DEPARTAMENTO DE AUTOMAÇÃO E SISTEMAS

COORDENAÇÃO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

MATEUS BARBOSA

PAULO XAVIER

PERÁCIO CONTREIRAS

VICTOR SAID

VICTÓRIA CABRAL

YASMIN FERREIRA

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES ELÉTRICOS

Salvador

2014

MATEUS BARBOSA

PAULO XAVIER

PERÁCIO CONTREIRAS

VICTOR SAID

VICTÓRIA CABRAL

YASMIN FERREIRA

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES ELÉTRICOS

Relatório de prática experimental, solicitado pela professor Gilmar Melo, como requisito de avaliação parcial da IV Unidade da disciplina de Física II, no Instituto Federal Bahia – IFBA, Campus Salvador. Prática realizada sob orientação da Prof.ª Dr.ª Mayumi Fukutani Presa.

Salvador

2014

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Campo Magnético num condutor retilíneo .................................................. 7

Figura 2 – campo magnético numa bobina ................................................................. 7

Figura 3 – Diagrama fasorial da tensão alternada ....................................................... 8

Figura 4 – Estrutura dos Transformadores .................................................................. 9

Figura 5 – Transformador mais elaborado. ............................................................... 11

Figura 6 – Esquema de um Autotransformador. ........................................................ 13

Figura 7 – Simbologia de dois transformadores de corrente. .................................... 14

Figura 8 – Símbolo do Transformador de Potência ................................................... 15

Figura 9 – Transformadores Monofásicos segundo ABNT e fluxograma .................. 17

Figura 10 – Conexões em transformadores .............................................................. 18

Figura 11 – Modelo genérico do transformador......................................................... 19

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 4

2 FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA ............................................................................... 5

2.1 DESCOBERTA DO ELETROMAGNETISMO ........................................................ 5

2.2 ELETROMAGNETISMO........................................................................................ 6

2.3 CORRENTE ALTERNADA .................................................................................... 8

3 TRANSFORMADORES ELÉTRICOS ...................................................................... 9

4 TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES ................................... 13

4.1 AUTOTRANSFORMADOR ................................................................................. 13

4.2 TRANSFORMADORES DE CORRENTE ............................................................ 14

4.3 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL ................................................................ 15

4.4 TRANSFORMADOR DE SINAL .......................................................................... 16

4.5 TRANSFORMADOR IDEAL ................................................................................ 16

4.6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO NÚMERO DE FASES ...................................... 17

4.6.1 Transformadores monofásicos ......................................................................... 17

4.6.2 Transformadores trifásicos ............................................................................... 18

5 PRINCIPIO FÍSICO DE FUNCIONAMENTO ......................................................... 19

6 APLICAÇÕES ........................................................................................................ 22

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................... 24

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 25

4

1 INTRODUÇÃO

Transformadores são aparelhos elétricos responsáveis por efetuar o controle

do valor da tensão alternada, aumentando ou diminuindo a sua intensidade,

enquanto mantém a mesma potência e frequência. Sendo aparelhos de natureza

estática, responsáveis por efetuar o transporte de energia elétrica, por meio de

indução eletromagnética. Os transformadores são utilizados para diversas

aplicações, desde isolamento elétrico, até a realização do controle da impedância de

dois circuitos distintos, ou realizando a filtragem de sinais de radiofrequência.

Os transformadores funcionam eletricamente com base na indução

eletromagnética, devido a suas características construtivas – constituído de três

elementos básicos: duas bobinas interligadas por meio de um material

ferromagnético condutor (núcleo permeabilidade magnética elevada) –, é possível

realizar a indução de uma bobina a outra sem contato direto entre as mesmas, por

intermédio do núcleo, alterando assim os valores da tensão.

Formalmente, essas máquinas elétricas são constituídas de um enrolamento

primário (bobina primária), um enrolamento secundário (bobina secundária) e do

núcleo ferromagnético. E podem ser classificadas de acordo com a aplicação a qual

se destinam, ao núcleo, ao tipo, e ao número de fases.

Deste modo, o objetivo desse relatório é efetuar um estudo descritivo a

respeito do principio de funcionamento dos transformadores, abordando desde a sua

construção, até os tipos e classificações, com foco nas aplicações práticas do

mesmo. A fim de fundamentar a elaboração deste relatório, a metodologia

empregada foi à revisão bibliográfica, a qual foi realizada utilizando livros, websites,

apostilas virtuais.

