"Transformadores são dispositivos usados para abaixar ou aumentar a tensão e a corrente elétricas. Os transformadores consistem em dois enrolamentos de fios, primário e secundário, envolvidos em um núcleo metálico. A passagem de uma corrente elétrica alternada no enrolamento primário i...
"Transformadores são dispositivos usados para abaixar ou aumentar a tensão e a corrente elétricas. Os transformadores consistem em dois enrolamentos de fios, primário e secundário, envolvidos em um núcleo metálico. A passagem de uma corrente elétrica alternada no enrolamento primário induz à formação de uma corrente elétrica alternada no enrolamento secundário. A proporção entre as correntes primária e secundária depende da relação entre o número de voltas em cada um dos enrolamentos.
Veja também: Entenda como é produzida a energia elétrica
Tópicos deste artigo
1 - Como funcionam
2 - Tipos de transformadores
3 - Exercícios
Como funcionam
Os transformadores são usados para abaixar ou aumentar as tensões e correntes elétricas em circuitos de consumo ou transmissão de energia elétrica. Se um transformador abaixa uma tensão elétrica, ele automaticamente aumenta a intensidade da corrente elétrica de saída e vice-versa, mantendo sempre constante a potência transmitida, dada pelo produto da corrente pela tensão.
P — potência elétrica
U — tensão elétrica
i — corrente elétrica
Por questões de eficiência, a transmissão de energia elétrica em grandes distâncias sempre ocorre em alta tensão e com baixa corrente elétrica, em resposta às perdas de energia ocasionadas pelo efeito Joule, uma vez que a energia dissipada nos fios é proporcional à corrente elétrica.
Para os circuitos de consumo de energia, como os residenciais, são utilizados baixos valores de tensão elétrica, por questões de segurança — potenciais elétricos muito elevados podem produzir descargas elétricas. É por essa razão que encontramos grandes transformadores nos postes, cuja função é a de abaixar o potencial elétrico da corrente que é conduzida pelos fios, levando-a para as residências com tensões de 110 V ou 220 V.
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Veja também: Efeitos no corpo ao tomar um choque
Os transformadores comuns são construídos com dois enrolamentos de fios de cobre, chamados de primário e secundário. Esses enrolamentos sempre contam com diferentes números de voltas e encontram-se então torcidos em volta de um núcleo de ferro, sem que haja contato entre eles. Observe a figura a seguir:
Transformador com enrolamentos primário e secundário.
O enrolamento primário é ligado diretamente a um gerador de força eletromotriz alternada (transformadores não funcionam com corrente direta), ou seja, nele, forma-se uma corrente elétrica de intensidade e sentido variável, levando à geração de um campo magnético com as mesmas características.
Esse campo magnético é então concentrado e amplificado pelo núcleo férreo em direção ao enrolamento secundário. O campo magnético variável induz ao surgimento de uma corrente elétrica no secundário. A relação entre os potenciais elétricos entre os enrolamentos primário e secundário é dada pela fórmula seguinte:
Exemplo da necessidade do uso de transformadores em sistemas de potência
Seja um gerador com tensão terminal de 10 kV e capacidade de 300 MW, e que se
deseja transmitir esta potência (energia) para um carga situada a um distância de 20
km.
Tem-se que:
I
f= P
f` / V
f A
Sabemos que:P
f= 300,0 MW
V
f= 10,0 kV
Assim, temos:
I
f= 300,0/10,0 = 30,0 kA
Exemplo da necessidade do uso de transformadores em sistemas de potência
Sendoaresistividadedocobre=1,7510-8/m,aresistênciaserá:
R
L= l/A
Paral=20kmeconsiderandoqueocondutortemumabitolade25mm2,temos:
R
L= (1,75 10
-8
20 10
3
)/((25 10
-3
)
2
) = 0,1783
Assim,aperdaôhmicadepotência(dissipadanaLT)será:
Ploss= R
LI
2
= 0,1783 (30,0)
2
= 160 MW
Estaperdarepresenta:
(160/300,0) 100 = 53,3%
Ou seja, mais da metade da potência (energia) gerada seria perdida na transmissão.
