Embed Size (px)
Citation preview
TRANSFORMADORES
TRIFÁSICOS
Discente: Stefânia de Oliveira Silva
Docente: Jaime Filho
Vitória da Conquista
13 de julho de 2011
Instituto Federal de Educação e Tecnologia da Bahia
Campus Vitória da conquista
Coordenação Engenharia Elétrica
Disciplina: Conversão Eletromecânica de Energia
SUMÁRIO
1. DEFINIÇÃO ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
2. FUNÇÕES ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
3. NÚCLEO ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4
3.1 Quanto ao material do núcleo ----------------------------------------------------------------------------- 4
3.1.1 Transformadores com núcleo ferromagnético --------------------------------------------------- 4
3.1.2 Transformadores com núcleo de ar ----------------------------------------------------------------- 5
3.2 Quanto ao numero de fases -------------------------------------------------------------------------------- 5
3.2.1 Monofásicos --------------------------------------------------------------------------------------------- 5
3.2.2 Trifásicos ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
4. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO -------------------------------------------------------------------------- 6
4.1 Transformadores de Potência ------------------------------------------------------------------------------ 6
4.2 Tipos de Transformadores Trifásicos -------------------------------------------------------------------- 9
4.3 Transformador Y-Y ------------------------------------------------------------------------------------------ 9
4.4 Transformador Y-Δ ---------------------------------------------------------------------------------------- 10
4.5 Transformador Δ-Y ---------------------------------------------------------------------------------------- 11
4.6 Transformador -------------------------------------------------------------------------------------- 13
5.0 Aplicações Gerais dos Transformadores ----------------------------------------------------------------- 14
6.0 Conclusão ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
7.0 Referências Bibliográficas ---------------------------------------------------------------------------------- 15
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Transformador Monofásicos ........................................................................................... 5
Figura 2 Transformador Trifásico ................................................................................................. 6
Figura 3 Ligações Internas ............................................................................................................ 7
Figura 4 Conexão Y ...................................................................................................................... 8
Figura 5 Características do Sistema Trifásico ............................................................................... 8
Figura 6 Conexão ....................................................................................................................... 9
Figura 7 Transformador Y-Y ...................................................................................................... 10
Figura 8 Transformador Y- ...................................................................................................... 11
Figura 9 Transformador -Y ...................................................................................................... 12
Figura 10 Transformador .................................................................................................. 13
1. DEFINIÇÃO
O funcionamento do transformador baseia-se no processo de mutua indução
entre dois circuitos eletricamente isolados, porem magneticamente interligados.
“Martignome, Alfonso, Transformadores 1920”.
2. FUNÇÕES
Transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou
potência elétrica de um circuito à outro, transformando tensões, correntes e ou de
modificar os valores das Impedância elétrica de um circuito elétrico. Trata-se de um
dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da
Lei de Faraday e da Lei de Lenz.
O transformador consiste de duas ou mais bobinas ou enrolamentos e um
circuito magnético, que faz o acoplamento dessas bobinas. Há uma variedade de
transformadores com diferentes tipos de circuito, mas todos operam sobre o mesmo
princípio de indução eletromagnética.
3. NÚCLEO
Existem diversos tipos de núcleos para transformadores perante o aspecto
construtivo, para melhor entendimento eles podem ser classificados de diversas
maneiras.
3.1 Quanto ao material do núcleo
3.1.1 Transformadores com núcleo ferromagnético
Os transformadores de potência são invariavelmente construidos com núcleo de
material ferromagnetico. Esses materiais devem possuir, além de alta permeabilidade
magnética, uma resistividade eletrica relativamente elevada e uma indução residual
relativamente baixa quando submetido a uma magnetização cíclica.
Essas propriedades implicarão em baixa relutância e, portanto, em pequena
absorção de corrente magnetizante e de potencia relativa de magnetização, baixas
perdas por correntes parasitas e baixa perda por histerese magnética.