5

2 FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA

2.1 DESCOBERTA DO ELETROMAGNETISMO

Há muitos séculos atrás, na antiga Grécia, principiaram os estudos sobre a

eletricidade e o magnetismo, com observações de determinadas pedras que eram

encontradas numa terra chamada Magnésia e outros experimentos, porém a

eletricidade e o magnetismo eram considerados dois ramos físicos distintos, até que

em 1820 o físico Hans Christian Oersted realiza um experimento no qual uma

bússola era deixada próximo a um condutor no qual há a passagem de corrente e

essa passagem de corrente gera um campo magnético que fará com que a bússola

se alinhe aos polos do campo magnético gerado ao invés de se alinha com o campo

magnético terrestre. Os resultados desse experimento introduziram um novo

conceito chamado eletromagnetismo no meio científico.

Alguns anos depois o inglês Michael Faraday estudou o campo magnético,

suas linhas de indução e outras peculiaridades do campo, e em seus estudos ele

chegou a conclusão que a variação do campo magnético é capaz de gerar corrente

elétrica, o que foi muito importante para a geração de energia elétrica, que somente

era possível através de pilhas, porém Faraday, por não ser formado em física não

pode fazer senão verbalizar sua fórmula afirmando que “corrente elétrica induzida

em um circuito fechado por um campo magnético é proporcional ao número de

linhas do fluxo que atravessa a área envolvida do circuito, por unidade de tempo”

(WITTAKER), porém tal verbalização de sua formula permitiu que Franz Ernest

Neumann matematizasse sua fórmula, gerando a atual lei de Faraday-Neumann-

Lenz que pode ser expressa pela equação 1. Onde: = Força eletromotriz induzida;

∆Φ = Variação do fluxo magnético no campo; ∆t = Tempo.

(1)

Junto com o equacionamento da lei de Faraday surgiu a lei de Lenz

equacionada na forma do menos na lei de Faraday e que afirma que para todo o

6

campo magnético induzido haverá outro indutor de sinal oposto que repelirá ou

atrairá o campo magnético indutor.

Para melhor exemplificar tomemos como exemplo uma bobina ligada a um

amperímetro e um imã que está sendo introduzido e retirado do centro da bobina.

No primeiro momento observa-se a introdução do imã na bobina. Nesse instante o

imã tem suas linhas de indução inseridas na bobina, o que vai gerar uma corrente

induzida na mesma. Pela lei de Lenz essa corrente deverá ser de modo que, pela

regra da mão direita perceba-se o campo indo em direção oposta ao campo

magnético do imã, provocando assim uma repulsão entre seus polos.

No segundo momento ocorre o processo inverso, pois com a retirada do imã a

corrente, segundo a lei de Lenz a corrente adquirirá sentido tal que gerará um

campo magnético que atrairá o campo magnético do imã, fazendo com que ele

retorne a posição de repulsão anterior. Uma aplicação prática da Lei de Lenz é o

trem-bala, nos quais se utiliza da levitação magnética para sustentar e mover o trem

em velocidades altíssimas.

2.2 ELETROMAGNETISMO

O eletromagnetismo é o termo utilizado na teoria de Maxwell para relacionar a

eletricidade com o magnetismo, pois foi-se descoberto que uma corrente elétrica era

capaz de gerar campos magnéticos que exerciam forças em partículas de material

ferromagnético, a chamada força eletromagnética num condutor reto foi expressa

matematicamente pela equação 2. Onde: F = Força eletromagnética; B = Campo

magnético; i = Corrente.

(2)

Com essa lei pode-se calcular algumas variáveis, porém elas somente são

aplicadas ao condutor reto então com a lei de Biot-Savart foi possível determinar o

campo magnético B utilizando a regra da mão direita.

7

Figura 1 – Campo Magnético num condutor retilíneo

Fonte: FÍSICA, 2014.

No condutor reto utilizando a regra da mão direita pode-se perceber que as

linhas de indução irão se localizar formando uma circunferência ao redor do fio

enquanto o vetor campo magnético se localiza tangenciando as linhas de indução.

O vetor campo magnético pode ser calculado pela equação 2. Onde: μ0 é a

constante de permeabilidade magnética no vácuo que tem valor igual a

; i é a corrente, medida em ampères (A); R é o raio no qual é medido o campo.