Uso de transformadores em sistemas de potência
Produçãodeumcampomagnético.
“Quando um condutor é percorrido por uma corrente elétrica surge
em torno dele um campo magnético”
LeicircuitaldeAmpère.
n
k
k
c
ildH
1
.
i
André-Marie Ampère
Revisão (1/6)
Revisão (2/6)
Constatações:
Ocorreumdeslocamentodoponteirodogalvanômetronoinstante
emqueachaveéfechadaouaberta(fonteCC).
Paracorrenteconstante(chavefechada),independentementede
quãoelevadosejaovalordatensãoaplicada,nãohádeslocamento
doponteiro.
Michael Faraday
LeideFaraday.e fluxo
Revisão (4/6)
Michael Faraday
AleideFaradaydeclaraque:
“Quandoumcircuitoelétricoéatravessadoporumfluxomagnético
variável,surgeumafem(tensão)induzidaatuandosobreomesmo.”
AleideFaradaytambémdeclaraque:
“Afem(tensão)induzidanocircuitoénumericamenteigualà
variaçãodofluxoqueoatravessa.”dt
d
e
LeideFaraday.e fluxo
Revisão (5/6)
Michael Faraday
FormasdeseobterumatensãoinduzidasegundoaleideFaraday:
Provocarummovimentorelativoentreocampomagnéticoeo
circuito.
Utilizarumacorrentevariávelparaproduzirumcampomagnético
variável.dt
d
e
LeideLenz.
Heinrich Lenz
Revisão (6/6)
“A tensão induzida em um circuito fechado por um fluxo magnético
variável produzirá uma corrente de forma a se opor á variação do
fluxo que a criou”dt
d
e
Principio de funcionamento (1/4)
Oqueaconteceseenergizamosabobina1comumafontede
correntecontinua?
Oqueobservaabobina2?
Principio de funcionamento (2/4)
Oqueaconteceseenergizamosabobina1dotransformadorcom
umafontedecorrentealternada?
Oqueobservaabobina2dotransformador?
Principio de funcionamento (3/4)
PelaleideinduçãodeFaraday,surgeumatensãoinduzidana
bobina2dotransformador.
Principio de funcionamento (4/4)
Seumacargaéconectadanabobina2dotransformador,uma
correntei
2circularápelomesmo.
PelaleideLenz,osentidodacorrentei
2édeformaaseoporá
variaçãodofluxomagnéticoqueacriou.
Transformadorideal(semperdas):
Aresistênciadosenrolamentossãodesprezíveis
Apermeabilidadedonúcleoéinfinita(portantoacorrentedemagnetização
énula)
Nãohádispersão
Nãoháperdasnonúcleo
Transformador ideal
+
v
1
–
+
v
2
–
+
e
1
–
+
e
2
–
Equaçãofundamentaldotransformador1 1 1
2 2 2
d
v e N
dt
d
v e N
dt
Emvaloreficaztemos:
Equação fundamental do transformadorABfNE
dt
d
Ne
m....444,4
1111
ABfNE
dt
d
Ne
m....444,4
2222
ABfNE
m
....444,4
Considerandootransformadoridealemvazio(i
2=0)1 1 1
2 2 2
d
v e N
dt
d
v e N
dt
Destaformatemos:1
1 1 1
2 2 2
2
d
N
v e N dt
a
dv e N
N
dt
Emque,aérelaçãodeespirasdotransformador,denominada
relaçãodetransformação.
Relação de transformação
Talrelaçãoédenominadarelaçãodetransformação.
Paratensõessenoidais,emtermosdefasores,temosaprimeiraeq.
dotransformadora
N
N
E
E
V
V
2
1
2
1
2
1
12
21
21
1 transformador elevador
1 t ransformador abaixador
V aV
a V V
a V V
Portanto:
Primeira equação do transformador
Transformador -Princípio de Funcionamento
http://www.youtube.com/watch?v=CUllT-wEExU
Considerandoumacarganosecundário,existiráumacorrentei
2
nomesmoquecriaumaforçamagneto–motrizN
2i
2quetendea
alterarofluxononúcleo(desmagnetizandoonúcleo).
