Transformadores elevadores e redutores utilizam os mesmos princípios físicos por meio da indução eletromagnética para alterar a tensão CA neles, mas estão localizados em lados opostos da rede elétrica e são opostos entre si em termos das funções que desempenham em relação à tensão e à corrente. Embora trabalhem com o mesmo mecanismo, isso não significa que diferem em termos de qualidade de construção. Na verdade, toda a diferença entre eles reside no fato de que um transformador possui uma bobina com mais voltas do que o outro e isso determinará como o transformador afetará a tensão e a corrente dependendo do local de instalação, além de ter uma influência tremenda no preço da máquina. Este artigo explica todas as características dos tipos de transformadores e oferece conselhos práticos para seus compradores.
A resposta é a seguinte: O transformador elevador é projetado com mais bobinas enroladas em seu secundário do que em seu primário, resultando em uma tensão mais alta na saída do que na entrada. O mesmo princípio é aplicado para reduzir perdas resistivas ao transmitir energia em alta tensão usando este método. Um transformador redutor tem menos voltas no secundário do que no primário; portanto, produz uma tensão mais baixa com um aumento proporcional na corrente de saída. Ambos os tipos de transformadores são baseados na mesma equação Vs/Vp = Ns/Np; no entanto, com a corrente sendo inversamente proporcional. Um transformador funcionará como qualquer um dos tipos, se instalado de forma invertida, mas transformadores redutores podem não produzir sempre sua saída nominal quando convertidos em elevadores devido à construção do enrolamento, isolamento e sistema de resfriamento relacionados a um modo específico de fluxo de energia.
Quais são os Dois Tipos
Ambos os dispositivos são tipos de máquinas estáticas. Cada um possui duas ou mais bobinas em um núcleo magnético. A bobina primária transporta uma corrente alternada e produz um fluxo variável dentro do núcleo magnético. O fluxo produz uma tensão induzida na outra, chamada de bobina secundária. As duas bobinas não estão eletricamente conectadas entre si em um transformador de duas bobinas. Em ambos os dispositivos, não há partes móveis.
A única característica de design que separa um transformador elevador de um transformador redutor é a relação de voltas. No caso da bobina secundária ter mais voltas do que a bobina primária, a tensão induzida na bobina secundária se torna mais alta, e o transformador é um transformador elevador. Se as voltas na bobina secundária forem menores do que na bobina primária, isso significa que sua tensão é mais baixa e o transformador é um transformador redutor. Todas as outras características de um transformador referem-se à forma como a relação de voltas mencionada é realizada.
É importante dizer que este é o ponto exato de um mal-entendido bastante comum. O ponto é que um transformador elevador não é mais potente do que um transformador redutor. O fato de um transformador elevador ter uma classificação de potência de 500 kVA não significa que ele será uma máquina mais potente do que um transformador redutor da mesma potência.
Como um Transformador Elevador Funciona
O uso de um transformador elevador significa que a alimentação elétrica é alimentada no enrolamento com o menor número de voltas e a utilização é retirada do enrolamento com um maior número. Se o número de voltas do primário é 100 e o do secundário é 1.000, então a relação de voltas dá 1:10 e a tensão no ponto secundário do transformador deve ser dez vezes maior do que a do ponto primário, com algumas exceções relacionadas a perdas e regulação.
O ponto principal é o efeito na corrente. Como um transformador não cria, mas apenas transfere potência, se a tensão aumenta, a corrente diminui. Por exemplo, se um transformador elevador passa uma tensão de 10.000 volts de uma fonte de 1.000 volts, a corrente cairá para um décimo da corrente inicial no enrolamento primário. Essa relação não é uma desvantagem do transformador, mas seu principal objetivo, na medida em que está claro que a tensão mais alta significa a corrente menor de acordo com a regra física geral.
Portanto, pode-se encontrar a parte do transformador elevador em todos os sistemas de energia do lado da geração de energia. O gerador produz eletricidade a uma tensão restrita pela isolação ou mais precisamente de 11 kV a 25 kV em grandes geradores. Depois disso, o transformador elevador aumenta essa tensão para o valor de transmissão necessário, que pode variar de 275 kV a 400 kV ou mais. Os fundamentos de como essas máquinas são construídas e onde elas se situam em uma rede estão estabelecidos em a construção básica e o papel dos transformadores de distribuição, que compartilham os mesmos princípios em uma escala menor.
