Transformadores

Transcript

4 Lista de imagens Imagem 1: Representação de um transformador monofásico Imagem 2: Representação de um transformador isolador Imagem 3: Representação de um transformador elevador Imagem 4: Representação de um transformador abaixador Imagem 5: Representação de um autotransformador Imagem 6: Transformador monofásico Imagem 7: Transformador trifásico Imagem 8: Transformadores a seco Imagem 9: Transformador com aletas Imagem 10: Transformador com tubulações Imagem 11: Transformador com serpentina externa Imagem 12: Transformador com serpentina interna Introdução No seguinte trabalho é abordado o tema transformador de energia elétrica, descrevendo seu principio de funcionamento e sua grande utilidade para a população. Está descrito também os vários tipos existentes e diferenciando as características de cada um, sendo que eles podem ser classificados quanto ao tipo de transformação, quantidade de fases e sistema de isolamento, dando uma idéia de como funciona cada tipo. Constam no trabalho também as falhas e perdas apresentadas pelos transformadores, que como qualquer outra máquina, não são perfeitos. Objetivos Objetivo geral: abordar o tema transformadores a fim de conhecê-los e compreende-los. Objetivos específicos: Entender o funcionamento dos transformadores; Classificar os transformadores segundo suas características; Identificar algumas imperfeições existentes nos transformadores. Desenvolvimento O que é um transformador e como funciona Transformador é um dispositivo elétrico que trabalha com corrente alternada (AC), ele é ligado a dois circuitos, e nessa ligação ele transforma tensões e correntes, sendo que um é inversamente proporcional ao outro, ou seja, se ele aumentar a tensão, a corrente vai diminuir e vice-versa. É composto por duas bobinas (enrolamentos de fios condutores) e um núcleo ferromagnético, sendo que uma das bobinas é denominada enrolamento primário e a outra de enrolamento secundário, existem transformadores com mais de um enrolamento secundário, esse tipo de transformador é muito utilizado em eletrônica, pois é capaz de produzir vários valores de tensões diferentes. Imagem 1 Seu principio de funcionamento está baseado nas leis eletromagnéticas de Faraday e Lenz. Quando uma tensão alternada é aplicada ao enrolamento primário, surge por indução eletromagnética uma tensão no enrolamento secundário. A tensão e o número de espiras do primário são proporcionais a tensão e o número de espiras do secundário, sendo assim, é possível deduzir a seguinte fórmula. VsVp=NsNp onde: Vs: tensão no enrolamento secundário; Vp: tensão no enrolamento primário; Ns: número de espiras do secundário; Np: número de espiras do primário. O resultado da relação Vs/Vp é denominado relação de transformação, ou seja: VsVp=Relação de Transformação Através da relação de transformação é possível classificar os transformadores em três tipos: transformador elevador; transformador abaixador; transformador isolador. Transformador elevador: Todo transformador com relação de transformação maior que 1 é denominado transformador elevador, ele possui mais espiras no enrolamento secundário em relação ao primário, por isso tem a capacidade de elevar a tensão. Transformador abaixador: Todo transformador com relação de transformação menor que 1 é denominado transformador abaixador, ele possui menos espiras no enrolamento secundário em relação ao primário, por isso tem a capacidade de abaixar a tensão. Transformador isolador: Todo transformador com relação de transformação igual a 1 é denominado transformador isolador, ele possui a mesma quantidade de espiras no enrolamento secundário em relação ao primário, por isso a tensão é a mesma nos dois enrolamentos. Relação de potência em transformadores Pode-se dizer que um transformador recebe uma quantidade de energia elétrica no enrolamento primário, transforma em campo magnético e esse é transformado novamente em energia elétrica pelo segundo enrolamento. Sendo assim, podemos admitir que o enrolamento primário recebe uma certa quantidade de potência, que é denominada de "potência do primário" (Pp), considerando que não existem perdas, a potência fornecida pelo enrolamento primário será absorvida pelo enrolamento secundário, a mesma é denominada "potência do secundário" (Ps). Ou seja: Potência disponível no secundário=Potência absorvida no primário Como a potência é o produto da tensão (V) e a corrente (i), pode-se dizer que: Pp=Ps Vp×ip=Vs×is Onde: Vp: tensão no enrolamento primário; ip: corrente no enrolamento primário; Vs: tensão no enrolamento secundário; is: corrente no enrolamento secundário. Esta equação é valida apenas para transformadores monofásicos (apenas um enrolamento secundário), para transformadores com mais de um secundário deve-se