Essencial

O núcleo de um transformador é a área através da qual o campo magnético circula entre os enrolamentos primário e secundário. Dependendo da finalidade do transformador, ele pode ter vários formatos e ser feito de diversos materiais.

O núcleo geralmente é formado por diversas folhas de metal (geralmente material ferromagnético) que são empilhadas uma ao lado da outra, sem soldagem, semelhante às páginas de um livro. A função do núcleo é manter o fluxo magnético confinado em seu interior e evitar que ele flua pelo ar, favorecendo perdas no núcleo e reduzindo a eficiência. A configuração laminada do núcleo laminado é feita para reduzir as correntes parasitas e consequentemente reduzir as perdas de energia no núcleo.

Alguns transformadores não possuem núcleo e são chamados de transformadores sem núcleo ou com núcleo de ar. Um núcleo de ar é essencialmente um núcleo sem histerese ou perdas por correntes parasitas. Contudo, a indutância de fuga é muito alta, tornando-os inadequados para transmissão de energia. Pelo contrário, têm uma largura de banda muito elevada e são frequentemente utilizados em aplicações de radiocomunicação. O conceito de transformadores de núcleo de ar também inclui sistemas de carregamento sem fio e bobinas Tesla.

Um enrolamento é enrolado em torno de cada coluna. Uma culatra superior e uma culatra inferior fecham o circuito magnético do núcleo.

Além das colunas, duas cabeças de cilindro laterais sem enrolamentos estão dispostas nas laterais. Eles evitam fluxos de dispersão.

O núcleo consiste em um anel (toro), geralmente feito de compostos de ferrita artificial, no qual são enrolados o primário e o secundário. Eles são mais volumosos, mas o fluxo magnético fica confinado ao núcleo, tendo fluxos de dispersão muito baixos e baixas perdas devido a correntes parasitas.

O núcleo é formado por uma chapa de ferro de grão orientado, enrolada sobre si mesma, sempre na mesma direção, em vez das habituais chapas de ferro macio separadas. Tem perdas muito baixas, mas é caro. Chapas de ferro com grãos orientados também podem ser utilizadas em transformadores orientados (folha E), reduzindo suas perdas.

Em aplicações de alta frequência, os enrolamentos são utilizados em uma bobina sem núcleo ou com um pequeno cilindro de ferrita "Ferrita (cerâmica ferromagnética)") que é mais ou menos introduzido na bobina, para ajustar sua indutância.

Bobinas

As bobinas são geralmente de cobre enroladas no núcleo. Dependendo do número de bobinas (voltas) em torno de uma perna, uma tensão mais elevada será induzida. Em seguida, é jogado com o número de turnos do primário versus os do secundário. Num transformador trifásico o número de voltas do primário e do secundário deve ser o mesmo para todas as fases.

Os enrolamentos primário e secundário são geralmente enrolados um dentro do outro. O motivo é reduzir ao máximo a indutância de vazamento e aproveitar ao máximo o núcleo magnético disponível. É necessária uma camada isolante entre os enrolamentos, pois ambos operam em tensões diferentes. Para evitar espessuras de camada isolante muito espessas, é mais comum encontrar o enrolamento de baixa tensão enrolado no núcleo e o enrolamento de alta tensão enrolado no enrolamento de baixa tensão.

Isolamento

Como as diferentes partes elétricas de um transformador estão em tensões diferentes, é necessário isolá-las entre si para evitar o aparecimento de arcos elétricos e consequente degradação dos componentes. Existem vários tipos de isolamento no mesmo transformador.

Outros componentes

Dependendo do tamanho e da finalidade do transformador, ele também pode conter os seguintes componentes.

O comutador de derivação é um dispositivo eletromecânico que pode ser operado manualmente para alterar a relação de transformação em um transformador. Normalmente, existem cinco etapas ou disparos: um deles é neutro (representa a taxa de transformação nominal) e os outros alteram a taxa de transformação em mais ou menos 2,5% e mais ou menos 5%, respectivamente. Isso ajuda, por exemplo, a corrigir a tensão no secundário caso ela caia muito em algum barramento do sistema.

É um dispositivo mecânico que equaliza o aumento de pressão no transformador que pode causar sua explosão. No entanto, existem vários computadores que explodem apesar de possuírem este dispositivo. Existem o relé de pressão repentino para pressões transitórias e o relé de sobrepressão para pressões mais permanentes.

Este acessório indica a diferença de pressão entre o gás retido entre o óleo do transformador e seu tanque e a pressão atmosférica. É utilizado exclusivamente com transformadores tanque selados a óleo, tipo de transformador utilizado em instalações de até 7.500 kVA.

A pressão do gás retido entre o óleo e o tanque sofre expansão ou contração devido a variações de volume do líquido isolante, variações da temperatura ambiente ou da própria carga do transformador. Altas pressões negativas ou positivas podem indicar condições anormais nos transformadores, como vazamentos de gás ou entrada de elementos no tanque.