Como um Transformador Redutor Funciona
Em um transformador redutor, a ordem dos enrolamentos é invertida, com a alimentação aplicada ao enrolamento com o maior número de voltas e a carga retirada do enrolamento com menos voltas. No exemplo de um transformador redutor com a relação de 10:1, quando alimentado com 10.000 V, ele fornecerá 1.000 V, enquanto a corrente de saída também aumenta com o mesmo fator de 10.
Uma das razões para a existência de transformadores de redução é que há uma grande diferença entre a tensão que é eficiente para transmissão do ponto de geração ao ponto de uso. Enquanto para transmissão de longa distância a tensão de transmissão de 275 kV pode ser empregada, nenhum edifício, equipamento ou aparelho pode realmente ser conectado a uma tensão tão alta. A tensão deve ser gradualmente reduzida para o nível que é adequado para uso prático. Para esse propósito, ela pode ser reduzida em várias etapas desde a transmissão até a subtransmissão, depois a distribuição primária e finalmente até o nível que é aceitável para instalações. Várias transformações de redução podem ter que ser realizadas antes que o fornecimento seja estabelecido.
Certas características do funcionamento de um transformador de redução devem ser mencionadas. Primeiro de tudo, se a tensão diminui, a corrente carrega um valor muito maior na bobina de baixa tensão do que na bobina de alta tensão, e é por isso que a bobina de baixa tensão deve ser feita mais robusta do que sua contraparte de alta tensão – é por isso que é fácil reconhecer a bobina de baixa tensão do transformador. Em segundo lugar, a estabilidade da tensão é considerada mais importante na saída, uma vez que a instalação é tolerável apenas a uma certa faixa de tensão. O conjunto completo de parâmetros de placa de identificação e especificação, e como cada um afeta o comportamento em serviço, é explicado em a interpretação das especificações do transformador.
Comparação lado a lado
| Parâmetro | Transformador elevador | Transformador redutor |
|---|---|---|
| Relação de enrolamentos | Bobinas secundárias > bobinas primárias | Bobinas secundárias < bobinas primárias |
| Tensão | Saída maior que entrada | Saída menor que entrada |
| Corrente | Saída menor que entrada, em proporção inversa | Saída maior que entrada, em proporção inversa |
| Potência | Inalterado, exceto por perdas | Inalterado, exceto por perdas |
| Função primária | Aumentar a tensão para reduzir perdas de transmissão | Reduzir a tensão a um nível utilizável |
| Localização típica | Na geração, e em pontos onde a tensão deve ser elevada para distribuição | Em subestações, em pontos de fornecimento de edifícios, e em cada ponto de uso |
| Pares de tensão típicos | 11-25 kV para 132-400 kV | 132-400 kV para 11-33 kV, depois para 400 V ou 230 V |
| Bobina mais pesada | Secundária (alta tensão), embora a isolação domine | Secundária (baixa tensão), porque a corrente é maior |
| Ênfase na isolação | Pesada — a bobina de alta tensão impulsiona o design e os espaçamentos | Moderada no lado alto, mínima no lado baixo |
| Custo relativo típico em MVA igual | Maior, devido aos requisitos de isolação e espaçamento | Menor para a mesma classificação de potência aparente |
| Eficiência | Muito alta, tipicamente 98-99% em grandes classificações | Muito alta, tipicamente 97-99% dependendo do tamanho |
| Reversível em princípio | Sim, se alimentado de volta dentro dos limites de projeto | Sim, se alimentado de volta dentro dos limites de projeto |
Uma linha requer alguma elaboração porque surpreende os clientes. Se ambos os tipos de transformadores lidam com a mesma potência, por que um transformador elevador é mais caro do que seu equivalente? A resposta está no sistema de isolamento. Um transformador projetado com um secundário de alta tensão deve lidar com a tensão no isolamento do enrolamento, buchas, distâncias para terra e resistência a impulso. Esses requisitos dependem da tensão em vez da potência. Assim, um transformador elevador de 50 MVA 11 kV/132 kV geralmente seria grande e com melhor isolamento e mais caro do que um transformador abaixador de 50 MVA 132 kV/11 kV, embora ambas as unidades possam parecer semelhantes em especificação.
Como Eles Diferem Fisicamente
A aparência externa de um transformador elevador e um transformador redutor com as mesmas especificações pode ser confusa devido à construção semelhante. E ainda assim, existem certas características que o transformador possui que ajudam a determinar seu tipo.
