texto introdutório ao 1º ensaio prático

Transformador Monofásico [de Isolamento]
Transformação de Tensão
Transformação de tensão para várias tensões de entrada: U2, U3, U23 = f (U1)
Informação
1.1. Generalidades
Além da conversão de energia natural - carvão, petróleo, gás, água, vento, etc. nas centrais eléctricas, outro elemento importante para a indústria da energia é o
transporte de energia eléctrica até aos consumidores. De forma a fazer o transporte de
energia eléctrica economicamente, a indústria de energia deve gerar muito altas tensões,
minimizando as correntes transferidas.
O seguinte exemplo demonstra o que foi dito:
A nossa tensão alterna monofásica é de 220V. Uma central de energia eléctrica
gera, por exemplo, uma potência de 100000 Kw. Com uma carga puramente Resistiva
(“ohmica”) - cos ϕ = 1 - as correntes serão:
P
100000 Kw
I= ⇔I=
⇔ I = 454 , 5 KA
U
220
Para o transporte desta energia eléctrica, durante 100 Km e com uma queda de
tensão máxima de 10 % causada pela resistência da linha, a secção calculada do
condutor de cobre seria:
2×l× I
S=
→ Com Ua= 10 % de 220V ⇔ Ua = 22V
γ × Ua
2 × 100000 × 454 , 5 KA
⇔ S = 74 m 2
m
56
× 22V
Ω × mm 2
Fazer uma linha com esta secção é quase impossível. Se o transporte de energia
S=
eléctrica fosse efectuado a 220 KV, então a secção seria de 74mm2. A função do
transformador tem duas fases; a geração da alta tensão para um transporte de energia
eléctrica e também da baixa tensão para o consumidor final.
Além destas funções no fornecimento de energia, o transformador tem
importantes funções na tecnologia da metrologia e em telecomunicações, contudo estas
áreas não serão aqui descritas.
Em sistemas de potência, os transformadores são usados para transformar a
energia eléctrica de um sistema gerador de tensão alterna para uma rede com tensão
diferente, sem que a frequência seja alterada.
A tensão é aplicada no lado da entrada, ou seja, no primário.
A energia eléctrica com a tensão U2 desejada é obtida no lado da saída, ou seja,
no secundário. Além destas designações, também é comum chamar-se lado de altatensão e lado de baixa-tensão.
Fig. 1 - Representação esquemática do transformador no processo de
transmissão de energia
1.2. Esquema
Os condutores do primário e secundário num transformador monofásico estão
isolados electricamente, i.e., não existe ligação entre os condutores. O acoplamento
requerido para a transmissão de energia, é conseguido através de um fluxo magnético.
Portanto, os condutores estão enrolados num núcleo de ferro, de forma a estarem
isolados electricamente uns dos outros. O núcleo de ferro é constituído por várias
lâminas isoladas umas das outras. Como resultado as correntes de Eddy (Foucault) e as
perdas por histerese mantém-se baixas. O isolamento das lâminas é feito com papel ou
plástico, verniz ou uma película de óxido. Dependendo do desenho do núcleo magnético
os transformadores monofásicos distinguem-se como couraçados e não-couraçados.
As colunas e as culatras (núcleo que fecha o fluxo magnético) têm a mesma
secção, assim o fluxo magnético presente é igual em todo o núcleo de ferro.
Em contradição com isto, apenas a coluna central do transformador couraçado é
diferente. Por isso, o fluxo magnético é distribuído metade para cada uma das outras
colunas. Assim sendo, as colunas laterais têm apenas metade da secção da coluna
central.
Fig. 2 - Núcleos magnéticos do transformador monofásico
1.3. Designações dos terminais
Os fios de ligação do transformador monofásico são designados pelo número ou
combinação número-letra:
1.1. ou
1U1 →
Primário (início)
1.2. ou
1U2 →
Primário (final)
2.1. ou
2U1 →
Secundário (início)
2.2. ou
2U2 →
Secundário (final)
1.4. Funcionamento
Se uma tensão alternada U1 é aplicada ao primário (N1), com o secundário em
vazio, circula uma corrente Io em N1. O fluxo magnético gerado por Io no enrolamento
de entrada produz um fluxo magnético φ1, no circuito magnético. Este, de acordo com
U1 e Io, é um fluxo alterno. Este atravessa o secundário e então induz-lhe uma tensão
alterna U2o.
Fig. 3 - Transformador monofásico em vazio
A tensão também é induzida no enrolamento primário de acordo com a Lei da
indução. Em conformidade com a Lei de Lenz, esta tensão auto-induzida U1o, opõe-se à
tensão aplicada no primário U1 (fig. 3).