Este acessório normalmente é equipado com alarmes, que permitem detectar valores extremos de pressão positiva ou negativa.

Permitir pressões extremas no gás entre o óleo e o tanque pode causar empenamento ou ruptura do tanque.

Os alarmes deste dispositivo normalmente estão ligados a outros dispositivos de proteção do transformador, como válvulas de alívio.[3]​.

Em transformadores de determinado tamanho e resfriamento primário em banho de óleo, é utilizado um tanque de expansão para absorver o aumento de volume produzido pelo aquecimento do refrigerante.

Em grandes transformadores resfriados em banho de óleo, um relé Buchholz é usado para detectar falhas no dielétrico (material isolante entre os enrolamentos). Esse tipo de falha gera um arco elétrico no interior do transformador que decompõe o óleo. Como resultado dessa decomposição química, são gerados gases que se acumulam no relé Buchholz, fazendo com que o nível do óleo caia. Um interruptor conectado ao nível do óleo aciona as proteções e alarmes relevantes.

Com o advento da eletrônica e a ampla utilização de microprocessadores, atualmente estão no mercado diversos dispositivos que permitem a proteção de transformadores.

Existem dispositivos que incorporam funções de proteção especialmente projetadas para transformadores, e que monitoram adicionalmente alterações nas proteções eletromecânicas neles incluídas; Esta monitorização ocorre através de contactos digitais e é detectada a sua passagem de aberto para fechado, resultando na abertura dos interruptores associados ao transformador, no bloqueio do seu fecho ou em alarmes.

Para los cálculos de circuitos o líneas con transformadores, se utiliza un circuito equivalente que represente el comportamiento del transformador real. Para la mayoría de los casos, es suficiente con que dicho circuito equivalente represente el transformador en régimen permanente. Para el análisis de transitorios el circuito equivalente en régimen permanente no es suficiente y, por lo tanto, es necesario realizar ensayos adicionales que lleven a un circuito equivalente más complejo.

Los ensayos más comunes son:.

Teste de vácuo

O teste de vácuo permite determinar a impedância de vácuo ou impedância de excitação do transformador e a relação de transformação. A impedância do vácuo representa tanto a indutância de magnetização do núcleo quanto as perdas no ferro. Ambos são geralmente considerados independentes do nível de carga do transformador.

Teste de curto-circuito

O teste de curto-circuito permite determinar a impedância de curto-circuito ou impedância em série do transformador. A impedância de curto-circuito representa as perdas no cobre dos enrolamentos, bem como a indutância de fuga e outras indutâncias parasitas. Eles dependem do nível de carga do transformador.

Teste de isolamento

Um megôhmetro ou megôhmetro é usado para medir a resistência elétrica entre duas partes isoladas do transformador. É utilizado para medir o estado do dielétrico ou do isolador entre fases ou entre uma fase e o chassi do transformador. A medição costuma dar valores na ordem de megaohms, valor que é reduzido caso o isolador seja danificado.

Los transformadores trifásicos son muy importantes ya que están presentes en muchas partes del sistema eléctrico. Este tipo de transformadores se ocupa de la elevación y reducción de la tensión en diversas partes del sistema eléctrico: En generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en las líneas de transmisión y, por último, en distribución en donde se distribuye la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercios e industrias. Todos los transformadores desde el generador hasta la entrada a nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos.

Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados eléctricos, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna.

Se pueden hacer transformadores trifásicos de tres formas distintas:.

Conexão dos enrolamentos

As diferentes formas de conectar os enrolamentos trifásicos de um transformador são chamadas de grupos de conexão. Além de identificar as ligações dos enrolamentos primário e secundário (estrela, delta ou zigue-zague), o grupo de ligação indica a diferença de fase entre as tensões de linha primária e secundária dos sistemas trifásicos interligados pelo transformador. Os grupos de conexão mais utilizados na distribuição de energia elétrica são Dy5 (primário em delta, secundário em estrela, deslocamento de fase 150 graus) e Dy11 (delta, estrela, 330 graus), Yy0 (estrela, estrela, 0 graus), Yd11 (estrela, triângulo, 330 graus), entre outros. O conceito prático de grupo de conexão torna-se relevante para realizar uma operação segura durante o paralelismo de transformadores.

Aulas de ventilação

Os transformadores da rede elétrica lidam com um fluxo significativo de energia elétrica. Devido às perdas no cobre e no ferro, os transformadores geram uma quantidade significativa de calor devido às perdas que devem ser evacuadas. Existem diferentes tipos de ventilação em um transformador.

A ventilação pode ser feita por:.

O refrigerante dentro da prateleira do transformador é de vários tipos:

A nomenclatura que designa a ventilação é do tipo XYXY, onde X indica o tipo de refrigerante, Y indica a ventilação utilizada, o primeiro par XY refere-se ao circuito de refrigeração primário e o segundo par XY refere-se ao circuito secundário. Por exemplo:.

