Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Catarinense

TRANSFORMADORES

LETICIA RAIMONDI

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Catarinense

Campus Videira – Engenharia Elétrica

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Resumo ⎯. Os transformadores de potência são equipamentos essenciais no sistema elétrico de potência, alterando os níveis de tensão para interligar sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Um transformador, segundo Chapman, é um dispositivo que converte, por meio da ação de um campo magnético, a energia elétrica CA de uma dada frequência e nível de tensão em energia elétrica CA de mesma frequência, mas outro nível de tensão. Este relatório tem por objetivo explanar os dados obtidos de experimentos em laboratório (determinação da relação de transformação e marcas de polaridade e determinação dos parâmetros do circuito equivalente de um transformador real) e compará-los com os valores reais.

Palavras-chave⎯ Transformador; Circuito Equivalente; Relação de Transformação; Ensaio;

1. Introdução

Segundo Chapman, o primeiro sistema de distribuição de energia elétrica dos Estados Unidos foi um sistema CC de 120V inventado por Thomas A. Edison. A primeira estação geradora de energia elétrica de Edison entrou em operação na cidade de Nova York em setembro de 1882. Infelizmente, seu sistema gerava e transmitia energia elétrica com tensões tão baixas que se tornavam necessário correntes muito elevadas para fornecer quantidades significativas de energia. Essas correntes elevadas causavam quedas de tensão e perdas energéticas muito grande nas linhas de transmissão, restringindo severamente a área de atendimento de uma geração geradora.

Idealmente, ainda segundo Chapam, um transformador converte um nível de tensão CA em outro nível de tensão sem afetar a potência elétrica real fornecida. Se um transformador elevar o nível de tensão de um circuito, ele deverá diminuir a corrente para manter a potência que chega ao dispositivo igual a potência que o deixa.

Neste relatório, foi realizado experimentos em laboratório utilizando um transformador monofásico 220:220 V de forma a entender melhor o funcionamento do equipamento e aplicar a teoria. Os experimentos continham análise do funcionamento do transformador com excitação CC, relação de transformação do transformador em CA, ensaio de curto-circuito e ensaio de circuito aberto.

Este estudo está dividido em 4 seções, que são, respectivamente: Introdução (1), onde se apresenta características e método para elaboração do relatório; a Fundamentação Teórica (2) abrange toda a teórica necessária para o entendimento do experimentos, Discussão e Resultados (4) são apresentados os resultados dos experimentos, bem como ao valores e fotos obtidas do oscilador e multímetro do laboratório; a Conclusão (5) expondo as impressões finais sobre os resultados obtidos dos amplificadores operacionais.

2. Fundamentação Teórica

Segundo Fitzgerald, um transformador consiste em dois ou mais enrolamentos acoplados por meio de um fluxo magnético comum. Se um desses enrolamentos “primário”, normalmente visto como a “entrada”, for conectado a uma fonte de tensão de entrada, será produzido um fluxo alternado cuja amplitude dependerá da tensão do primário, da frequência da tensão aplicada e o número de espiras. Uma porção desse fluxo, denominado fluxo mútuo, concatena um segundo enrolamento, o “secundário”, normalmente visto como a “saída”, induzindo neste uma tensão cujo valor depende do número de espiras do secundário, assim como da magnitude do fluxo comum e da frequência.

Ao se estabelecer uma proporção adequada ent re os números de espiras do primário e do secundário praticamente qualquer relação de tensão, ou relação de transformação, pode ser obtida.

2.1 Condição sem carga (a vazio)

A figura a seguir mostra esquematicamente um transformador com circuito secundário em aberto e uma tensão v_1 aplicada ao primário.

Figura 1 – Transformador com secundário aberto

Fonte: Fitzgerald. (2014)

Uma pequena corrente (iφ), chamada de corrente de excitação ou corrente de magnetização, circula no primário e estabelece um fluxo alternado no circuito magnético. Este fluxo induz uma força eletromotriz (FEM) no primário igual a:

e_1=N_1*dφ/dt

e_1: Tensão induzida no primário (Volts);

N_1: Número de espiras do primário;

φ: Fluxo no núcleo enlaçando os enrolamentos (Weber);

O valor da FEM mais a queda de tensão na resistência do primário é equivalente a tensão v_1 aplicada.

v_1=R_1*iφ+e_1

Na maioria dos transformadores, a queda de tensão a vazio na resistência do primário é tão pequena que o valor de e_1 é bem próximo de v_1. As formas de onda de tensão e fluxo são quase senoidais e a força eletromotriz induzida está adiantada 90° em relação ao fluxo.

De acordo com a equação acima, se a queda de tensão na resistência for desprezível, a força contraeletromotriz (FCEM) será igual a tensão aplicada. Quando uma tensão senoidal é aplicada a um enrolamento, um fluxo senoidal deve estabelecer-se no núcleo com um valor máximo de:

φ_max= V_1/(√2 πfN_1 )

Ainda segundo Fitzgerald, o fluxo no núcleo é estabelecido pela tensão aplicada e a corrente de excitação necessária é determinada pelas propriedades magnéticas do núcleo. Vale mencionar que a forma de onda da corrente de excitação não será senoidal.

Uma curva de corrente de excitação em função do tempo, pode ser obtida graficamente a partir do laco de histerese CA. Se a corrente de excitação for analisada por métodos baseados em séries de Fourier, constata-se que ela consiste em uma componente fundamental e uma série de harmônicas de ordem ímpares. A harmônica principal é a terceira, ela representa cerca de 40% da corrente de excitação.

Figura