(3)

Figura 2 – campo magnético numa bobina

No condutor em formato de bobina outras variáveis já entram em ação. Por

mais que ele seja similar a um solenoide tanto em formato em alguns casos, quanto

na conformação do campo ele será expresso pela equação 4. Onde: N é o número

de voltas da bobina.

8

(4)

No solenoide as linhas de indução se comportam como num imã em forma de

barra e assim como na bobina o campo terá orientação norte e sul: sendo o cambo

magnético B pode ser calculado pela equação 5.

μ

(5)

2.3 CORRENTE ALTERNADA

A corrente alternada é o tipo de corrente que é atualmente mais utilizado na

atualidade. Sua geração é realizada utilizando-se de um imã que é movido no

interior de uma bobina chata, que gerará corrente, porém a movimentação desse

imã não será uniforme, pois este será oscilante, então ocorrerão momentos na

geração de corrente os quais a tensão ou a corrente sobe, chega em seu pico, para

depois decrescer e crescer na direção oposta. Onde: N é o número de voltas da

bobina; μ0 é a constante de permeabilidade magnética no vácuo que tem valor igual

; i é a corrente, medida em ampères (A)

Figura 3 – Diagrama fasorial da tensão alternada

Fonte: REGÔ, 2014.

Existem três tipos de tensão: a eficaz, que é aquela que libera a mesma

potencia que o mesmo valor de corrente, a máxima que é a corrente e tensão que é

gerada, e o valor RMS que é o valor comercial de tensão e corrente vendidos.

9

3 TRANSFORMADORES ELÉTRICOS

Os transformadores são equipamentos de grande importância atualmente

para os sistemas de transmissão de energia elétrica, sendo este um dos setores

onde os transformadores são amplamente utilizados. No processo de transmissão

de energia elétrica é mais vantajoso que ela seja transmitida com uma alta tensão e

baixa corrente. Mas no ambiente residencial são utilizadas baixas tensões na ordem

de 220/110 V e correntes mais altas. Então para possibilitar esse abaixamento da

tensão, são utilizados justamente os transformadores, que terão sua estrutura física

e magnética explorada a seguir.

De forma geral os transformadores são constituídos de um enrolamento

primário, um enrolamento secundário e um núcleo ferromagnético, como

representado na figura 4. O enrolamento primário é aquele que recebe a energia

elétrica, seja está proveniente de um gerador, de um sistema de transmissão de

energia elétrica ou de algum circuito.

Figura 4 – Estrutura dos Transformadores

Fonte: KLESTON, 2006.

Analisando a estrutura do enrolamento primário na figura 1 fica evidente que

este é um solenoide (bobina longa) e a passagem de corrente elétrica por esse

solenoide irá determinar a criação de um campo magnético, cuja intensidade é dada

pela equação 6.

10

μ

(6)

Essa equação foi desenvolvida a partir de conclusão de da lei de Ampère e

Biot-Savart. Com esse campo magnético haverá, portanto um fluxo magnético, que

será vital no enrolamento secundário. O enrolamento secundário será o responsável

por gerar uma tensão induzida, a partir da variação do fluxo magnético que irá

passar através desse segundo enrolamento. Por fim o núcleo ferromagnético terá a

função de transferir o fluxo magnético gerado no primeiro enrolamento pela

passagem da corrente elétrica, para o segundo enrolamento. O principio físico de

funcionamento dos transformadores será mais analisado no tópico seguinte.

A estrutura do transformador será importantíssima para determinar se ele

será um transformador abaixador, elevador, isolante ou o nível da elevação ou

abaixamento que ele fará. O fator que irá determinar isso no transformador será o

número de espiras do enrolamento primário e do enrolamento secundário.

Como pode ser constado pela equação (6), mencionada na pagina anterior,

um maior número de espiras (N) irá gerar um campo magnético de maior intensidade

no enrolamento primário. Dessa forma o a tensão induzida no enrolamento

secundário poderá será maior, já essa tensão induzida vai depender também do

próprio número de espiras do segundo enrolamento.

Então os dois enrolamentos em conjunto, mais alguns fatores, irão determinar

as características do transformador. Dessa forma se os números de espiras dos dois

enrolamentos forem iguais, este será um transformador isolante, cuja função é isolar

eletricamente algum aparelho da rede elétrica. Já se a tensão no enrolamento

primário foi maior e a tensão no enrolamento secundário for menor, este será um

transformador abaixador e se o contrario acontecer (maior tensão no enrolamento

secundário) este será um transformador elevador.