Quando o calor gerado nos transformadores devido às perdas não é evacuado adequadamente, pode ocorrer a destruição dos materiais isolantes dos enrolamentos. Para evacuar este calor, são utilizados diferentes métodos de resfriamento dependendo da potência nominal do transformador e de sua localização, tais como:

Se os transformadores forem de pequena potência (até 50 kVA) o resfriamento é realizado utilizando o ar que os envolve. Para isso, a tampa é construída com aberturas, para que o ar possa circular naturalmente pelos transformadores (ventilação por convecção). Se esta ventilação não for suficiente, são adicionados ventiladores para forçar o resfriamento do transformador.

Se os transformadores forem transformadores de distribuição de média potência (menos de 200 kVA) são imersos em óleo mineral ou silicone. O óleo transmite calor do transformador para o exterior por convecção natural. Além disso, com o óleo é possível melhorar o isolamento dos enrolamentos de alta tensão.

Se os transformadores forem transformadores de distribuição de alta potência, aletas de resfriamento serão adicionadas à tampa externa do transformador. Além disso, o óleo quente circula do interior do transformador para as referidas aletas, a fim de acelerar o processo de resfriamento. Para transformadores de maior potência podem ser acrescentados ventiladores que forçam a evacuação dos radiadores externos.

Nos transformadores com óleo, ele tende a se expandir com o aumento da temperatura, portanto, para evitar sobrepressão, um tanque de expansão cilíndrico meio cheio é colocado no tanque de óleo e em contato com o exterior através de um orifício. Para evitar que a umidade entre no tanque pelo lado de fora, o que poderia alterar as qualidades do óleo, é colocado um tipo de filtro que absorve qualquer umidade que possa entrar pelo lado de fora. Este dispositivo é conhecido como dessecador e geralmente é fornecido com sais que absorvem umidade, como sílica gel. Quando o dessecador, com o passar do tempo, fica saturado de umidade, ele muda de cor, o que indica que as substâncias de absorção devem ser renovadas. Para dotar o sistema de refrigeração de óleo com um sistema de proteção adequado contra sobrepressão no circuito, nele é instalado o relé Buchholz. Este dispositivo é inserido no circuito de refrigeração entre o tanque e o tanque de expansão. Em situações de sobrepressão no circuito de refrigeração, seja por curto-circuito ou falta de isolamento, o relé Buchholz pode desligar o transformador ou provocar um sinal de alarme, dependendo da gravidade do incidente. Também atua em caso de queda rápida do nível do óleo causada por vazamento de óleo.

Poderes recomendados

Os valores preferenciais para transformadores com potências superiores a 20 MVA deverão estar de acordo com a série R10 dada na norma ISO3:1973. As séries preferidas de números são: (...100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, etc.) kVA[4]​.

Vários projetos de aplicações eletricamente específicas exigem uma variedade de tipos de transformadores. Embora todos compartilhem as características básicas dos princípios do transformador, no processo de fabricação são feitas algumas modificações em suas propriedades elétricas para determinados requisitos de instalação ou aplicações especiais. A grande maioria da energia elétrica produzida passou por um transformador até chegar ao consumidor final.[5]​.

No processo de transmissão de energia elétrica, os transformadores permitem a transmissão de energia elétrica em altas tensões, o que reduz as perdas por aquecimento dos cabos. Isso permite viabilidade econômica para usinas de geração localizadas distantes dos consumidores elétricos.[6]​.

Em muitos dispositivos eletrônicos, um transformador é usado para transformar a tensão da fiação de distribuição em valores adequados aos requisitos do circuito, seja diretamente na frequência de energia ou por meio de uma fonte chaveada.

Transformadores de sinal e áudio são usados ​​para acoplar estágios de amplificadores e dispositivos como microfones e gravadores à entrada de amplificadores. Os transformadores de áudio permitem que os circuitos telefônicos realizem uma conversa de dois canais através de um par de fios. Um transformador balun converte um sinal referenciado ao terra em um sinal que possui tensões balanceadas para o terra, seja entre cabos externos ou circuitos internos. Os transformadores de isolamento reduzem a corrente de fuga entre o circuito secundário e são usados ​​em equipamentos médicos e canteiros de obras. Transformadores ressonantes são usados ​​para acoplar estágios de receptores de rádio ou em bobinas de Tesla de alta tensão.

Primeiros passos: experimentos com bobinas de indução

O fenômeno da indução eletromagnética no qual se baseia o funcionamento do transformador foi descoberto por Michael Faraday em 1831. Baseia-se fundamentalmente no fato de que qualquer variação no fluxo magnético que passa por um circuito fechado gera uma corrente induzida, e que a corrente induzida só permanece enquanto ocorre a mudança no fluxo magnético.