Portanto,oequilíbrioentreasforçasmagneto–motrizesserá
perturbado.
Asegundaequaçãodocircuitomagnéticodeumtransformadoré
dadapor:2211
2211 0
iNiN
iNiN
Segunda equação do transformador
VistoqueN
1i
1=N
2i
2,aúnicamaneiradobalançosemanter,éa
correntei
1variarcomoaumentodei
2.Pode-sedizerqueuma
fmmadicionaléexigidadoprimário.Assim,temos:aN
N
i
i 1
1
2
2
1
Emtermosfasoriais:a
I
I
aN
N
I
I
2
1
1
2
2
1 1
Obs:naanáliseacima,desprezamosacorrentedemagnetização
(permeabilidadeinfinita),masnapráticaénecessáriouma
pequenacorrentedemagnetizaçãonoenrolamentoprimáriopara
estabelecerofluxononúcleo.
Segunda equação do transformador
Apotênciainstantâneanoprimárioédadapor:111)( ivtp
Apotênciainstantâneanosecundárioédadapor:222)( ivtp
Sabemos:)()(
222
2
2111 tpiv
a
i
avivtp
Oqueeraesperado,vistoquetodasasperdasforamdesprezadas.
Emtermosfasoriais,temos:2
*
22
*
2
2
*
111 SIV
a
I
VaIVS
EmqueSéapotênciaaparente(VA).
Balanço de potências
Aoseconectarumaimpedâncianosecundário,qualaimpedância
vistapeloprimário?1V 2V 2E 1E 1I 2I
Temosqueaimpedâncianosterminaisdosecundárioédadapor:2
2
2
I
V
Z
Analogamente,aimpedânciaequivalentevistadosterminaisdo
primário(vistapelafonte)é:22
2
2
22
2
2
1
1
1 ZZa
I
V
a
aI
Va
I
V
Z
Valores referidos
Aimpedânciaconectadaaoterminaldosecundárioproduzno
primárioomesmoefeitoqueoproduzidoporumaimpedância
equivalenteconectadaaosterminaisdoprimário.échamada
deimpedânciadosecundáriorefletidaaoprimário.2Z 2Z 1
V 1
I 2
I 2
2'
2ZaZ 21:NN 1
I 1
V 2
2
2ZaZ
Demaneirasimilar,ascorrentesetensõespodemserrefletidasde
umladoparaooutroatravésdarelaçãodeespiras:
22
2
1
1
2
2
1
2
1
VaV
N
N
V
a
I
I
N
N
I
Valores referidos
Exemplo: Casamento de impedância via transformador
Um auto falante tem uma impedância resistiva de 9 , o qual é conectado a uma fonte
de 10 V com impedância resistiva interna de 1 , como mostrado na figura abaixo:
10 V
1 9
auto
falante
(a)Determine a potência entregue pela fonte ao auto falante.
(b)Para maximizar a transferência de potência para o auto falante, um transformador
com uma relação de espira de 1:3 é usado para conectá-lo a fonte como mostrado
na figura abaixo. Determine a potência entregue pela fonte ao auto falante neste
caso.
10 V
1 9
auto
falante
1:3
Exemplo: Casamento de impedância via transformador
(a) I = V/R
T= 10/(1+9) = 1 A
P = R I
2
= 9 1
2
= 9 W
(b) A impedância refletida ao primário é dada por:
R
’
2= a
2
.R
2 = (1/3)
2
9 = 1
Portanto, temos:
I = V/R
T= 10/(1+1) = 5 A
P = R I
2
= 1 5
2
= 25 W
10 V
1 9
auto
falante
10 V
1 9
auto
falante
1:3
Definindo-se:secundário do interna impedância
primário do interna impedância
222
111
l
l
jXRZ
jXRZ
Tem-se:
2222
1111
IZVE
IZVE
Portanto:a
N
N
E
E
2
1
2
1
Arelaçãodeespiraséigualarelaçãoentreastensõesinduzidas
pelofluxomútuonosenrolamentosprimárioesecundário.