Além do número de espiras nos enrolamentos, outros fatores que

determinarão qual a tensão induzida no segundo enrolamento é a área da secção

transversal do fio e o material ferromagnético, este último podendo ser aços-silícios

(ligas de ferro, carbono e silício), que são materiais de alta permeabilidade

magnética e alta resistividade elétrica, portanto muito bons fara serem utilizados nos

11

transformadores. Outro exemplo de núcleo de transformadores é o núcleo de ar,

porém esse tipo de núcleo só é utilizado em transformadores de pequeno porte. A

figura 5 mostra um transformador mais elabora do que o da figura 1 e sua estrutura

é bastante diferente.

Figura 5 – Transformador mais elaborado.

Fonte: NOGUEIRA, 2007.

Na figura 5 o enrolamento primário está “dentro” do enrolamento secundário e

é aquele com fios de área de secção transversal menor. O enrolamento secundário

possui fios com área de secção transversal maior. Nesse transformador o núcleo

ferromagnético é constituído por lâminas prensadas com formato de letra E, de

forma que o “traço” intermediário da letra E fica posicionado no interior dos dois

enrolamentos.

Os traços exteriores são os ficam fora dos dois enrolamentos, como pode ser

constatado na mesma figura. Entre os enrolamentos e o material ferromagnético

existem papeis isolantes para evitar que os dois enrolamentos entrem em contato e

a tensão de um passe para o outro. O funcionamento deste transformador é análogo

ao funcionamento do transformador elementar da figura 1.

Se estiver sendo construído um gerador que, por exemplo, receba uma

tensão de 220 V e libere uma tensão de 12 V, é realizado uma série de cálculos, que

irão determinar as características estruturais do transformador, como por exemplo, o

12

número de espiras em cada um dos enrolamentos e a área da secção transversal

dos fios utilizados em cada um dos enrolamentos. Dessa forma são projetados os

diversos tipos de transformadores, como os transformadores trifásicos utilizados nos

postes, que transformam cerca de 13.800 V em 127/220 V.

Ainda em relação a estrutura dos transformadores, estes podem ser

estruturados em monofásicos, bifásicos e trifásicos. Os trifásicos são alimentados

por mais de uma tensão e é como se possuíssem 3 transformadores monofásicos,

que podem ser ligados de diferentes formas.

Os transformadores monofásicos são constituídos de um enrolamento

primário e um enrolamento secundário, já o transformador trifásico é formado por

três enrolamentos primários defasados de 120º um em relação ao outro, que

recebem tensão e outros três enrolamentos secundários também defasados de 120º

um em relação ao outro. No caso do transformador trifásico encontrado nos postes

da cidade, cada uma dos 3 enrolamentos secundários fornecem 127 V e se forem

utilizados em conjunto fornecem 220 V.

Os transformadores, portanto, podem variar de estrutura um em relação ao

outro podendo apresentar mais ou menos enrolamentos. São utilizados amplamente

nas redes elétricas e também em diversos equipamentos e aparelhos elétricos. No

tópico seguinte, será explorado os conceitos físicos e as formulas físicas que

determinaram o desenvolvimento dos transformadores.

13

4 TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES

4.1 AUTOTRANSFORMADOR

Em um autotransformador os enrolamentos primário e secundário são

parcialmente coincidentes, ou seja, geralmente a extremidade do enrolamento

primário coincide com um dos terminais do enrolamento secundário. Este tipo de

transformador é classificado também como redutor quando a quantidade de espiras

do enrolamento secundário for inferior ao do primário e caso contrário, é do tipo

elevador. Conforme a figura 6, o transformador é do tipo redutor.

Figura 6 – Esquema de um Autotransformador.

Fonte: Adaptações de KNIRSCH, 2014.

Seu principio de funcionamento se dá ao aplicarmos uma tensão a uma parte

do enrolamento, o campo gerado induzirá uma tensão superior nos extremos do

mesmo.O autotransformador possui diversas vantagens em relação aos

transformadores comuns e uma característica específica, que é o seu tamanho

menor para a sua capacidade potencial e isso é devido a corrente de saída ser

parcialmente fornecida pelo lado de alimentação e parte induzida pelo campo, o que

reduz o campo permitindo um núcleo menor e mais barato.

De forma geral, tem como vantagens o seu rendimento mais eficaz e custo

menor, mas traz como consequência da coincidência parcial entre os enrolamentos,

a perda de isolamento galvânico entre a entrada e a saída das bobinas, o que limita

suas aplicações.