A primeira "bobina de indução" foi inventada pelo padre Nicholas Joseph Callan na Universidade Maynooth, na Irlanda, em 1836. Callan foi um dos primeiros pesquisadores a perceber que quanto mais voltas houver no secundário, em relação ao enrolamento primário, maior será o aumento da tensão elétrica.

Cientistas e pesquisadores basearam seus esforços na evolução das bobinas de indução para obter tensões mais altas nas baterias. Em vez de corrente alternada (CA), a sua ação baseava-se num mecanismo vibratório “do&break” que interrompia regularmente o fluxo de corrente contínua (CC) das baterias.

Entre as décadas de 1830 e 1870, os esforços para construir melhores bobinas de indução, principalmente por tentativa e erro, revelaram lentamente os princípios básicos dos transformadores. Um design prático e eficaz só apareceu na década de 1880, quando o transformador desempenharia um papel decisivo nas Guerras Atuais, em que os sistemas de distribuição de corrente alternada triunfaram sobre os seus homólogos de corrente contínua, posição dominante que mantêm desde então.

Em 1876, o engenheiro russo Pavel Yablochkov inventou um sistema de iluminação baseado em um conjunto de bobinas de indução em que o enrolamento primário era conectado a uma fonte de corrente alternada e os enrolamentos secundários podiam ser conectados a diversas lâmpadas de arco, de sua própria concepção. As bobinas utilizadas no sistema comportavam-se como transformadores primitivos. A patente afirmava que o sistema poderia “fornecer fornecimento separado a vários pontos de iluminação com diferentes intensidades luminosas a partir de uma única fonte de energia elétrica”.

Em 1878, os engenheiros da empresa Ganz, na Hungria, alocaram parte dos seus recursos de engenharia para a fabricação de aparelhos de iluminação elétrica para a Áustria e a Hungria. Em 1883, fizeram mais de cinquenta instalações para esse fim. Oferecia um sistema composto por duas lâmpadas incandescentes e de arco, geradores e outros acessórios.

Em 1882, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs exibiram pela primeira vez em Londres um dispositivo com núcleo de ferro chamado "gerador secundário", depois venderam a ideia para a empresa americana Westinghouse Electric. Este sistema também foi exibido em Torino, Itália, em 1884, onde foi adotado para o sistema de iluminação elétrica.

O nascimento do primeiro transformador

Entre 1884 e 1885, os engenheiros húngaros Miksa Déri"), Ottó Titusz Bláthy e Károly Zipernowsky"), da empresa Ganz daquele país, criaram o modelo “DBZ” de transformador de corrente alternada em Budapeste, baseado num projeto de Gaulard e Gibbs (Gaulard e Gibbs projetaram apenas um modelo de núcleo aberto). Eles descobriram a fórmula matemática para transformadores:

onde é a tensão no secundário e é o número de voltas no secundário; e eles correspondem ao primário.

Seu pedido de patente fez o primeiro uso da palavra transformador, cunhada por Ottó Titusz Bláthy.

Em 1885, George Westinghouse comprou as patentes DBZ e as de Gaulard e Gibbs. Ele contratou William Stanley "William Stanley (físico)") para construir um transformador tipo ZBD para uso comercial. Este projeto foi usado comercialmente pela primeira vez em 1886.

Outras informações de interesse

O primeiro sistema comercial de corrente alternada para distribuição de energia elétrica utilizando transformadores foi colocado em operação em 1886 em Great Barington, Massachusetts, nos Estados Unidos da América. Nesse mesmo ano, a eletricidade foi transmitida em corrente alternada de 2.000 volts por uma distância de 30 quilômetros, em uma linha construída em Cerchi, Itália. A partir desta pequena aplicação inicial, a indústria elétrica no mundo progrediu de tal forma que atualmente é um fator de desenvolvimento das pessoas, sendo o transformador uma parte importante desta indústria.

O dispositivo aqui descrito é uma aplicação, entre muitas, derivada da bobina Ruhmkorff inicial ou carretel Ruhmkorff, que consistia em duas bobinas concêntricas. Uma corrente contínua foi aplicada a uma bobina, chamada primária, a partir de uma bateria, acionada por meio de um disjuntor&action=edit&redlink=1 "Ruptor (eletromagnetismo) (ainda não escrito)") movido pelo magnetismo gerado em um núcleo central de ferro pela própria energia da bateria. O campo magnético assim criado variava no tempo com as interrupções, e no outro enrolamento, denominado secundário e com muito mais voltas, era induzida uma corrente de pouco valor mas com uma força elétrica capaz de saltar entre as pontas de um medidor de faísca conectado às suas extremidades.

Dá origem também às antigas bobinas de ignição do automóvel Ford T, que possuíam uma para cada vela, comandada por um distribuidor "Distribuidor (automóvel)") que enviava a corrente por cada uma das bobinas na sequência correta.