- Altura e tamanho do bushing. Graças ao enrolamento de alta tensão, o design do bushing é diferente. Com isso em mente, é fácil identificar qual lado é usado para a transmissão de alta tensão. Em um transformador elevador, esse seria o enrolamento secundário, enquanto em um transformador redutor, seria o primário.
- Seção transversal do condutor do enrolamento. Se houver uma oportunidade de fazer uma verificação visual, é possível dizer se o enrolamento pertence a um transformador elevador ou a um transformador redutor pela espessura dos condutores.
- Arranjo de resfriamento. No caso das unidades maiores de ambas as especulações, existem radiadores, ventiladores ou bombas para fornecer óleo para resfriamento, mas isso não é uma característica distintiva para ambos os tipos, uma vez que a classe de resfriamento é dada na placa de classificação.
- Tomadas usadas no enrolamento. O comutador de tomadas é geralmente instalado no enrolamento de alta tensão, pois essa construção permite o ajuste fino do transformador para o mesmo número de voltas no enrolamento.
Em todos os casos, a placa de identificação se mostra de grande ajuda na decisão sobre qual tipo de transformador está disponível.
Onde Cada Um É Usado
Os dois tipos ocupam extremos opostos de uma cadeia pela qual cada unidade de eletricidade passa.
| Estágio | Papel do transformador | Classificação típica |
|---|---|---|
| Geração | O transformador elevador do gerador aumenta a tensão da máquina para o nível de transmissão | 50-1.000 MVA |
| Transmissão | Elevador e redutor em pontos de interconexão entre níveis de tensão | 100-1.000 MVA |
| Sub-transmissão | Redutor de tensão de transmissão para subtransmissão | 20-200 MVA |
| Distribuição primária | Redutor de tensão de subtransmissão para distribuição | 5-50 MVA |
| Subestação de distribuição | Redutor de tensão para a tensão de utilização de uma área ou um grande local | 0,5-5 MVA |
| Ponto de uso | Redutor para a tensão de operação da instalação, ou elevador local para uma máquina específica | 0,025-2,5 MVA |
| Uso local especializado | Elevador para um processo específico ou requisito de teste, como precipitadores eletrostáticos ou bancadas de teste | Varia amplamente |
Pode-se inferir das duas últimas linhas que ambas as formas de transformação podem ocorrer na mesma instalação fabril. Uma fábrica pode receber eletricidade por meio de um transformador redutor e, em seguida, pode ter um pequeno transformador elevador para usá-la em um processo específico, como precipitadores eletrostáticos ou conjuntos de teste dielétrico, ou equipamentos especiais que requerem uma tensão mais alta do que a fornecida pela distribuição. A direção da transformação depende das necessidades e não do local onde está localizada; assim, o problema de dimensionamento deve ser resolvido com base nos requisitos em termos de tensão e potência. Acertar essa aritmética é um pré-requisito para especificar qualquer coisa corretamente, e o método é estabelecido em a abordagem para dimensionamento de transformadores e cálculo de carga.
Tipos e Configurações
A família de construção dos transformadores não coincide com a direção da transformação, uma vez que tanto os transformadores elevadores quanto os redutores pertencem à mesma família de construção.
- Monofásico. Composto por duas bobinas em um núcleo, amplamente utilizado para fornecimento e distribuição em residências e pequenos equipamentos, comumente usado para capacidades menores.
- Trifásico. Consistindo em três transformadores monofásicos ou um transformador trifásico que possui três bobinas no mesmo núcleo. O segundo design favorece a maioria das construções de transformadores devido à sua capacidade inerente de alimentar transformadores de classificação muito alta e em fornecer instalação com outros parâmetros relacionados à operação do transformador.
- Autotransformador. Um transformador com uma única bobina com derivação que possui acoplamento eletromagnético de circuitos. É a solução mais econômica quando comparado a um transformador de duas bobinas para o mesmo propósito.
- Transformador de isolamento. Um transformador com duas bobinas e relação de espiras 1:1 projetado para necessidades específicas de isolamento galvânico.
- Tipos seco e a óleo. Sua distinção reside no local onde são utilizados: o tipo seco pode funcionar em espaços fechados e os preenchidos com óleo são geralmente empregados para transformadores que são grandes o suficiente e têm capacidades mais altas, uma vez que o resfriamento a óleo é mais eficaz do que o resfriamento a ar.
- Transformadores montados em base e montados em poste, ou transformadores em subestações. Eles estão mais relacionados aos métodos de instalação do que ao princípio de funcionamento dos transformadores.