14

4.2 TRANSFORMADORES DE CORRENTE

Os transformadores de corrente, na sua forma básica, possuem um

enrolamento primário composto geralmente de poucas espiras, e um secundário no

qual a corrente nominal transformada é igual a 5 A. Nesse caso, são equipamentos

destinados a operar com seus enrolamentos secundários sobre carga de impedância

bastante reduzidas e com os instrumentos de medição e proteção tendo dimensões

menores. Eles são equipamentos que permitem aos instrumentos de proteção e

medição que não possuem correntes nominais de acordo com a corrente do circuito

ao qual são conectados, funcionarem da forma correta.

Os TC's (transformadores de corrente) transformam correntes elevadas, que

circulam no seu primário, em pequenas correntes secundárias, segundo uma

relação de transformação, através do fenômeno chamado de conversão

eletromagnética. A corrente primária a ser mensurada, circulando nos enrolamentos

primários, gera um fluxo magnético alternado que induz forças eletromotrizes nos

enrolamentos primário e secundário.

Os transformadores de corrente possuem vários aspectos construtivos, de

acordo com a sua aplicação. Podendo ser TC tipo Barra, tipo Janela, com vários

enrolamentos primários e/ou secundários. Porém, convencionou-se que a

simbologia dos TC’s apresenta os terminais primários de alta tensão (H1 e H2) e os

terminais secundários (X1 e X2), ou no caso de modelos industriais demarca-se as

extremidades de alta tensão (P1 e P2) e as secundárias como 1s1, 1s2, 2s1, 2s2 e

2s3, conforme a figura 7.

Figura 7 – Simbologia de dois transformadores de corrente.

Fonte: WALKER, 2014.

15

Os transformadores de corrente são utilizados em aplicações de alta tensão,

fornecendo correntes reduzidas e isoladas do circuito primário a fim possibilitar a sua

utilização para instrumentos também de controle, em relés de indução, medidores de

energia e como suprimento de aparelhos com baixa resistência elétrica.

4.3 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL

O principal objetivo do transformador de potencial é transformar a potência do

enrolamento primário (V1, I1) em potência (V2, I2) do secundário, mantendo-se a

frequência constante. Em outras palavras, transferir de um circuito para outro,

energia elétrica, sem alterar a frequência, apenas variando os valores de tensão e

corrente. A essa relação entre a tensão presente no lado primário e a tensão

transformada do secundário, dá-se o nome de relação de transformação. A figura 8

mostra a simbologia do transformador de potencial e a circulação da corrente.

Figura 8 – Símbolo do Transformador de Potência

Fonte: SIAVICHAY, 2014.

As funções básicas desse tipo de transformador é fornecer uma tensão

secundária proporcional à primária, com certa precisão dentro de uma faixa

especificada e realizar o isolamento contra altas tensões. De forma geral, a função

de um transformador de potência é minimizar perdas de transmissão ao reduzir a

corrente.

É comumente encontrado transformador de potencial nas cabines de entrada

de energia, para fornecer a alimentação de dispositivos de controle como relés de

mínima e máxima tensão, os quais são responsáveis por desarmar o disjuntor caso

os valores estejam fora dos pré-definidos, geralmente fornecendo a tensão

secundária de 220V. O núcleo é de chapas de aço-silício, envolvido por blindagem

16

metálica, com terminais de alta tensão afastados, adaptados à ligação das cabines.

Podem ser mono ou trifásicos.

4.4 TRANSFORMADOR DE SINAL

Os principais tipos de utilização dos transformadores de sinal são na

transformação de resistências em aplicações de áudio, como é o caso da entrada do

alto falante e saída do amplificador; e em impedâncias em amplificadores e

radiofrequência em receptores de telecomunicações.

O núcleo geralmente é semelhante ao transformador de alimentação, o qual

pode ser constituído de aço ou ferrite. O tempo de resposta das frequências de

rádio, dentro de uma faixa de 20 a 20.000 Hz, não é precisamente linear, mesmo

quando utiliza-se materiais de maior qualidade no núcleo, e essa variabilidade de

eficiência e linearidade ao longo da faixa de áudio, limita o seu uso.