Essencial

O núcleo de um transformador é a área através da qual o campo magnético circula entre os enrolamentos primário e secundário. Dependendo da finalidade do transformador, ele pode ter vários formatos e ser feito de diversos materiais.

O núcleo geralmente é formado por diversas folhas de metal (geralmente material ferromagnético) que são empilhadas uma ao lado da outra, sem soldagem, semelhante às páginas de um livro. A função do núcleo é manter o fluxo magnético confinado em seu interior e evitar que ele flua pelo ar, favorecendo perdas no núcleo e reduzindo a eficiência. A configuração laminada do núcleo laminado é feita para reduzir as correntes parasitas e consequentemente reduzir as perdas de energia no núcleo.

Alguns transformadores não possuem núcleo e são chamados de transformadores sem núcleo ou com núcleo de ar. Um núcleo de ar é essencialmente um núcleo sem histerese ou perdas por correntes parasitas. Contudo, a indutância de fuga é muito alta, tornando-os inadequados para transmissão de energia. Pelo contrário, têm uma largura de banda muito elevada e são frequentemente utilizados em aplicações de radiocomunicação. O conceito de transformadores de núcleo de ar também inclui sistemas de carregamento sem fio e bobinas Tesla.

Um enrolamento é enrolado em torno de cada coluna. Uma culatra superior e uma culatra inferior fecham o circuito magnético do núcleo.

Além das colunas, duas cabeças de cilindro laterais sem enrolamentos estão dispostas nas laterais. Eles evitam fluxos de dispersão.

O núcleo consiste em um anel (toro), geralmente feito de compostos de ferrita artificial, no qual são enrolados o primário e o secundário. Eles são mais volumosos, mas o fluxo magnético fica confinado ao núcleo, tendo fluxos de dispersão muito baixos e baixas perdas devido a correntes parasitas.

O núcleo é formado por uma chapa de ferro de grão orientado, enrolada sobre si mesma, sempre na mesma direção, em vez das habituais chapas de ferro macio separadas. Tem perdas muito baixas, mas é caro. Chapas de ferro com grãos orientados também podem ser utilizadas em transformadores orientados (folha E), reduzindo suas perdas.

Em aplicações de alta frequência, os enrolamentos são utilizados em uma bobina sem núcleo ou com um pequeno cilindro de ferrita "Ferrita (cerâmica ferromagnética)") que é mais ou menos introduzido na bobina, para ajustar sua indutância.

Bobinas

As bobinas são geralmente de cobre enroladas no núcleo. Dependendo do número de bobinas (voltas) em torno de uma perna, uma tensão mais elevada será induzida. Em seguida, é jogado com o número de turnos do primário versus os do secundário. Num transformador trifásico o número de voltas do primário e do secundário deve ser o mesmo para todas as fases.

Os enrolamentos primário e secundário são geralmente enrolados um dentro do outro. O motivo é reduzir ao máximo a indutância de vazamento e aproveitar ao máximo o núcleo magnético disponível. É necessária uma camada isolante entre os enrolamentos, pois ambos operam em tensões diferentes. Para evitar espessuras de camada isolante muito espessas, é mais comum encontrar o enrolamento de baixa tensão enrolado no núcleo e o enrolamento de alta tensão enrolado no enrolamento de baixa tensão.

Isolamento

Como as diferentes partes elétricas de um transformador estão em tensões diferentes, é necessário isolá-las entre si para evitar o aparecimento de arcos elétricos e consequente degradação dos componentes. Existem vários tipos de isolamento no mesmo transformador.

Outros componentes

Dependendo do tamanho e da finalidade do transformador, ele também pode conter os seguintes componentes.

O comutador de derivação é um dispositivo eletromecânico que pode ser operado manualmente para alterar a relação de transformação em um transformador. Normalmente, existem cinco etapas ou disparos: um deles é neutro (representa a taxa de transformação nominal) e os outros alteram a taxa de transformação em mais ou menos 2,5% e mais ou menos 5%, respectivamente. Isso ajuda, por exemplo, a corrigir a tensão no secundário caso ela caia muito em algum barramento do sistema.

É um dispositivo mecânico que equaliza o aumento de pressão no transformador que pode causar sua explosão. No entanto, existem vários computadores que explodem apesar de possuírem este dispositivo. Existem o relé de pressão repentino para pressões transitórias e o relé de sobrepressão para pressões mais permanentes.

Este acessório indica a diferença de pressão entre o gás retido entre o óleo do transformador e seu tanque e a pressão atmosférica. É utilizado exclusivamente com transformadores tanque selados a óleo, tipo de transformador utilizado em instalações de até 7.500 kVA.

A pressão do gás retido entre o óleo e o tanque sofre expansão ou contração devido a variações de volume do líquido isolante, variações da temperatura ambiente ou da própria carga do transformador. Altas pressões negativas ou positivas podem indicar condições anormais nos transformadores, como vazamentos de gás ou entrada de elementos no tanque.