Os aços-silício (ligas de ferro, carbono, silício) são os materiais ferromagnéticos
que satisfazem as exigências dos núcleos desses transformadores. Nos transformadores
maiores, onde se exige bom rendimento, as laminas são de aço-silício de grãos
orientados, que além de alta permeabilidade quando excitados no sentido da laminação,
apresentam baixíssimas perdas magnéticas especificas. Os transformadores de medida,
bem como muitos do tipo de controle, também são constituídos com núcleo
ferromagnético, seja laminado ou sintetizado, com a intenção de diminuir as perdas e a
corrente magnetizante e melhorar o acoplamento magnético.
3.1.2 Transformadores com núcleo de ar
O núcleo de ar confere uma característica linear ao circuito magnético do
transformador, e não apresenta perdas magnéticas, porém apresenta grande relutância, e,
conseqüentemente, necessita de maior forca magneto motriz de excitação. Se a
permeabilidade relativa dos transformadores com núcleo de aço-silício é da ordem de
alguns milhares, para os valores de densidade de fluxo utilizados nos transformadores,
um milímetro de entreferro num núcleo pode equivaler a metros de material
ferromagnético, no que diz respeito à forca magneto motriz de excitação. Portanto, com
núcleos de ar, a corrente magnetizante poderá ser relativamente elevada, a menos que o
enrolamento possua uma grande quantidade de espiras, ou seja, excitado com freqüência
elevada, para que ofereça à fonte uma grande reatância.
Por essa razão e pelo fato de as perdas magnéticas nos materiais ferromagnéticos
crescerem mais do que proporcionalmente com a freqüência, os núcleos de ar ficam
restritos quase que exclusivamente a pequenos transformadores de freqüências mais
elevadas que as industriais.
3.2 Quanto ao numero de fases
Um transformador pode ser alimentado por mais de uma tensão e sao assim
classificados:
3.2.1 Monofásicos
São transformadores que apresentam somente uma fase na tensão de entrada. E tem
apenas uma fase na saída.
Figura 1 Transformador Monofásicos
3.2.2 Trifásicos
Para transformação de um sistema trifásico, pode ser utilizado o agrupamento de
três transformadores monofásicos. Os três enrolamentos primários serão alimentados
pelo sistema e agrupados em estrela ou triangulo. Dos três enrolamentos secundários
que também são interligados em estrela ou triangulo sai a linha trifásica apresentando
um defasamento esperado de 120º.
Figura 2 Transformador Trifásico
4. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
Existe uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuitos
magnéticos, mas todos operam sobre o mesmo principio, no entanto, para cada tipo de
transformador existe uma aplicação ideal, em que são exploradas nas áreas de circuitos
elétricos e eletrônicos, controle e comunicação, para casamento de impedâncias, assim
como aplicados em sistemas “de potência”.
4.1 Transformadores de Potência
Os transformadores de potência visam essencialmente à elevação ou redução da
tensão de transporte, distribuição e de consumo em redes de energia elétrica. As
vantagens da utilização de transformadores elevadores e redutores de tensão nas redes
de transporte e distribuição de energia elétrica são basicamente duas: redução das perdas
por efeito Joule, e redução da secção, do peso e do custo das linhas de transporte.
A sua utilização se faz necessária a partir de altos valores de demanda, já que se
torna muito mais viável, nas questões relacionadas com as perdas por efeito de Joule
nos enrolamentos e no núcleo (estas ultimas associadas às correntes de Foucault); e com
o rendimento,assim como naturalmente com os sistemas mecânicos de arrefecimento (a
seco, em banho de óleo, forcado ou não, etc.), tanto que, segundo a ABNT 5440, a sua
aplicação já e indicada para alimentação de sistemas a partir de demandas superiores a
15 KVA.
Uma segunda classe de aplicações dos transformadores de potência e a
conversão do número de fases da tensão. Por exemplo, a montagem criteriosa dos
enrolamentos no núcleo permite efetuar as conversões entre redes de transporte
trifásicas e de consumo monofásicas ou bifásicas, entre redes trifásicas e hexafásicas ou
dodecafásicas, etc.