admitir que a potência de entrada seja igual à soma das potências de saída, ou seja: Pe=Ps1+Ps2+…+Psn Onde: Pe: Potência de entrada; Ps1: Potência no enrolamento secundário 1; Ps2: Potência no enrolamento secundário 2; Psn: Potência de enrolamentos secundários. Classificação dos Transformadores Os transformadores podem ser classificados quanto ao tipo de transformação. Transformador isolador: O transformador isolador possui exatamente a mesma quantidade de espiras no enrolamento primário e no secundário, portanto a tensão de entrada é igual à tensão de saída, como o próprio nome diz, ele é utilizado para fazer o isolamento de um circuito elétrico, pois seu enrolamento primário fica isolado eletricamente do enrolamento secundário. Nesse caso, toda a carga ligada à saída do transformador fica de certa forma, protegida de alguns harmônicos, de surtos e curtos que sejam provenientes da tensão que entra no transformador, pode-se dizer então, que um transformador isolador é capaz de filtrar as imperfeições da rede elétrica, pelo fato de não ter contato físico com a mesma (apenas indução eletromagnética). Transformadores isoladores são utilizados em laboratórios de eletrônica, em equipamentos médicos e odontológicos, na área de informática, em subestações, em no-breaks e estabilizadores. Em todas as suas aplicações, seu principal objetivo é isolar eletricamente um circuito da rede elétrica e evitar a passagem de surtos elétricos. Imagem 2 Transformador elevador: Possui mais espiras no enrolamento secundário, portanto a tensão de saída será maior do que a de entrada, no entanto a corrente de saída será menor do que a de entrada, pois a potência de entrada deve ser igual a de saída. Devido a sua capacidade de diminuir a corrente elétrica, o transformador elevador é muito utilizado na usinas geradoras de energia. Após gerada, a energia vai até o transformador elevador de tensão, com o objetivo de aumentar a sua tensão e diminuir a corrente elétrica, o que é fundamental para poder transportar a energia elétrica por longas distâncias, nesse tipo de transmissão, a tensão gira em torno de 230KV a 750KV. Imagem 3 Transformador abaixador: Possui menos espiras no enrolamento secundário, portanto a tensão de saída será menor do que a de entrada, seguindo a fórmula da potência, nesse tipo de transformador, a corrente de saída será maior do que a de entrada. Esse tipo de transformador possui uso muito diversificado, sendo usado desde subestações, e até em circuitos eletrônicos, a maioria dos aparelhos eletroeletrônicos, como televisores, computadores, aparelhos de som, etc, possui um transformador abaixador. Em todos esses aparelhos, o transformador recebe a energia com a tensão da rede elétrica (110-220V) e a transforma em uma tensão adequada para uso. Imagem 4 Autotransformadores: Os autotransformadores possuem estrutura magnética idêntica à dos transformadores normais, mas diferem na parte elétrica: o enrolamento primário e secundário não formam dois complexos de espiras distintas, pelo contrário, são agrupados em um único enrolamento. Pelo fato de ter apenas um enrolamento, utiliza-se menos cobre, podendo chegar a 80% de economia de cobre. Os autotransformadores tem a capacidade de receber tensão nos dois enrolamentos, por isso ele é muito utilizado para converter tensões de 110-220V e 220-110V, podendo realizar os dois processos com o mesmo transformador. Imagem 5 Os transformadores podem ser classificados também como monofásicos e trifásicos. Transformador monofásico: é o tipo mais simples de transformador, como o próprio nome diz, o transformador monofásico trabalha apenas com uma fase, ele possui apenas duas bobinas, uma do enrolamento primário, e a outra do enrolamento secundário. Este também possui uso muito diversificado, tendo concentração na área eletroeletrônica, mas também é utilizado em redes de distribuição como abaixador de tensão. Imagem 6 Transformador trifásico: Um transformador trifásico é como três transformadores monofásicos juntos, o princípio de funcionamento é exatamente o mesmo, ele pode ser abaixador ou elevador de tensão, possui seis bobinas ao todo, três no enrolamento primário e mais três no enrolamento secundário. Enquanto a carga secundária for equilibrada e simétrica, o funcionamento do transformador pode ser estudado observando-se apenas uma fase, qualquer que seja o esquema das conexões das fases primárias e secundárias. No entanto essa simplificação de estudo não é possível quando o transformador trifásico deve alimentar uma carga fortemente desequilibrada, nesse caso, o funcionamento do transformador dependerá do tipo de agrupamento das fases primárias e secundárias, que podem ser: Agrupamento estrela-estrela com ou sem fio neutro; Agrupamento triângulo - estrela com ou sem fio