4.5 TRANSFORMADOR IDEAL

O modelo idealizado do transformador é fundamental para se estabelecer as

relações básicas que caracterizam um transformador monofásico. Hipoteticamente,

transformador é considerado ideal se a permeabilidade magnética do núcleo

ferromagnético foi infinita, tendo como consequência, o fluxo confinado no núcleo,

não existindo corrente de excitação, nem fluxos de dispersão, e se não houver

perdas elétricas e magnéticas, ou seja, sem potência dissipada na resistência dos

enrolamentos ou histerese do núcleo.

No caso, a potência elétrica obtida no secundário é igual a potência elétrica

obtida no primário. A relação de transformação do modelo ideal se dá pela equação

fundamental dos transformadores, conforme a equação 7. Onde, N1 e N2 são os

números de espiras no primário e no secundário, respectivamente.

(7)

17

4.6 CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO NÚMERO DE FASES

Antes de partir para o numero de fases em si, deve-se entender o que são

fases. Fases são definidas como sendo um ciclo ativo na voltagem, ou seja, a

corrente passa por um eixo horizontal, não físico, o início deste eixo representa a

grandeza “zero”, a corrente entra por este local. Chegando ao fim deste eixo o valor

da tensão será, por exemplo, 110V e logo após isso a corrente voltará ao valor de

“zero”. Esta excursão de valores é definida através de uma relação com um fio

neutro.

Outros conceitos importantes para a classificação das turbinas quanto ao

numero de fases são os de bobina primária e bobina secundária. As bobinas

primárias são bobinas alimentadas por uma tensão elétrica, esta tensão elétrica gera

um campo magnético que irá interferir numa outra turbina, induzindo-a a uma

corrente elétrica. Esta segunda bobina será a bobina secundária. Como as bobinas

são eletricamente isoladas a transferência ocorre única e exclusivamente através

das linhas de força magnética.

4.6.1 Transformadores monofásicos

Transformadores monofásicos são transformadores que só possuem, no

máximo, duas fases e são montados com uma bobina primaria responsável por

receber a maior tensão e uma bobina secundária responsável por receber uma

tensão de menor intensidade que a primeira, vide figura 9.

Figura 9 – Transformadores Monofásicos segundo ABNT e fluxograma

Fonte: Lio Gouvea, [200-]

18

4.6.2 Transformadores Trifásicos

Transformadores trifásicos são transformadores que possuem três fazes e

são montados com três bobinas primárias, que recebem a maior tensão, e as fases

encontram-se em defasagem uma da outra, e também possuem três bobinas

secundarias, que fornecem cada uma isoladamente 127V e ligadas entre si

fornecem uma tensão de 220V, sendo que estas fases também se encontram em

defasagem, uma da outra. As conexões em transformadores trifásicos podem ser

dos tipos Y-∆, ∆-Y, ∆-∆, Y-Y, ilustrados na figura 10.

Figura 10 – Conexões em transformadores

Fonte: Joaquim Eloir Rocha, [200-]

Conexão delta-estrela (∆-Y) – Neste tipo de conexão as tensões na bobina

secundaria tem um defasamento em 30º em relação às tensões na bobina primária,

porém, a tensão de linha na conexão Y fica adiantada em relação à tensão de linha

no ∆, e a corrente

Conexão estrela-delta (Y-∆) – Neste tipo de conexão, as tensões na bobina

secundaria tem um defasamento em 30º em relação às tensões na bobina primária,

porém, a tensão de linha na conexão Y fica atrasada em relação à tensão de linha

no ∆. As correntes de linha ou de fase acompanharão o sinal senoidal das tensões

por serem vetorialmente iguais.

19

5 PRINCIPIO FÍSICO DE FUNCIONAMENTO

O principio de funcionamento dos transformadores fundamenta-se pela

indução eletromagnética. Na figura 11, uma espira circular, conectada a uma pilha

que possui uma chave interruptora localizada em frente à espira circular 2, que está

ligada a um galvanômetro bastante sensível.

Figura 11 – Modelo genérico do transformador

Fonte: TELECURSO, 2000.

Estando a chave ligada, a corrente que percorrerá a espira 1, esta fornecerá

um campo magnético que atravessará a espira 2, e como não há variação do fluxo

magnético que atravessa a espira 2, e o campo magnético é constante e por a

corrente que é produzida na pilha ser continua, o galvanômetro ligado a espira 2,

não apresenta nem uma alteração.

Mas se ligarmos e desligarmos a chave o fluxo magnético começa a variar.