Este acessório normalmente é equipado com alarmes, que permitem detectar valores extremos de pressão positiva ou negativa.

Permitir pressões extremas no gás entre o óleo e o tanque pode causar empenamento ou ruptura do tanque.

Os alarmes deste dispositivo normalmente estão ligados a outros dispositivos de proteção do transformador, como válvulas de alívio.[3]​.

Em transformadores de determinado tamanho e resfriamento primário em banho de óleo, é utilizado um tanque de expansão para absorver o aumento de volume produzido pelo aquecimento do refrigerante.

Em grandes transformadores resfriados em banho de óleo, um relé Buchholz é usado para detectar falhas no dielétrico (material isolante entre os enrolamentos). Esse tipo de falha gera um arco elétrico no interior do transformador que decompõe o óleo. Como resultado dessa decomposição química, são gerados gases que se acumulam no relé Buchholz, fazendo com que o nível do óleo caia. Um interruptor conectado ao nível do óleo aciona as proteções e alarmes relevantes.

Com o advento da eletrônica e a ampla utilização de microprocessadores, atualmente estão no mercado diversos dispositivos que permitem a proteção de transformadores.

Existem dispositivos que incorporam funções de proteção especialmente projetadas para transformadores, e que monitoram adicionalmente alterações nas proteções eletromecânicas neles incluídas; Esta monitorização ocorre através de contactos digitais e é detectada a sua passagem de aberto para fechado, resultando na abertura dos interruptores associados ao transformador, no bloqueio do seu fecho ou em alarmes.

Para los cálculos de circuitos o líneas con transformadores, se utiliza un circuito equivalente que represente el comportamiento del transformador real. Para la mayoría de los casos, es suficiente con que dicho circuito equivalente represente el transformador en régimen permanente. Para el análisis de transitorios el circuito equivalente en régimen permanente no es suficiente y, por lo tanto, es necesario realizar ensayos adicionales que lleven a un circuito equivalente más complejo.

Los ensayos más comunes son:.

Teste de vácuo

O teste de vácuo permite determinar a impedância de vácuo ou impedância de excitação do transformador e a relação de transformação. A impedância do vácuo representa tanto a indutância de magnetização do núcleo quanto as perdas no ferro. Ambos são geralmente considerados independentes do nível de carga do transformador.

Teste de curto-circuito

O teste de curto-circuito permite determinar a impedância de curto-circuito ou impedância em série do transformador. A impedância de curto-circuito representa as perdas no cobre dos enrolamentos, bem como a indutância de fuga e outras indutâncias parasitas. Eles dependem do nível de carga do transformador.

Teste de isolamento

Um megôhmetro ou megôhmetro é usado para medir a resistência elétrica entre duas partes isoladas do transformador. É utilizado para medir o estado do dielétrico ou do isolador entre fases ou entre uma fase e o chassi do transformador. A medição costuma dar valores na ordem de megaohms, valor que é reduzido caso o isolador seja danificado.

Los transformadores trifásicos son muy importantes ya que están presentes en muchas partes del sistema eléctrico. Este tipo de transformadores se ocupa de la elevación y reducción de la tensión en diversas partes del sistema eléctrico: En generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en las líneas de transmisión y, por último, en distribución en donde se distribuye la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercios e industrias. Todos los transformadores desde el generador hasta la entrada a nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos.

Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados eléctricos, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna.

Se pueden hacer transformadores trifásicos de tres formas distintas:.

Conexão dos enrolamentos

As diferentes formas de conectar os enrolamentos trifásicos de um transformador são chamadas de grupos de conexão. Além de identificar as ligações dos enrolamentos primário e secundário (estrela, delta ou zigue-zague), o grupo de ligação indica a diferença de fase entre as tensões de linha primária e secundária dos sistemas trifásicos interligados pelo transformador. Os grupos de conexão mais utilizados na distribuição de energia elétrica são Dy5 (primário em delta, secundário em estrela, deslocamento de fase 150 graus) e Dy11 (delta, estrela, 330 graus), Yy0 (estrela, estrela, 0 graus), Yd11 (estrela, triângulo, 330 graus), entre outros. O conceito prático de grupo de conexão torna-se relevante para realizar uma operação segura durante o paralelismo de transformadores.

Aulas de ventilação

Os transformadores da rede elétrica lidam com um fluxo significativo de energia elétrica. Devido às perdas no cobre e no ferro, os transformadores geram uma quantidade significativa de calor devido às perdas que devem ser evacuadas. Existem diferentes tipos de ventilação em um transformador.

A ventilação pode ser feita por:.

O refrigerante dentro da prateleira do transformador é de vários tipos:

A nomenclatura que designa a ventilação é do tipo XYXY, onde X indica o tipo de refrigerante, Y indica a ventilação utilizada, o primeiro par XY refere-se ao circuito de refrigeração primário e o segundo par XY refere-se ao circuito secundário. Por exemplo:.