Circuito equivalente (1/8)
Emque:VAr em mútuo fluxo oproduzir para necessária reativa potência:
Wem (ferro) núcleo no perdas:
fluxo) o (produz ãomagnetizaç de reatância:
núcleo no perdas as representa:
2
1
2
1
c
c
m
m
c
c
Q
P
Q
E
X
P
E
R
Circuito equivalente (3/8)cR mX I mI cI 2
I 1
I 2
E 2R 2
I 2
V 1
R 1
X 1
V 1
E 2
X
Omodelofinaléigualaotransformadoridealmaisas
impedânciasexternasrepresentandoasperdas.
OcircuitoelétricoequivalenteTédadopor:cR mX I mI cI 2
I 1
I 2
E 2R 2
I 2
V 1
V 1
E
Circuito equivalente (4/8)1
R 1
X 2
X
Refletindoasquantidadesdosecundárioparaoprimário.cR mX I mI cI 1
I 2R 1
V 2
V 2
I
Emque:22
2
2
2
22
2
22
V aV
I
I
a
R a R
X a X
Circuito equivalente (5/8)1
R 1
X '
2
X
Doisterminaissãoconsideradosdemesmapolaridadequando
correntesentrandonessesterminaisproduzemfluxonamesma
direçãononúcleomagnético.
Osterminais“1”e“3”têmpolaridadesiguaispoiscorrentesqueentrampor
essesterminaisproduzemfluxonamesmadireção(sentidohorário).
Osterminais“2”e“4”tambémtempolaridadesiguais,ascorrentesqueentram
poressesterminaisproduzemfluxonamesmadireção(sentidoanti-horário).
Osenrolamentosdeumtransformadorpodemsermarcadosparaindicaros
terminaisdemesmapolaridade
Polaridade dos enrolamentos do transformador
Convençãodepontos:Usualmentecoloca-seumpontonos
terminaisdasbobinasquesejamdemesmapolaridadeindicandoa
formacomoasbobinasestãoenroladasnonúcleo.
Significaqueumfluxomútuovariávelatravésdasduasbobinas
produztensõesinduzidase
12ee
34emfase,ouseja:a
E
E
e
e
34
12
34
12
Polaridade dos enrolamentos do transformador
Polaridade de Transformadores
http://www.youtube.com/watch?v=S4HfYKukF1Y
Orendimentodeumtransformadorpodeserdefinidopor.PERDASPP
P
P
P
SAIDA
SAIDA
ENTRADA
SAIDA
P
ENTRADA
TRAFO
P
PERDAS= P
ENTRADAP
SAIDA
P
SAIDA
Asperdasnotransformadorincluem:
Perdasnonúcleo(ferro)–P
C(perdasporcorrentesparasitaseperdaspor
histerese),podemserdeterminadaspelotesteemvazio,ouapartirdos
parâmetrosdocircuitoequivalente.
Perdasnocobre–P
Cu(perdasôhmicas),podemserdeterminadasseos
parâmetrosdotransformadorforemconhecidos(correntenosenrolamentos
eresistênciadosenrolamentos)CuCSAIDA
SAIDA
ENTRADA
SAIDA
PPP
P
P
P
Rendimento (2/2)
Umdoscritériosdedesempenhodeumtransformadorprojetado
parasuprirpotênciacomtensãoaproximadamenteconstantepara
umacargaéoderegulaçãodetensão.
Talcritérioindicaograudeconstânciadatensãodesaídaquando
acargaévariada.
Aregulaçãodetensãodotransformadorédefinidacomosendoa
variaçãodatensãodosecundárioemcondiçõesdeplenacarga
eemvazio,tomadacomoporcentagemdatensãoaplenacarga,
comtensãodoprimáriomantidaconstante,ouseja:100%emRegulação
cargaplena,2
cargaplena,2vazio,2
V
VV
Regulação de tensão (1/1)
Osparâmetrosdocircuitoequivalentepodemserdeterminados
atravésdedoistesteschamadostesteemvazioetestedecurto-
circuito.
Testeemvazio:
Notesteemvazio,oladodealtatensãodotransformadorédeixadoem
abertoeumatensãonominalnafreqüêncianominaléaplicadanoladode
baixatensão.