neutro; Agrupamento estrela – triângulo; Agrupamento triângulo – triângulo; Agrupamento estrela-ziguezague. O uso desse tipo de transformador é concentrado nas redes de distribuição, ele está presente na usina geradora de energia, como elevador de tensão, na subestação como abaixador de tensão e também nos postes de distribuição novamente como abaixador de tensão. Imagem 7 Podemos classificar também os transformadores quanto ao seu sistema de resfriamento Transformador a seco: em geral, é de pequeno porte, seu sistema de resfriamento é à base de radiação direta, ou seja, exposto diretamente ao ar ambiente. Esse sistema de resfriamento pode ser por ventilação natural ou por ventilação forçada. Na ventilação natural, ele é simplesmente exposto ao ar ambiente e na ventilação forçada, existe um equipamento mecânico, como um ventilador que é responsável pelo seu resfriamento. Imagem 8 Transformador a óleo: Em geral, é de grande porte, seu sistema de resfriamento é à base de óleo. Nesse caso, o transformador é colocado dentro de um tanque, e após, é preenchido com óleo mineral isolante. Como o óleo toca o núcleo e as bobinas do transformador, ele retira calor dos mesmos, mas acaba se aquecendo, por isso, é necessário um sistema de resfriamento de óleo, esse sistema pode ser: Circulação pelo próprio tanque: neste caso, o óleo fica subindo e descendo dentro do tanque devido à variação de sua densidade, como o tanque possui características de dissipar calor, o movimento de óleo dentro do tanque é capaz de resfriá-lo. Alguns transformadores possuem paredes metálicas externas ao tanque (aletas), por onde o óleo circula, com o objetivo de aumentar a superfície de contato com o ar atmosférico. Imagem 9 Circulação por canos externos ao tanque: neste caso a estrutura do tanque possui canos externos por onde o óleo fica circulando, pelo fato desses canos estarem em contato com o ar atmosférico, o resfriamento do óleo ocorre de forma mais eficiente. Também, pode existir neste caso um resfriamento forçado, através de ar frio que é impelido por ventiladores. Imagem 10 Resfriamento por serpentina: Neste caso, existe uma serpentina que circula dentro do tanque, por essa serpentina passa água fria, a qual retira calor de dentro do tanque. Existe outro caso, onde a serpentina fica fora do tanque, neste caso, o óleo passa por dentro da serpentina e é resfriado fora do tanque. Imagem 11 Imagem 12 Perdas no transformador Como no mundo não existe nenhuma máquina ideal, com os transformadores não é diferente, mesmo sendo uma grande solução para os problemas de perda durante a transmissão de energia, ele acaba gerando problemas de perdas durante o processo de transformação. Atualmente um transformador tem uma eficiência que gira em torno de 80% a 98%, dependendo do tipo de perdas que ele sofre, tais perdas podem ser: Perdas no ferro (núcleo ferromagnético onde estão as bobinas): são produzidas pelas correntes parasitas e pela histerese magnética. Perdas por correntes parasitas (correntes de Foucault): em uma massa metálica sujeita a variação de fluxo, gera-se uma forca eletro motriz, que produz dentro da massa metálica correntes muito intensas chamadas correntes parasitas, essas correntes produzem uma força magneto-motriz que se opõe ao fluxo. A fim de reduzir esse tipo de perda é utilizado para construir o núcleo, pequenas lâminas de ferro isoladas entre si. Perdas por histerese magnética: qualquer núcleo magnético sujeito a magnetizar-se percorre um ciclo de histerese todas as vezes que o campo magnetizante varia, sendo a potência perdida, proporcional à superfície do ciclo. Perdas no cobre: ocorre nos enrolamentos primário e secundário do dispositivo. Como esses são constituídos de fios de cobre, trata-se da dissipação de potência na forma de calor, por efeito Joule, que ocorre quando circula corrente pelos enrolamentos. Um recurso para diminuir a perda no cobre, é o aumento da bitola dos fios usados nos enrolamentos. Uma outra forma é manter a corrente no transformador no valor mais baixo possível. Como sabemos que existem perdas em um transformador, podemos calcular a eficiência de um transformador baseado na potencia de entrada e potencia de saída, utilizando à seguinte fórmula: Ef=PsPe×100 Onde: Ef: eficiência do transformador; Ps: Potência de saída do transformador; Pe: Potência de entrada do transformador; Conclusão Tendo em vista os aspectos observados podemos perceber que os transformadores são maquinas que resultam do incrível fenômeno que revolucionou o mundo, a indução eletromagnética. Com uma construção relativamente simples, são constituídos apenas de fios condutores e ferromagnético. No entanto, são de extrema importância para a população, pois realizam diversas funções necessárias, tais funções são de suma importância para que possamos ter o conforto da energia elétrica em casa, pois, sem eles seria impossível o transporte de energia elétrica por longas distancias. Também são utilizados para o funcionamento de eletroeletrônicos, estando presentes desde os mais simples até os mais sofisticados aparelhos existentes. Como todas as máquinas, eles possuem perdas, tais perdas são irreversíveis na atualidade. Bibliografia MARTIGNONI, alfonso. Transformadores. 