Quando a chave for aberta o ponteiro do galvanômetro vai oscilar por um

determinado sentido e quando a chave for fechada o ponteiro vai oscilar para outro

sentido contrário ao de quando a chave estava aberta; agora se a chave for aberta e

fechada continuamente o ponteiro do Galvanômetro vai oscilar continuamente, ou

seja, sem parar.

É possível substituir a pilha e a chave, estas ligadas a espira 1, por um

gerador de corrente alternada que vai gerar um efeito semelhante ao de abrir e

20

fechar a chave que é uma fonte variável de fem ou de diferença de potencial.

Ocorrerá que a espira 1 sobre efeito da corrente alternada induzira uma outra

corrente alternada na espira 2, e por consequência o galvanômetro oscilará. A

corrente elétrica existe pelo fato de existe uma fem (força eletro-motriz) ou uma

diferença no potencial que lhe dá origem.

O sentido da corrente induzida forma um fluxo magnético induzido que vai se

opor à variação do fluxo magnético denominado indutor. Faraday comprovou através

de experimentos que somente temos fem induzida em uma espira, imersa sobre um

campo magnético, se houver variação no número de linhas de indução que

atravessam a superfície de contato de uma espira. Os números de linhas de indução

é medido pela grandeza escalar que é chamada de fluxo magnético que é dado pela

equação 8.

(8)

Se a espira estiver inclinada em relação o campo magnético, o número de

linhas de indução que atravessa a espira é menor do que seria se a espira tivesse

perpendicular ao campo magnético, isto tornaria fluxo menor. Quando a espira for

paralela ao campo magnético, ela não será atravessada pelas linhas de indução e o

fluxo será nulo.

Grande parte do campo magnético que é gerado pela espira 1 não é captado

pela espira 2. Conhecendo as propriedades dos materiais ferromagnéticos sabemos

que eles possuem a propriedade de concentrar as linhas de campos. E por conta

disto se enrolamos as espiras 1 e 2 ao mesmo núcleo de material ferromagnético a

maioria das linhas de campo que a espira 1 produz será destinado a espira 2.

A potência (P), conforme equação 9, fornecida a um dispositivo elétrico é

dada pelo produto das grandezas elétricas tensão (U) e corrente (i), ou seja, se a

potência se manter constante, a corrente elétrica diminuirá quando a tensão

aumenta. E exatamente isto que ocorre num Transformador.

(9)

21

Sendo Np o número de espiras do primário (bobina que recebe a ddp a ser

transformada) e Ns o do secundário (bobina que fornece a ddp transformada), e

ainda, Up e Us os valores eficazes das respectivas ddps, demonstra-se pela

equação 10.

(10)

Chamada razão de transformação. Se Ns > Np, o transformador é um

elevador de ddp. Se Ns< Np, o transformador é um abaixador de ddp. Nos

transformadores considerados ideais, a potência média no primário é

aproximadamente igual àquela que alimenta o secundário, equação 11 e 12.

(11)

Portanto, (12)

A dissipação de energia nos transformadores é devida, principalmente, ao

efeito joule nos condutores dos enrolamentos e às correntes de Foucault no núcleo

do transformador.

Nas correntes de Foucault, o fluxo magnético varia com o tempo e devido a

isso, fems induzidas fazem circular, dentro do cubo, correntes induzidas. Muitas

vezes às correntes de Foucault são indesejáveis, por isso o transformador é dotado

de lâminas, isoladas uma das outras através de um esmalte especial e dispostas

paralelamente ás linhas de indução. Desta forma como as lâminas estão

organizadas elas aumentam a resistência elétrica i diminui a intensidade das

correntes de Foucault, por meio deste esquema que é feita a diminuição da

dissipação de energia elétrica.

22

6 APLICAÇÕES

De acordo com Allan (2014), historicamente as primeiras aplicações práticas

dos transformadores foram realizadas visando solucionar o problema do transporte

energético enfrentados, principalmente, pela eletrotécnica. Em 1878 e 1883, foram

construídos circuitos capazes de dividir a tensão elétrica, Jablochkoff e Gaulard &

Gibbs, respectivamente, construíram tais circuitos com finalidades distintas.

Utilizando dos circuitos primários da bobina para induzir a tensão ao circuito

secundário, o qual alimentava um circuito elétrico que se dispunha em série,

Jablochkoff foi capaz de testar o funcionamento de diversas lâmpadas, também, em

série. Gaulard & Gibbs em 1883, com o mesmo procedimento dispuseram o circuito

secundário em paralelo a outro circuito, alimentando-o e comprovando o seu

funcionamento.