De acordo com a Lei da indução aplica-se o seguinte para a magnitude da tensão
induzida:
∆Φ
uo = N
∆t
A curva do fluxo magnético pode ser considerada sinusoidal. Se isto for verdade,
verifica-se:
∆Φ
= Φ.ω
∆t
Com a frequência do circuito ω = 2.π.f
E o fluxo magnético de
φ = B.A
Então:
uo = N . B. A. 2. π. f
Significado das siglas:
φ
Valor máximo de fluxo magnético
f
Frequência da tensão alternada
B
Indução magnética
A
Área do núcleo de ferro
N
Número de espiras
A tensão é indicada em valores eficazes:
u
U0 = o
2
Logo, a equação principal do transformador, é a seguinte:
U0 =
N . B. A. 2. π. f
⇔ U0 = 4, 44. N . B. A. f
2
Portanto, o enrolamento de maior tensão tem sempre maior número de voltas
(espiras) do que o enrolamento de menor tensão, mas não importa qual dos
enrolamentos é o primário ou o secundário.
1.5. Sem Carga
No transformador real o fluxo magnético não passa na totalidade pela bobina do
secundário.
Uma pequena porção fecha o circuito através do ar. Esta porção chama-se fluxo
de dispersão.
O fluxo φ1 gerado por I0 é assim separado num fluxo principal φ1h e um fluxo de
dispersão φ1σ - ver fig.3. O fluxo de dispersão pode ser ignorado se o transformador
estiver a funcionar em vazio, i.e., sem carga.
Então: Φ1 = Φ 2 = Φ
Consequentemente, o resultado das razões de transformação para as tensões
induzidas, são:
U10 = 4, 44. N1 . Φ. f
U20 = 4, 44. N2 . Φ. f
U10 4, 44. N1 . Φ. f
=
U20 4, 44. N2 . Φ. f
Logo:
U10 N1
=
U20 N2
As tensões induzidas estão directamente relacionadas com o número de espiras.
No caso do transformador operar sem carga, não circula corrente no secundário.
I2=0, não existe queda de tensão, logo U2o=U2.
No primário a queda de tensão causada pela corrente Io é desprezável.
Grosseiramente falando, é verdade que: U1o=U1.
Assim:
U1 N1
=
U2 N 2
As tensões do transformador estão directamente relacionadas com o número de
espiras dos enrolamentos.
A relação entre a tensão do secundário e a do primário, é chamada a relação de
transformação, n:
U
6000 V
n = 1N
n=
Exemplo
U2 N
230 V
As tensões nominais U1N e U2N estão expressas na placa de características do
transformador.
16
6000
2,8
4,5
LT
230
70
1990
50
S1
li0
Fig. 4 - Placa de características de um transformador monofásico
A tensão em vazio U20 é dada como tensão nominal para transformadores com
potências superiores a 16 KVA. Para transformadores de pequenas potências a tensão
nominal de secundário é a tensão de saída (secundário) à carga nominal com corrente
activa.
1.6. Desfasamento
Os dois enrolamentos do transformador, se enrolados na mesma direcção e
colocados na mesma coluna, então eles são atravessados pelo fluxo magnético na
mesma direcção.
Não há desfasamento causado entre as tensões U10 e U20 e consequentemente
não há desfasamento entre U1 e U2.
Isto não se altera quando o enrolamento secundário é colocado na outra coluna e
as designações dos terminais mantêm-se: U1 e U2 estão em fase - ver fig. 5-b). Contudo,
se as designações são aplicadas nas mesmas localizações para o enrolamento secundário
assim como para o primário, então há desfasamento entre as tensões de entrada e saída ver fig. 5-c).
Dependendo da posição dos enrolamentos do núcleo magnético, da disposição e
direcção dos enrolamentos relativamente uns aos outros, pode-se observar um
desfasamento de 0º ou 180º entre as tensões do primário e do secundário do
transformador monofásico. Como resultado, não seria necessário efectuar as medições
do ângulo de fase nos ensaios (os vectores de tensão para U1 e U2 estão indicados na
referência de carga do sistema – designações junto aos terminais). Por consequência, as
correntes causadas por estas tensões flúem desde o terminal U1 pela carga, até ao
terminal U2. Neste caso, a carga para a tensão de entrada U1 é o enrolamento de entrada
do transformador, a carga para a tensão de saída U2 é a impedância ZB conectada ao
secundário.
Fig. 5 - Relação entre as fases das tensões para o transformador monofásico
1.7. Nota especial para o transformador funcionar em vazio
O enrolamento primário do transformador quando em vazio comporta-se como
uma bobine de grande indutância. A corrente em vazio I0 é muito pequena, porque a
tensão auto-induzida U10 opõe-se á tensão aplicada U1, e é quase tão grande como esta.
Contudo, I0 já gera o fluxo magnético máximo φ1.
Acresce que, nesta situação, são desprezáveis as perdas no cobre comparadas
com as do ferro.
O circuito magnético é quase saturado no processo.
Agora, se U1 é aumentado isto leva á saturação magnética do núcleo de ferro, e
o fluxo magnético não aumenta mais.
Assim, U10 também não aumenta mais, a diferença entre U1 e U10 torna-se
maior.
A corrente de entrada aumenta fortemente (bem como as perdas no cobre), e o
enrolamento e o núcleo de ferro aquecem consideravelmente.
A tensão que é tão alta, pode levar á destruição do transformador, funcionando
em vazio, devido a circularem correntes elevadas na entrada.