8ª edição. São Paulo: Globo, 1991. 307p. ELETRICA, materiais e equipamentos em sistemas de baixa tensão. SENAI – ES, 1997. 200p. KNIRSCH, Jorge. "Transformador, um Mal Necessário". Disponível em: http://www.byknirsch.com.br/artigos-05-07-trafomalnec.shtml - Acessado em 19/04/2011, às 21:49 hs. ESQUEMAS eletrônicos. "O que é um transformador abaixador?" Disponível em: http://eletronicos.etc.br/o-que-e-um-transformador-abaixador/ - Acessado em 19/04/2011, às 21:56 hs. TRANSFORMADOR isolador. Disponível em: http://www.sms.com.br/respostas-sms/sobre-energia/protecao-energia/transformador-isolador/transformador-isolador.asp. Acessado em 22/04/2011 às 23:41 hs. TRANSFORMADOR trifásico. Disponível em: http://www.camacho.eng.br/TTs.htm. Acessado em 22/04/2011, às 23:45 hs. TIPOS e aplicações de transformadores. Disponível em: http://www.ufrgs.br/eng04030/aulas/teoria/cap_13/tiaptran.htm. Acessado em 22/04/2011, às 23:50 hs. INOVAÇÃO tecnológica, tudo o que acontece na fronteira do conhecimento. "Novos transformadores elétricos". Disponível em: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=020115010907. Acessado em 25/04/2011, às 21:57 hs. ELETRONICA, seu portal para o universo da eletrônica. "Transformadores Piezoelétricos". Disponível em: http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/694. Acessado em 25/04/2011, às 22:01 hs. INOVAÇÃO tecnológica, tudo o que acontece na fronteira do conhecimento. "Novo ferrite para transformadores". Disponível em: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010160030410. Acessado em 25/04/2011, às 22:16 hs. Anexos Novos transformadores elétricos Um consórcio de engenharia liderado pelas universidades norte-americanas de Purdue e Missouri deu significativo passo para a substituição dos transformadores a óleo que há mais de um século estão presentes nos postes de distribuição em todas as cidades. O consorcio desenvolveu uma nova classe de transformadores que é do tipo "estado-sólido", significando que eles se baseiam fundamentalmente em semicondutores, como transistores e circuitos integrados, ao contrário das pesadas bobinas de cobre e núcleos de ferro dos atuais transformadores. Os novos transformadores apresentam uma série de vantagens sobre os transformadores atualmente utilizados: Diminuem as freqüentes oscilações da rede elétricas que diminuem a vida útil dos aparelhos elétricos, proporcionando uma energia de melhor qualidade. Reduzem a quantidade de corrente que se deve realmente disponibilizar para alimentar equipamentos. São menos danosos ao meio ambiente, pois não utilizam óleo mineral. Será eliminado o desperdício de energia que os transformadores atuais causam, quando transformam uma parte da energia elétrica da rede em calor. Devido à nova tecnologia utilizada, terão aparência mais elegante, alem de serem muito mais leves que os atuais transformadores. Outro benefício refere-se aos custos: enquanto o preço dos materiais utilizados na fabricação dos atuais transformadores é praticamente estável, o preço dos semicondutores cai quase que diariamente. A pesquisa sobre os novos transformadores é financiada pela Asea Brown Boveri (ABB), e já está com pedido de patente registrado. Novo ferrite para transformadores A empresa japonesa Fujitsu apresentou um novo ferrite para transformadores à base de manganês e zinco (Mn-Zn), que possui a maior densidade de saturação do fluxo magnético já verificada em materiais desse tipo. A principal aplicação do material é como núcleo de transformadores para carros e inversores para telas de cristal líquido. Para os núcleos de transformadores com aplicação em automóveis, exige-se uma capacidade de operação sob severas condições de temperatura, devido ao calor gerado pelo motor. É por isto que se requer uma alta densidade de saturação do fluxo magnético em altas temperaturas. O novo material foi produzido otimizando-se o método de sinterização e alterando-se a temperatura Curie (temperatura na qual se perde o magnetismo) para uma temperatura mais alta, pela alteração da composição do ferrite. Quando este ferrite é utilizado em bobinas, o volume do produto final pode ser diminuído entre 15 e 20%, em comparação com os produtos tradicionais. A empresa está agora testando a produção do novo ferrite para transformadores em escala industrial, para que ele possa chegar ao mercado.