No contexto histórico, a sua utilização começou a ser explorada no final do
século XVIII, por volta de 1891. E desde então, foram surgindo diversos tipos de
transformadores, para determinadas aplicações, que são transformadores dos tipos Y-Y,
Y-Δ, Δ-Δ e Δ-Y, simbologias estas que fazem referencia aos tipos de ligações internas
(conexões) dos das entradas e saída (primário e secundário) dos transformadores, como
mostra a figura 3 abaixo.
Figura 3 Ligações Internas
Os modos conforme as conexões são acopladas, assim como os seus respectivos
funcionamentos, serão abordados a seguir.
Como mostrado anteriormente, existem 2 tipos de conexões que nas quais os
transformadores podem possuir. Logo, será mostrado abaixo, a forma com que cada tipo
de conexão se comporta, relacionando-a as características de tensões e correntes de fase
e de linha.
Conexão Y
A conexão do tipo Y(estrela) e formada por 3 bobinas, nas quais possuem um
tipo de disposição em que possuem um ponto em comum, que e usado como neutro para
aterramento e equipotencializacao do sistema trifásico, ou seja, para permitir o
equilíbrio do sistema, como mostra a figura 4.
Figura 4 Conexão Y
Dentre suas características físicas, a corrente de linha é numericamente igual à
corrente de fase, já que a corrente que percorre a linha só “caminha” por uma bobina,
logo, a corrente de linha é numericamente igual à corrente de fase neste tipo de
conexão. No entanto, como se pode ver na figura 5, o valor numérico entre as bobinas
difere em relação à diferença de potencial entre as linhas, já que o sistema elétrico herda
o comportamento senoidal e vetorial, logo a diferença entre as linhas é numericamente
superior em √3.
Figura 5 Características do Sistema Trifásico
Como pode perceber, as tensões de cada bobina são numericamente iguais, no
entanto, sofrem uma defasagem de 120º entre si (característica do sistema trifásico).
Porem, como a tensão entre linhas corresponde a diferença de potencial entre a tensão
das 2 bobinas, teremos a soma vetorial de Va+ (-Vb), por exemplo, em que Vb recebera
o sinal negativo justamente devido a “diferença de potencial”.
Conexão
A conexão do tipo (delta) e formada por 3 bobinas, nas quais possuem um tipo
de disposição em que cada bobina possui um ponto em comum com as outras duas
bobinas, e neste tipo de sistema não existe o neutro, devendo ser utilizado em sistemas
equilibrados para o seu melhor funcionamento, a figura 6 ao lado mostra seus aspectos.
Figura 6 Conexão
Dentre suas características físicas, que diferem em ambos os parâmetros do
sistema do tipo , a tensao de linha e numericamente igual à tensao de fase, já que os
pontos que correspondem à tensão de linha neste tipo de rede, correspondem aos pontos
das bobinas do transformador, como um sistema paralelo entre cargas e bobinas; no
entanto, como se pode ver na figura 1.a acima, a corrente que percorre a linha e dividida
entre 2 bobinas, ou de forma mais concreta, decompõem em outros 2 vetores corrente
elétrica. E seguindo a mesma regra em relação à defasagem e soma vetorial de vetores
para as tensões para o tipo de sistema Y, o valor numérico das correntes elétricas de
linha corresponderá a √3 vezes o valor das correntes de fase, e no sistema Z, as tensões
terão comportamento senoidal, enquanto que as correntes irão responder a este tipo de
comportamento, ou seja, as correntes de linha também terão comportamento senoidal e
será √3 vezes maior que as correntes de fase, de fato, desde que o sistema esteja
equilibrado.
4.2 Tipos de Transformadores Trifásicos
Apos explicar o funcionamento do que chamamos de conexão, ou lado dos
transformadores, serão mostradas as especificações do sistema trifásico dos
transformadores dos tipos Y-Y, Y-Δ, Δ-Δ e Δ-Y; e as relações de defasagem entre a
entrada e a saída, porem, como forma de torna mais agradável a explicação, foi
considerado que a relação entre o numero de espiras e igual a 1, ou seja, se α=1, então e
α=N1/N2, então N1 = N2, e que as bobinas estão sendo organizadas de modo que as
tensões de fase estejam em comum, ou seja, defasagem igual a 0º, e que as
“imaginarias” cargas que estão sendo utilizadas são inteiramente ativas.