Usualmente,atensãonominaléaplicadaaoladodebaixatensãonoteste
emvazioporesteterummenorvalordetensãonominal.
Então,mede-seatensão,acorrenteeapotênciaativanosterminaisdolado
debaixatensão.
Nestecaso,acorrentedoladodebaixatensãoécompostasomentepela
correntedeexcitação.
Determinação dos parâmetros do circuito equivalente (1/4)
Portantotemos:cR mX I mI cI 0I 21RR 12
XX 0V
AW
V
m
m
cm
c
c
c
I
V
X
III
R
V
I
P
V
R
0
22
0
0
0
2
0 0P
Determinação dos parâmetros do circuito equivalente (2/4)
Testeemcurto-circuito:
Notestedecurto-circuito,oladodebaixatensãoécurto-circuitadoea
tensãoaplicadaaoladodealtatensãoégradualmenteaumentadaatése
obteracorrentenominalnoladodealtatensão.
Usualmente,umacorrentenominaléaplicadaaoladodealtatensãono
testedecurto-circuitoporesteterummenorvalordecorrentenominal
Então,mede-seatensão,acorrenteeapotênciaativanosterminaisdolado
dealtatensão.
Vistoquefoicurto-circuitadooladodebaixatensãooramodeexcitação
podeserdesprezado.
Determinação dos parâmetros do circuito equivalente (3/4)
cR mX ccI 21RR 12
XX ccV AW
VccP 2
I 2
V 2
V 2
I 12
12
eq
eq
R R R
X X X
Portantotemos:
22
2
2
2
eqeqeq
cc
cc
eq
cc
cc
eq
RZX
I
V
aZ
I
P
aR
Determinação dos parâmetros do circuito equivalente (4/4)
Exemplo
A partir de testes realizados em um transformador monofásico de 10 kVA, 2200/220 V,
60 Hz, os seguintes resultados são obtidos:
teste em vazio teste de curto-circuito
Voltímetro:220 V 150 V
Amperímetro:2,5 A 4,55 A
Wattímetro:100 W 215 W
(a) calcule os parâmetros dos circuito equivalente referidos ao lado de baixa e alta
tensão.
(b) expresse a corrente de excitação em termos da corrente nominal.
Exemplo
(a) O teste em vaziofoi realizado aplicando-se tensão nominal ao lado de baixa tensão.
Assim, temos:
-Perdas no núcleo: 484
100
220
2
0
2
0
2
0
0
P
V
R
R
V
P
c
c
-Corrente de perdas:A45,0
484
220
0
c
c
R
V
I
-Corrente de magnetização:A46,245,05,2
A5,2
2222
0
cm III
II
-Reatância de magnetização: 4,89
46,2
220
0
m
m
I
V
X
Exemplo
Referido ao lado de baixa:
R
c= 484 e X
m= 89,4
Referido ao lado de alta (a = V
H/V
L= 2200/220 = 10):
R
c= 48.400 e X
m= 8.940
O teste de curto-circuitofoi realizado aplicando-se tensão no lado de alta tensão até
obter corrente nominal (10 kVA/2.2 kV = 4,55 A). Assim, temos:
3,314,1097,32
97,32
55,4
215
4,10
55,4
215
2222
22
2
eqeqeq
cc
cc
eq
cc
cc
eqcceqcc
RZX
I
V
Z
I
P
RIRP
Referido ao lado de alta:
R
eq= 10,4 e X
eq= 31,3
Referido ao lado de baixa (a = V
L/V
H= 220/2200 = 0,1):
R
eq= 0,104 e X
eq= 0,313
Exemplo
Referido ao lado de alta:
10,4 31,3
48.400
8.940
Referido ao lado de baixa:
0,104 0,313
484 89,4
Exemplo
(b) expresse a corrente de excitação em termos da corrente nominal
No teste em vazio, a corrente medida é igual a corrente de excitação. Além disso, o
teste é realizado do lado de abaixa, assim, temos:%5,5100
5,45
5,2
100
)V220/VA000.10(
5,2
nI
I