A divisão de tensão, com adequação as necessidades das máquinas elétricas

a serem alimentadas é uma das aplicações mais básicas dos transformadores. De

acordo com a mesma fonte, o método de distribuição elétrica desenvolvido e

utilizado até a contemporaneidade foi realizado com base nos dois experimentos

anteriores em 1885 por Zipernowski, Deri e Bláthy. Salienta-se que os

transformadores utilizados para esta finalidade denominam-se transformadores de

potência, e são amplamente utilizados nas redes de transmissão elétrica.

O desenvolvimento desse método possibilitou, além da transmissão da rede

elétrica a longas distância, solucionar uma série de problemas enfrentados pela

eletrotécnica e ciências da eletricidade em geral. Devido as suas propriedades de

transmissão, geradores são utilizados em associação a fontes de alimentação,

visando regular a tensão de saída, a fim de não danificar o circuito.

Aplicam-se também na realização de medidas elétricas. Em casos em que as

tensões medidas são muito altas, torna-se inviável utilizar um aparelho de medição

como um multímetro para monitorar as variáveis elétricas. Transformadores nesse

contexto são utilizados para reduzir a tensão da linha, possibilitando a medição

segura, tanto para o operador, quanto para o instrumento, impossibilitando risco de

acidentes ou danos ao equipamento, enquanto efetua-se medida precisa.

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Devido à propriedade singular dos transformadores de reduzir a tensão, mas

manter a potência e a frequência iguais a da tensão original, eles podem ser

aplicados para a transmissão de altas frequências em qualquer escala. A

necessidade, em circuito eletrônicos, de componentes que atuam em alta frequência

é bastante ampla, com base no princípio dos transformadores é possível transmitir

altas frequências com baixos valores de tensão, teoricamente, com qualquer valor

de tensão.

Outra aplicação recorrente para os transformadores destina-se a proteção de

circuitos elétricos. Em caso de sobrecarga de tensão para o circuito, existe a

possibilidade de conectar-se uma chave ao transformador, fazendo com que este

reduza a tensão de alimentação a um valor seguro ao circuito. O método pelo qual

esse procedimento é realizado varia de circuito a circuito, todavia genericamente ele

consiste na utilização do transformador imediatamente após a fonte ou o elemento

do circuito que se pretende proteger, podendo estar conectado por uma chave, ou

não.

Uma utilização, também, em circuitos eletrônicos dos transformadores é para

o aumento da impedância do circuito. Associando um transformador em série é

possível aumentar a impedância do circuito, tendo em vista que essencialmente ele

é uma associação entre duas bobinas – que possuem impedância – ligadas por um

núcleo ferromagnético.

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7 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Sabemos que o funcionamento de um transformador está diretamente ligado

à indução eletromagnética e que existe uma relação entre as espiras, onde o campo

magnético formado pela primeira espira não tem um grande aproveitamento pela

segunda espira. Para um maior aproveitamento do campo magnético pela segunda

espira é necessário enrolar a primeira e a segunda espira, visto que os materiais

ferromagnéticos possuem a propriedade de concentrar as linhas de indução.

A estrutura de um transformador é composta por: um enrolamento primário,

enrolamento secundário e um núcleo ferromagnético e o que vai determinar se um

transformador é elevador ou abaixador vai ser justamente o numero de espiras

presentes no enrolamento primário e secundário.

Os transformadores são classificados de acordo com as suas aplicações

baseando-se nisto temos os seguintes transformadores: autotransformador,

transformador de corrente, transformador de potencial, transformador de sinal e

transformador ideal. A primeira aplicação dos transformadores foi no setor de

transporte elétrico que apresentavam problemas. A função principal de um

transformador é reduzir ou aumentar grandezas elétricas como a tensão para

atender a alimentação de máquinas ou aparelhos eletrônicos.

E suas aplicações são as mais diversas dentre as quais pode-se destacar a

transformação de eletricidade para a transmissão a longas distâncias de modo a

minimizar as perdas por efeito joule o máximo possível, pode-se perceber

atualmente que os transformadores são uma tecnologia necessária para diversos

usos, mostrando como uma descoberta física pode mudar toda uma maneira de se

organizar o mundo, já que sem transformadores, muitas coisas não funcionariam,

como os celulares tablets entre outros, que são carregados com baixas voltagens, e

sem transformadores não seria possível ter essas tecnologias atualmente.

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REFERÊNCIAS

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