4.3 Transformador Y-Y
Através da figura 7, pode se observar o tipo de acoplamento entre os bobinados
no transformador do tipo Y-Y, em que foi explicado anteriormente, a respeito do tipo de
conexão Y, a relação de tensão entre linha e fase e de √3, logo para ambos os lados do
transformador esta relação será valida. No entanto, existira uma defasagem de 30º entre
a tensão de linha e fase da cada lado do transformador, enquanto que as correntes de
linha ou de fase, já que são numericamente e vetorialmente iguais, acompanharão o
sinal senoidal das tensões de linha ou de fase respectivamente, já que as cargas
consideradas são do tipo unicamente resistivo no lado secundário.
Figura 7 Transformador Y-Y
As figuras 7.a e 7.b, abaixo fazem uma demonstracao da defasagem entre tensao
de linha e de fase, correntes de linha ou fase e as suas relacoes numericas em termos de
valor.
1ºe 2º VF – Verde VL – Vermelho
1º e 2º IF – Verde IL – Vermelho Obs.: O gráfico reflete a cor laranja devido a mistura das 2 cores, verde e vermelho!
7.b
4.4 Transformador Y-Δ
Através da figura 8, pode-se observar o tipo de acoplamento entre os bobinados
no transformador do tipo Y-Δ, cujos tipos de conexão foram explicados anteriormente.
A relação de tensão linha e fase no lado primário será de √3, e no lado secundário, esta
relação será existente para as correntes de linha e de fase. Em relação as defasagens, no
lado primário, existira uma defasagem de 30o entre a tensão de linha e fase e as
7.a
correntes de linha e de fase estarão com uma defasagem de 0o, já que são
numericamente e vetorial mente iguais; enquanto que no lado secundário existira uma
defasagem de 30º entre a corrente de linha e fase; e as tensões de linha e de fase estarão
com uma defasagem de 0º já que são numericamente e vetorialmente iguais.
Figura 8 Transformador Y-
As figuras 8.a e 8.b abaixo fazem demonstração da defasagem entre tensão de
linha e de fase no lado primário, e correntes de linha e fase no lado secundário.
1º
VF – Verde
VL – Vermelho
2º
IF – Verde
IL – Vermelho
1º 8.a
IF – Verde
IL – Vermelho
2º
VF – Verde
VL – Vermelho
Obs.: O gráfico
reflete a cor laranja
devido a mistura das
2 cores, verde e 8.b
vermelho!
4.5 Transformador Δ-Y
Através da figura 5.a, pode-se observar o tipo de acoplamento entre os
bobinados no transformador do tipo Δ-Y. Este tipo de sistema possui comportamento
inverso ao sistema do tipo Y-Δ. A relacao de corrente de linha e fase no lado primario
sera de √3, e no lado secundario, esta relacao sera existente para as tensoes de linha e de
fase.
Figura 9 Transformador -Y
Em relação às defasagens, no lado primário existira uma defasagem de 30o entre
a corrente de linha e fase; e as tensões de linha e de fase estarão com uma defasagem de
0º já que são numericamente e vetorialmente iguais; enquanto que no lado secundário a
relação de tensão linha e de fase será de √3, onde existira uma defasagem de 30o entre a
tensão de linha e fase e as correntes de linha e de fase estarão com uma defasagem de
0º, já que são numericamente e vetorialmente iguais.
As figuras 9.a e 9.b abaixo fazem demonstração da defasagem entre tensão de
linha e de fase no lado primário, e correntes de linha e fase no lado secundário.
1º
IF – Verde
IL – Vermelho
2º
VF – Verde
VL – Vermelho
Obs.: O gráfico
reflete a cor laranja
devido a mistura das
2 cores, verde e 9.a
vermelho!