Para trabalho realizado em três fases, a forma como as bobinas estão conectadas — seja através de delta ou estrela — afeta significativamente como as fases primária e secundária trabalham juntas, além de haver um neutro e como cargas desbalanceadas e harmônicos triplos são tratados pelo transformador. Um exemplo seria uma conexão delta-estrela que oferece um neutro na secundária e bloqueia a corrente de sequência zero de passar por ela. As implicações práticas de cada combinação são significativas o suficiente para direcionar a especificação, e um exemplo representativo de como uma unidade trifásica é apresentada para aquisição é o nossa, onde a relação de tensão, grupo de conexão, impedância e classe de resfriamento aparecem juntas porque devem ser selecionadas em conjunto.
Preços e Fatores de Custo
A precificação de transformadores é condicionada por fatores semelhantes na direção oposta, onde a direção da unidade instalada não importa tanto quanto a classe de tensão ou a classificação de tensão.
| Fator de custo | Efeito no preço | Por quê |
|---|---|---|
| Classificação de potência (kVA ou MVA) | Fator dominante; o preço aumenta mais rapidamente do que a classificação | Mais aço no núcleo, mais cobre, mais óleo, tanque maior |
| Classe de tensão | Fator principal, especialmente no lado de alta tensão | Isolamento, folgas e custos de bucha escalam acentuadamente com a tensão |
| Classe de resfriamento (ONAN, ONAF, OFAF) | Moderado | Radiadores, ventiladores e bombas aumentam o custo, mas elevam a classificação utilizável |
| Especificação de impedância | Moderado | Baixa impedância custa mais em material; afeta o nível de falha e a regulação |
| Changer de derivação (fora de circuito ou sob carga) | Significativo para sob carga | On-load tap changers are complex mechanisms with their own controls |
| Especificação de perda | Significant | Low-loss designs use more active material to reduce operating cost |
| Connection group and neutral arrangement | Minor to moderate | Affects winding configuration and any neutral bushing |
For the buyer, the key factors are that when comparing price offers from multiple suppliers, a product specification should be taken into account, since, after all, cheap price often translates into cheaper voltage class, small cooling margin or higher losses than in a good deal; and that the price of the product is only one part of the total cost, since losses are paid throughout the entire service life of the product. Reconciling capital cost against lifetime energy cost is the central exercise in transformer procurement, and the realistic price bands for each rating and class are set out in the cost structure for electrical transformers.
Can a Step-Down Be Used as a Step-Up?
In theory, it is possible. A transformer is a reversible device and turning the supply towards what is being called its secondary will mean that the voltage on what is being called primary will be higher than expected. On some occasions, this is done on purpose in case of emergency.
However, in reality the following four points define the reason why this is a bad idea unless made as part of a rational engineering choice. They are usually installed on the high-voltage winding which implies that reverse feeding of the transformer will situate them in unsuitable places for voltage adjustment. The insulation and distances were made with the assumption that the high voltage will appear on a certain winding, but back-feeding can expose this voltage to a wiring arrangement not convenient for it. The parameters for cooling and current ratings were set with a certain current distribution through the windings assumed, which will now turn when the power flow gets reversed. The protection and earthing system that would normally be designed for a particular direction of power flow will not be suitable for reversed flow either.
To summarize, reversal is theoretically possible to do, may be appropriate in certain situations, but is better clarified with the manufacturer rather than assumed. If one does require both directions at site, using a transformer properly selected for the job would be a much smarter approach than compromising by using whatever transformer one happens to have.
How to Tell Which You Have
Four tests in an order of reliability.
- Check the rating plate. It states the rated voltage of each winding as identified by terminal markings as well as the rated power, type of connection group, impedance, and the class of cooling. This is the most accurate test and can be carried out within seconds. If it is not possible to identify rating plate because of its illegibility or absence then other tests will become just approximations.
- The next test is to make a comparison of bushings and the clearance. The high-voltage side is identified by the side where bushings are larger and spacing and clearance to the earth are wider.
- Make a check of the size of the conductors whenever it is possible to see it. The heavier conductor belongs to the winding with the higher current and lower voltage.
- Trace the connection. Follow the supply line to find out which winding is the primary one and compare it with the rated voltage of the winding being investigated.