Quando o calor gerado nos transformadores devido às perdas não é evacuado adequadamente, pode ocorrer a destruição dos materiais isolantes dos enrolamentos. Para evacuar este calor, são utilizados diferentes métodos de resfriamento dependendo da potência nominal do transformador e de sua localização, tais como:

Se os transformadores forem de pequena potência (até 50 kVA) o resfriamento é realizado utilizando o ar que os envolve. Para isso, a tampa é construída com aberturas, para que o ar possa circular naturalmente pelos transformadores (ventilação por convecção). Se esta ventilação não for suficiente, são adicionados ventiladores para forçar o resfriamento do transformador.

Se os transformadores forem transformadores de distribuição de média potência (menos de 200 kVA) são imersos em óleo mineral ou silicone. O óleo transmite calor do transformador para o exterior por convecção natural. Além disso, com o óleo é possível melhorar o isolamento dos enrolamentos de alta tensão.

Se os transformadores forem transformadores de distribuição de alta potência, aletas de resfriamento serão adicionadas à tampa externa do transformador. Além disso, o óleo quente circula do interior do transformador para as referidas aletas, a fim de acelerar o processo de resfriamento. Para transformadores de maior potência podem ser acrescentados ventiladores que forçam a evacuação dos radiadores externos.

Nos transformadores com óleo, ele tende a se expandir com o aumento da temperatura, portanto, para evitar sobrepressão, um tanque de expansão cilíndrico meio cheio é colocado no tanque de óleo e em contato com o exterior através de um orifício. Para evitar que a umidade entre no tanque pelo lado de fora, o que poderia alterar as qualidades do óleo, é colocado um tipo de filtro que absorve qualquer umidade que possa entrar pelo lado de fora. Este dispositivo é conhecido como dessecador e geralmente é fornecido com sais que absorvem umidade, como sílica gel. Quando o dessecador, com o passar do tempo, fica saturado de umidade, ele muda de cor, o que indica que as substâncias de absorção devem ser renovadas. Para dotar o sistema de refrigeração de óleo com um sistema de proteção adequado contra sobrepressão no circuito, nele é instalado o relé Buchholz. Este dispositivo é inserido no circuito de refrigeração entre o tanque e o tanque de expansão. Em situações de sobrepressão no circuito de refrigeração, seja por curto-circuito ou falta de isolamento, o relé Buchholz pode desligar o transformador ou provocar um sinal de alarme, dependendo da gravidade do incidente. Também atua em caso de queda rápida do nível do óleo causada por vazamento de óleo.

Poderes recomendados

Os valores preferenciais para transformadores com potências superiores a 20 MVA deverão estar de acordo com a série R10 dada na norma ISO3:1973. As séries preferidas de números são: (...100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, etc.) kVA[4]​.

Vários projetos de aplicações eletricamente específicas exigem uma variedade de tipos de transformadores. Embora todos compartilhem as características básicas dos princípios do transformador, no processo de fabricação são feitas algumas modificações em suas propriedades elétricas para determinados requisitos de instalação ou aplicações especiais. A grande maioria da energia elétrica produzida passou por um transformador até chegar ao consumidor final.[5]​.

No processo de transmissão de energia elétrica, os transformadores permitem a transmissão de energia elétrica em altas tensões, o que reduz as perdas por aquecimento dos cabos. Isso permite viabilidade econômica para usinas de geração localizadas distantes dos consumidores elétricos.[6]​.

Em muitos dispositivos eletrônicos, um transformador é usado para transformar a tensão da fiação de distribuição em valores adequados aos requisitos do circuito, seja diretamente na frequência de energia ou por meio de uma fonte chaveada.

Transformadores de sinal e áudio são usados ​​para acoplar estágios de amplificadores e dispositivos como microfones e gravadores à entrada de amplificadores. Os transformadores de áudio permitem que os circuitos telefônicos realizem uma conversa de dois canais através de um par de fios. Um transformador balun converte um sinal referenciado ao terra em um sinal que possui tensões balanceadas para o terra, seja entre cabos externos ou circuitos internos. Os transformadores de isolamento reduzem a corrente de fuga entre o circuito secundário e são usados ​​em equipamentos médicos e canteiros de obras. Transformadores ressonantes são usados ​​para acoplar estágios de receptores de rádio ou em bobinas de Tesla de alta tensão.

Primeiros passos: experimentos com bobinas de indução

O fenômeno da indução eletromagnética no qual se baseia o funcionamento do transformador foi descoberto por Michael Faraday em 1831. Baseia-se fundamentalmente no fato de que qualquer variação no fluxo magnético que passa por um circuito fechado gera uma corrente induzida, e que a corrente induzida só permanece enquanto ocorre a mudança no fluxo magnético.

