ELEMENTOS DA CONSTRUÇÃO DE PRINCIPAIS TIPOS DE TRANSFORMADORES

ELEMENTOS DA CONSTRUÇÃO DE PRINCIPAIS TIPOS DE TRANSFORMADORES

Quando pensamos em transformadores, logo vem em mente uma variedade incontável de tipos de transformadores, dos maiores até os mais simples. Excluindo os transformadores utilizados em equipamentos e aparelhos de fonte própria de energia elétrica, todos os demais transformadores constituem parte de um sistema de potência, onde encontra, desde os grandes transformadores instalados em usinas geradoras, com potência individuais da ordem de centenas megavolt-ampéres, até pequenas unidades utilizadas em comunicações, com potência de frações de watt. Por tanto a variedade de transformadores encontrado no sistema de potência é enorme. Todavia, serão considerados nesse tópico como transformadores de potência somente aqueles encontrados a partir da geração de energia nas usinas elétricas, até a final distribuição dessa energia aos seus consumidores, para fins industriais, comerciais e domiciliares. Esses principais transformadores utilizados nos sistemas de potência são apenas dois tipos: os “de força” e os chamados “de distribuição”, onde as características próprias de cada um desses grupos não será o objetivo dessa seção, não fugindo do objetivo do assunto proposto, será retratado os elementos de construção dos principais tipos de transformadores, onde serão considerados os seguintes critérios de classificação e respectivos tipos de transformadores segundo Rubens Guedes Jordão, professor de Eletrotécnica da Universidade de São Paulo:

1. Núcleos
2. No arranjo relativo Núcleo-Enrolamento, transformadores de núcleo envolvidos (Nucleares) e transformadores de núcleo envolventes (Encouraçados);
3. Do núcleo de fase: Transformadores monofásicos e polifásicos;
4. Do arranjo relativo dos enrolamentos de alta e baixa tensão, transformadores de enrolamento em tubos concêntricos e em discos alternados;

NÚCLEOS.

A respeito dos núcleos ferro-magnéticos dos transformadores, cabem algumas considerações. Segundo Rubens Guedes Jordão, “sua função principal é a da intensificação do acoplamento magnético entre os enrolamentos primário e secundário, para o que são empregados materiais altamente permeáveis. Ciente dessa finalidade, há que se reconhecer, que eles devem ser suficientemente rígidos, contudo devam ser laminados para a redução de suas percas Foucault”. Nos transformadores comuns com frequências usuais de 50 e 60 Hz, a espessura das chapas laminadas pode ser reduzida a valores de ordem de 0,35 a 0,30 mm, essas chapas são de aço-silício (chapas siliciosas) que reduz ainda mais as percas Foucault, procura-se aumentar a resistividade dos materiais ferromagnéticos e, para que essa laminação produza os efeitos desejados, usualmente se recorre a isolação entre as superfícies das lâminas em contatos. Essa isolação é obtida com papel ou vernizes isolantes, onde a maioria das vezes a própria oxidação dessas superfícies é suficiente para proporcionar uma isolação adequada. Ligas especiais e tratamento térmico são empregados para minimizar a dissipação de energia, para o que o silício também contribui. Outro recurso para reduzir perdas e aumentar a permanência dos núcleos é o aço de grãos orientados, que é um material propriedades magnéticas altamente diferenciadas, possui elevada permeabilidade magnética, o que permite gerar fortes campos magnéticos com pouca corrente elétrica.