1º
VF – Verde
VL – Vermelho
2º
IF – Verde
IL – Vermelho
9.b
4.6 Transformador
Através da figura 10, pode-se observar o tipo de acoplamento entre os bobinados
no transformador do tipo , em que foi explicado anteriormente, a respeito do tipo
de conexão . A relacao de corrente de linha e fase e de √3, logo, para ambos os lados
do transformador esta relação será valida.
Figura 10 Transformador
No entanto, existira uma defasagem de 30º entre as correntes de linha e fase da
cada lado do transformador, enquanto que as tensões de linha ou de fase, já que são
numericamente e vetorialmente iguais, já que as cargas consideradas são do tipos
unicamente resistivas no lado secundário, assim como a alimentação e ideal.
As figuras 10.a e 10.b abaixo fazem demonstração da defasagem entre correntes
de linha e de fase, e tensão de linha ou fase.
1º e 2º
IF – Verde
IL – Vermelho
10.a
1º e 2º
VF – Verde
VL – Vermelho
Obs.: O grafico
reflete a cor laranja
devido a mistura das
2 cores, verde e
vermelho!
10.b
5.0 Aplicações Gerais dos Transformadores
Os transformadores trifásicos são requisitados e aplicados de acordo com a
necessidade, de forma que proporcione alem da segurança, economia em seu sistema de
implantação, evitando gastos desnecessários. Os do tipo Y- , são utilizados em estações
elevadoras logo apos as usinas de geração de energia e antes das linhas de transição,
cujo intuito principal e diminuir os custos em relação às linhas de transmissão, fazendo
o uso de 3 cabos de transmissão, ao invés de 4, caso fosse do lado Y (sendo o 4 para o
terra).
Assim, como os do tipo -Y, são utilizados num sistema de lógica inversa, em
que na distribuição pelo simples fato de sempre existir desequilíbrio, logo a alimentação
fará uso do condutor neutro do sistema, assim como e de interesse para diversos tipos de
consumidores, o tipo de tensão mais baixa que e a de fase, que utiliza o neutro do
sistema. Assim como o do tipo Y-Y e também utilizado em estações de elevação e de
abaixamento. Enquanto que o do tipo - e utilizado, por exemplo, em tipos de
distribuições que necessitam de elevação em meio ao caminho, devido às perdas que
foram geradas.
6.0 Conclusão
As maquinas elétricas em geral possuem cada uma as suas especificidades, o que
não difere dos transformadores. Estes possuem uma gama de aplicações especificas que
devem ser exploradas para o melhor aproveitamento possível de recursos.
Presentes no nosso dia-a-dia, outros tipos de fontes energéticas foram adaptadas
para conversão de seu tipo de energia primaria na que mais se faz presente nos tempos
modernos, a energia elétrica, e os transformadores sempre sendo aplicados, já que
aliados a alta confiabilidade, possuem o maior rendimento entre as maquinas elétricas
existentes.
Todas as suas aplicações e a sua necessidade inevitável no mundo, os
transformadores ganham destaque e mostram quanto o mundo atual se faz dependente
do mesmo. Podemos então, afirmar que os Transformadores são maquinas que
permanecera no auge por um indeterminado tempo.
7.0 Referências Bibliográficas
www.electronica-pt.com/index.php/content/view/39/37/>. Acesso em: julho. 2011.
GUSSOW, Milton. Eletricidade Básica. 2a Edicao, Makron Books, 2004.
JORDAO, Rubens Guedes. Transformadores. Editora Edgard Blucher LTDA, 2002.
MICHELIS, Leandro. Universidade do Estado de Santa Catarina. Disponivel em:
http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/michels/materiais/EPO1___Estudo_dig
itido___Transformadores.pdf>. Acesso em: julho. 2011.
http://www.ebah.com.br/busca.buscar.logic?q=transformadores>. Acesso em: julho.
2011.
www.ebah.com.br/content/...cAC/apostila-transformadores>. Acesso em: julho. 2011.