There are two remarks about field identification. If a transformer has a ratio of 1:1, for example, that is the isolation transformer, it does not step-up or step-down voltage and an attempt to identify the transformer by the direction will yield only a wrong result. Moreover, a transformer having many taps can be connected in such a way as to change its nominal ratio. Thus what is shown on the plate may not reflect the actual situation.
Perguntas Frequentes
What is the difference between step-up transformers and step-down transformers?
The differentiation resides in the number of coils in winding. A step-up transformer has a greater number of coils in the secondary coil because of which the voltage of the output is greater than that of the input as well as the current is less proportionately. The purpose of the step-up transformer is to boost the voltage level to ensure the efficiency of power transmission. Meanwhile, a step-down transformer decreases the number of coils in its secondary coil leading to the decrease of voltage and increase of current in the proportion. The step-down transformer is used to lower the voltage to an appropriate level. Though both transformers operate at the same efficiency level, the following equation is true for both types of transformers Vs/Vp = Ns/Np.
What is the disadvantage of a step-up transformer?
There are three drawbacks that should be taken into account. To begin with, with the same power rating, costs tend to be higher than for step-down transformers as the high-voltage winding uses insulated parts and clearance materials that are connected with voltage parameters rather than power output. Next comes the risk that is connected with the potential failure of insulation systems due to the greater power of possible failures in the case of using high voltage equipment. Thirdly, when one uses a step-up transformer supplying a long cable, it is necessary to address voltage rise at the cable ends due to low voltage load conditions. Despite the fact that step-up transformers are quite reliable under normal conditions, all of the indicated factors affect the process of their specification and protection.
Can a step-down transformer be used as a step-up transformer?
In terms of functionality, the transformer can certainly operate in a reverse mode as there are situations where this is done in emergency situations. However, a device that has been intentionally built for use as a step-down transformer will usually not be able to achieve its full capacity when connected to the line in reverse mode because of numerous factors including but not limited to the design of the transformer in terms of winding construction, number of taps in use, and cooling arrangements. In reverse operation, the taps will usually remain on the primary (high voltage) side which may be regarded as inappropriate for operation. It is always advisable to check the reversibility option with the manufacturer and the devices that are made specifically for this purpose should be installed rather than recompleting the one that was not made for reverse operation.
How to tell if it’s a step-up or step-down transformer?
Examine the rating plate, which provides the rated voltage for each winding and is conclusive. In the absence of the rating plate, compare the bushings; the side with the bigger bushings, greater spacing and larger clearance from earth is said to be the high-voltage side, meaning that it is the side to which the transformer steps up and down from. In instances where the conductors are visible, noting the sizes of the conductors is the second clue; since the larger conductor is used for the winding with the higher voltage and lower current. Then follow the supply line to find out which of the windings is in fact the primary, as transformers with various taps may not always be installed in the configurations that results in the effective ratio being same as in the nameplate specifications.
Which transformer is used in a substation?
In both cases, the substation serves the reciprocal function. In the primary substation, transmission voltage is lowered to the level of distribution voltage. Therefore, all transformers in this type of substation are called step-down transformers. In a generation facility, the substation serves a different purpose since it is raising the voltage produced by the generator to the level of voltage transmission by using a step-up transformer. When it comes to interconnection substations, they might work in both modes, as they may contain both step-up and step-down units depending on the direction in which electricity flows most frequently and switching the flow if the flow does not change at the generation and demand points.
Referências
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 Power Transformers
- IEEE — Transformer Connections, Voltage Regulation and Loading Guides
- ANSI — ANSI C57 Series Power Transformers, Regulators and Reactors
- NFPA — National Electrical Code, Article 450 Transformers and Transformer Vaults
- U.S. Department of Energy — Transformer Efficiency and Distribution System Losses
Conclusão
Step-up and step-down transformers are different sides of the same coin. The only difference is the number of turns in each transformer. In step-up transformers the secondary winding has more turns than the primary winding; thus, the transformer raises voltage and lowers current. Electricity transmission at high voltage is far more effective than doing so at low voltage — which is why the step-up transformer was invented in the first place. The step-down transformer on the other hand has fewer turns on the secondary winding and lowers voltage while raising current. Basically, there is no such thing as a transformer that could be connected to the transmission line. Both transformers transfer the same amount of power except for losses involved, and they obey the same formula Vs/Vp=Np/Ns. They are built in the same manner — the only thing that differentiates them is their position in the electric power transmission system and that makes step-up and step-down units price different. The step-down unit can be used as a step-up transformer but its efficiency will be the lowest because it is designed to work only in one way.