  Ainda em relação à construção dos núcleos e, em particular, ás suas seções transversais, segundo Rubens Guedes Jordão, elas podem ser encontradas sob diversas formas, “desde a quadrada, até aquelas que se aproximam da circular. A quadrada, é utilizada somente em pequenos transformadores (nucleares) dotados, de bobinas também retangulares. Para potências crescentes e, portanto, transformadores maiores, a tendência é a de usar exclusivamente bobinas circulares e, consequentemente, seções de núcleo que mais se aproximem dessa forma, a fim de permitir melhor aproveitamento dos espaços disponíveis e melhor fixação das bobinas em torno das colunas dos núcleos. Além de mais adequadas para suportar esforços mecânico, a forma circular oferece ainda maiores facilidades para isolação das bobinas”. Essas bobinas são feitas com fio de alumínio esmaltados, são diversas camadas enroladas desse fio e, entre uma camada e outra uma isolação de papel com uma alta característica de isolação, durante o processo esse papel isolante absolve muita umidade, onde é feito um processo de secagem para secar esse papel. Vale pontuar que a quantidade de camadas de fio esmaltado na bobina, não faz parte desse tópico.

Arranjo Relativo Núcleo-Enrolamentos, Núcleo Envolvidos e Núcleos Envolvente

Para uma melhor compreensão, será abordado os arranjos dos principais transformadores de finalidade citadas nesse tópico. Segundo Rubens Guedes Jordão, “ há dois tipos de arranjo entre núcleo e enrolamentos, que conduzem a dois tipos de transformadores: os dito “de Núcleo Envolvido”, também chamados Nucleares, e os “de Núcleo Envolvente”, também conhecido como Encouraçado. Atende-se, por hora, aos transformadores monofásico, no primeiro tipo, o núcleo é constituído por apenas duas colunas, I e II, e seus enrolamentos em geral são acomodados em torno dessas duas colunas, projetando-se para além do contorno do núcleo, razão da denominação “ de Núcleo Envolvido” (pelos enrolamentos). No segundo caso, o núcleo possui três colunas, I, II, III, e os enrolamentos são alojados somente na coluna central (III), permanecendo (parcialmente) envolvidos pelas colunas externas, donde a denominação “de Núcleo Envolvente”. É importante salientar que, no caso de transformadores monofásico, o fato de o núcleo ser envolvido ou envolvente pouco influência exerce sobre seu funcionamento elétrico. A escolha da melhor opção em geral depende de fatores de ordens construtivas, ou seja, para transformadores de núcleo envolvente os mais adequados são os mais adequados para maiores potências, sob tensões relativamente mais baixas. Entretanto, sob determinadas condições de trabalho, pelo qual não será exposto por não ser objeto de estudo desse trabalho, o comportamento elétrico dos transformadores trifásicos pode ser sensivelmente afetado pelo tipo de núcleo, isto é, pelo fato de ser envolvido ou envolvente.

Transformadores Trifásicos de Núcleo Envolvido

Além de monofásico, os transformadores também podem ser polifásicos e, dentre estes, os mais utilizados são os trifásicos, os únicos a serem considerados nesta seção. Para ter uma noção da concepção de um transformador trifásico de núcleo envolvido será resumido na sequência, de acordo o livro TRANSFORMADORES, de Rubens Guedes Jordão a sequência das figuras 4.4 (a,b,c,d,e), merece os seguintes esclarecimentos. “ A situação inicial (fig. 4.4a) corresponde a três transformadores monofásico que poderiam operar em banco em linha trifásica. Suponha-se que os três transformadores monofásicos fossem despojados de seus tanques e seus componentes ativos (núcleo e respectivos enrolamentos) introduzidos separadamente dentro de um tanque maior (situação b). Salvo efeito desprezíveis de fluxos dispersos, o comportamento desse conjunto seria idêntico ao das três unidades monofásicas iniciais. O mesmo aconteceria na situação (c), caso em que as três colunas desprovidas de enrolamentos surgem “fundidas” em uma única coluna central, onde estabeleceria o fluxo resultante das fases A, B e C. A.” Cabe uma observação a respeito desse fluxo resultante, ainda de acordo com o livro Transformadores “ normalmente as linha trifásicas mantem os transformadores sob tensões senoidais e simétricas, caso em que os fluxos nos núcleos dos transformadores permanecem senoidalmente variáveis, com o mesmo valor máximo por fase e com defasagem de 120° entre essas fases.”