A primeira "bobina de indução" foi inventada pelo padre Nicholas Joseph Callan na Universidade Maynooth, na Irlanda, em 1836. Callan foi um dos primeiros pesquisadores a perceber que quanto mais voltas houver no secundário, em relação ao enrolamento primário, maior será o aumento da tensão elétrica.

Cientistas e pesquisadores basearam seus esforços na evolução das bobinas de indução para obter tensões mais altas nas baterias. Em vez de corrente alternada (CA), a sua ação baseava-se num mecanismo vibratório “do&break” que interrompia regularmente o fluxo de corrente contínua (CC) das baterias.

Entre as décadas de 1830 e 1870, os esforços para construir melhores bobinas de indução, principalmente por tentativa e erro, revelaram lentamente os princípios básicos dos transformadores. Um design prático e eficaz só apareceu na década de 1880, quando o transformador desempenharia um papel decisivo nas Guerras Atuais, em que os sistemas de distribuição de corrente alternada triunfaram sobre os seus homólogos de corrente contínua, posição dominante que mantêm desde então.

Em 1876, o engenheiro russo Pavel Yablochkov inventou um sistema de iluminação baseado em um conjunto de bobinas de indução em que o enrolamento primário era conectado a uma fonte de corrente alternada e os enrolamentos secundários podiam ser conectados a diversas lâmpadas de arco, de sua própria concepção. As bobinas utilizadas no sistema comportavam-se como transformadores primitivos. A patente afirmava que o sistema poderia “fornecer fornecimento separado a vários pontos de iluminação com diferentes intensidades luminosas a partir de uma única fonte de energia elétrica”.

Em 1878, os engenheiros da empresa Ganz, na Hungria, alocaram parte dos seus recursos de engenharia para a fabricação de aparelhos de iluminação elétrica para a Áustria e a Hungria. Em 1883, fizeram mais de cinquenta instalações para esse fim. Oferecia um sistema composto por duas lâmpadas incandescentes e de arco, geradores e outros acessórios.

Em 1882, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs exibiram pela primeira vez em Londres um dispositivo com núcleo de ferro chamado "gerador secundário", depois venderam a ideia para a empresa americana Westinghouse Electric. Este sistema também foi exibido em Torino, Itália, em 1884, onde foi adotado para o sistema de iluminação elétrica.

O nascimento do primeiro transformador

Entre 1884 e 1885, os engenheiros húngaros Miksa Déri"), Ottó Titusz Bláthy e Károly Zipernowsky"), da empresa Ganz daquele país, criaram o modelo “DBZ” de transformador de corrente alternada em Budapeste, baseado num projeto de Gaulard e Gibbs (Gaulard e Gibbs projetaram apenas um modelo de núcleo aberto). Eles descobriram a fórmula matemática para transformadores:

onde é a tensão no secundário e é o número de voltas no secundário; e eles correspondem ao primário.

Seu pedido de patente fez o primeiro uso da palavra transformador, cunhada por Ottó Titusz Bláthy.

Em 1885, George Westinghouse comprou as patentes DBZ e as de Gaulard e Gibbs. Ele contratou William Stanley "William Stanley (físico)") para construir um transformador tipo ZBD para uso comercial. Este projeto foi usado comercialmente pela primeira vez em 1886.

Outras informações de interesse

O primeiro sistema comercial de corrente alternada para distribuição de energia elétrica utilizando transformadores foi colocado em operação em 1886 em Great Barington, Massachusetts, nos Estados Unidos da América. Nesse mesmo ano, a eletricidade foi transmitida em corrente alternada de 2.000 volts por uma distância de 30 quilômetros, em uma linha construída em Cerchi, Itália. A partir desta pequena aplicação inicial, a indústria elétrica no mundo progrediu de tal forma que atualmente é um fator de desenvolvimento das pessoas, sendo o transformador uma parte importante desta indústria.

O dispositivo aqui descrito é uma aplicação, entre muitas, derivada da bobina Ruhmkorff inicial ou carretel Ruhmkorff, que consistia em duas bobinas concêntricas. Uma corrente contínua foi aplicada a uma bobina, chamada primária, a partir de uma bateria, acionada por meio de um disjuntor&action=edit&redlink=1 "Ruptor (eletromagnetismo) (ainda não escrito)") movido pelo magnetismo gerado em um núcleo central de ferro pela própria energia da bateria. O campo magnético assim criado variava no tempo com as interrupções, e no outro enrolamento, denominado secundário e com muito mais voltas, era induzida uma corrente de pouco valor mas com uma força elétrica capaz de saltar entre as pontas de um medidor de faísca conectado às suas extremidades.

Dá origem também às antigas bobinas de ignição do automóvel Ford T, que possuíam uma para cada vela, comandada por um distribuidor "Distribuidor (automóvel)") que enviava a corrente por cada uma das bobinas na sequência correta.