilitar a manutenção. Cada componente existe porque o transformador não pode fazer isso.
Esse arranjo, e as classificações que o acompanham, é o que um componentes de subestação elétrica a especificação realmente descreve, e vale a pena ler antes de comprar um transformador por conta própria, porque o transformador raramente é o item que atrasa um projeto.
O que Construímos
A empresa produz transformadores imersos em óleo e do tipo seco a partir de 25 kVA, incluindo transformadores com classificações de tensão de 11, 20 e 33 kV para os mercados da Ásia, África e Oriente Médio.
As especificações são chatas. Na verdade, elas incluem dados como o tipo de núcleo, o tipo de fio e conexão, a faixa de tensão e a extensão das perdas, mas não garantias a respeito delas. Tudo isso está escrito na cotação em vez de ser assumido, que é o que nosso gama de distribuição imersa em óleo é baseada.
Nos casos em que níveis específicos de perda são exigidos para um projeto atender a certas regulamentações de eficiência, o design do enrolamento e o grau do núcleo devem ser selecionados para exceder esses níveis por uma margem confortável, porque um transformador que atinge seu objetivo de alcançar 0,5% de perda no teste não garante uma vida útil mantendo-se dentro dessa margem por trinta anos.
Perguntas Frequentes
Você pode explicar como um transformador funciona de forma simples?
Existem duas bobinas de fio que têm um núcleo de aço, mas estão separadas uma da outra. A primeira bobina tem corrente alternada passando por ela, criando um campo magnético variável, enquanto a segunda bobina transforma esse campo variável de volta em corrente. Um maior número de voltas na segunda bobina aumenta a quantidade de corrente gerada, enquanto um menor número de voltas terá o efeito oposto.
Cada casa precisa de um transformador?
Não há um único transformador para cada casa, assim. O transformador que atende a uma casa geralmente atende a uma rua ou a um prédio inteiro. É um transformador montado em poste ou montado em base que converte 11 kV ou 33 kV para 400/230 V. A casa precisa de um transformador dedicado apenas para casos em que a linha de energia de entrada fornece uma tensão diferente, quando há uma carga substancial que requer um transformador separado, ou onde questões de segurança e ruído exigem isolamento.
O que queimaria um transformador?
Carga frequente, um curto-circuito ocorrendo no lado secundário, perda de resfriamento, nível baixo de óleo presente no aparelho, umidade presente na isolação e uma sobretensão de raios atingindo o enrolamento. Na prática, a sequência geralmente é a mesma: sobrecarga ou problema de resfriamento ocorrendo primeiro é seguido pela quebra da isolação. Isso envolve as ações tomadas pelos dispositivos de proteção que evitam que a quebra ocorra.
Qual é a regra 80% para transformadores?
É a prática de design, não a exigência do código: operar um transformador a 80% de sua potência nominal permite espaço para acomodar temperatura ambiente, harmônicos, sobrecargas temporárias e desenvolvimentos futuros ocultamente, aterrissando exatamente na melhor faixa de eficiência. As regras do código relacionadas são completamente diferentes: o dispositivo de proteção contra sobrecorrente no circuito primário é tipicamente ajustado para 125% da corrente nominal do circuito primário; trata-se da proteção do transformador em vez de sua carga.
Referências
- Ormazabal — Como Funciona um Transformador Elétrico
- ABB — Tecnologia e Aplicações de Transformadores
- Siemens Energy — Transformadores de Potência e Distribuição
- Hitachi Energy — Fundamentos de Transformadores e Aplicações em Redes
- Nynas — Óleo de Transformador e Desempenho de Isolação
Conclusão
Duas bobinas junto com um núcleo formam um circuito magnético, e é aí que o transformador começa. Todos os outros dispositivos e desafios de engenharia ajudam a manter essa tecnologia funcionando.
Informe-nos sobre a relação de tensão que você está procurando, a potência nominal juntamente com a aplicação e o nível de perda para que nossos especialistas possam selecionar o design de transformador necessário com resfriamento e impedância adequados para atender às suas necessidades.