Transformador Monofásico [de Isolamento]

Transcrição

1 Transormador Monoásico [de Isolamento] Transormação de Tensão Transormação de tensão para várias tensões de entrada:, 3, 3 = ( 1 ) Inormação 1.1. Generalidades Além da conversão de energia natural - carvão, petróleo, gás, água, vento, etc. - nas centrais eléctricas, outro elemento importante para a indústria da energia é o transporte de energia eléctrica até aos consumidores. De orma a azer o transporte de energia eléctrica economicamente, a indústria de energia deve gerar muito altas tensões, minimizando as correntes transeridas. O seguinte exemplo demonstra o que oi dito: A nossa tensão alterna monoásica é de 0V. ma central de energia eléctrica gera, por exemplo, uma potência de Kw. Com uma carga puramente Resistiva ( ohmica ) - cos ϕ = 1 - as correntes serão: P Kw I = I = I = 454, 5KA 0 Para o transporte desta energia eléctrica, durante 100 Km e com uma queda de tensão máxima de 10 % causada pela resistência da linha, a secção calculada do condutor de cobre seria: l I S = Com a= 10 % de 0V a = V γ a KA S = , 5 S = 74m m 56 V Ω mm Fazer uma linha com esta secção é quase impossível. Se o transporte de energia eléctrica osse eectuado a 0 KV, então a secção seria de 74mm. A unção do transormador tem duas ases; a geração da alta tensão para um transporte de energia eléctrica e também da baixa tensão para o consumidor inal. Além destas unções no ornecimento de energia, o transormador tem importantes unções na tecnologia da metrologia e em telecomunicações, contudo estas áreas não serão aqui descritas. Em sistemas de potência, os transormadores são usados para transormar a energia eléctrica de um sistema gerador de tensão alterna para uma rede com tensão dierente, sem que a requência seja alterada. A tensão é aplicada no lado da entrada, ou seja, no primário.

2 A energia eléctrica com a tensão desejada é obtida no lado da saída, ou seja, no secundário. Além destas designações, também é comum chamar-se lado de altatensão e lado de baixa-tensão. Fig. 1 - Representação esquemática do transormador no processo de transmissão de energia 1.. Esquema Os condutores do primário e secundário num transormador monoásico estão isolados electricamente, i.e., não existe ligação entre os condutores. O acoplamento requerido para a transmissão de energia, é conseguido através de um luxo magnético. Portanto, os condutores estão enrolados num núcleo de erro, de orma a estarem isolados electricamente uns dos outros. O núcleo de erro é constituído por várias lâminas isoladas umas das outras. Como resultado as correntes de Eddy (Foucault) e as perdas por histerese mantém-se baixas. O isolamento das lâminas é eito com papel ou plástico, verniz ou uma película de óxido. Dependendo do desenho do núcleo magnético os transormadores monoásicos distinguem-se como couraçados e não-couraçados. As colunas e as culatras (núcleo que echa o luxo magnético) têm a mesma secção, assim o luxo magnético presente é igual em todo o núcleo de erro. Em contradição com isto, apenas a coluna central do transormador couraçado é dierente. Por isso, o luxo magnético é distribuído metade para cada uma das outras colunas. Assim sendo, as colunas laterais têm apenas metade da secção da coluna central.

3 Fig. - Núcleos magnéticos do transormador monoásico 1.3. Designações dos terminais Os ios de ligação do transormador monoásico são designados pelo número ou combinação número-letra: 1.1. ou 11 Primário (início) 1.. ou 1 Primário (inal).1. ou 1 Secundário (início).. ou Secundário (inal) 1.4. Funcionamento Se uma tensão alternada 1 é aplicada ao primário (N1), com o secundário em vazio, circula uma corrente Io em N1. O luxo magnético gerado por Io no enrolamento de entrada produz um luxo magnético φ1, no circuito magnético. Este, de acordo com 1 e Io, é um luxo alterno. Este atravessa o secundário e então induz-lhe uma tensão alterna o.

4 Fig. 3 - Transormador monoásico em vazio A tensão também é induzida no enrolamento primário de acordo com a Lei da indução. Em conormidade com a Lei de Lenz, esta tensão auto-induzida 1o, opõe-se à tensão aplicada no primário 1 (ig. 3). De acordo com a Lei da indução aplica-se o seguinte para a magnitude da tensão induzida: Φ u o = N t A curva do luxo magnético pode ser considerada sinusoidal. Se isto or verdade, veriica-se: Φ = Φ.ω t Com a requência do circuito ω =.π. E o luxo magnético de φ = B.A Então: uo = N. B. A.. π. Signiicado das siglas: φ Valor máximo de luxo magnético Frequência da tensão alternada B Indução magnética A Área do núcleo de erro N Número de espiras A tensão é indicada em valores eicazes: u o 0 = Logo, a equação principal do transormador, é a seguinte:

5 N. B. A.. π. = = 444,. N. B. A. 0 0 Portanto, o enrolamento de maior tensão tem sempre maior número de voltas (espiras) do que o enrolamento de menor tensão, mas não importa qual dos enrolamentos é o primário ou o secundário Sem Carga No transormador real o luxo magnético não passa na totalidade pela bobina do secundário. ma pequena porção echa o circuito através do ar. Esta porção chama-se luxo de dispersão. O luxo φ 1 gerado por I 0 é assim separado num luxo principal φ 1h e um luxo de dispersão φ 1σ - ver ig.3. O luxo de dispersão pode ser ignorado se o transormador estiver a uncionar em vazio, i.e., sem carga. Então: Φ1 = Φ = Φ Consequentemente, o resultado das razões de transormação para as tensões induzidas, são: 10 = 444,. N1. Φ. = 444,. N. Φ N1 =,.. Φ. 444,. N. Φ. Logo: 10 0 = N N 1 As tensões induzidas estão directamente relacionadas com o número de espiras. No caso do transormador operar sem carga, não circula corrente no secundário. I=0, não existe queda de tensão, logo o=. No primário a queda de tensão causada pela corrente Io é desprezável. Grosseiramente alando, é verdade que: 1o=1. Assim: 1 N1 = N As tensões do transormador estão directamente relacionadas com o número de espiras dos enrolamentos. A relação entre a tensão do secundário e a do primário, é chamada a relação de transormação, n: 1N 6000 V n = Exemplo n = N 30 V As tensões nominais 1N e N estão expressas na placa de características do transormador.

6 ,8 4,5 LT S1 li0 Fig. 4 - Placa de características de um transormador monoásico A tensão em vazio 0 é dada como tensão nominal para transormadores com potências superiores a 16 KVA. Para transormadores de pequenas potências a tensão nominal de secundário é a tensão de saída (secundário) à carga nominal com corrente activa Desasamento Os dois enrolamentos do transormador, se enrolados na mesma direcção e colocados na mesma coluna, então eles são atravessados pelo luxo magnético na mesma direcção. Não há desasamento causado entre as tensões 10 e 0 e consequentemente não há desasamento entre 1 e. Isto não se altera quando o enrolamento secundário é colocado na outra coluna e as designações dos terminais mantêm-se: 1 e estão em ase - ver ig. 5-b). Contudo, se as designações são aplicadas nas mesmas localizações para o enrolamento secundário assim como para o primário, então há desasamento entre as tensões de entrada e saída - ver ig. 5-c). Dependendo da posição dos enrolamentos do núcleo magnético, da disposição e direcção dos enrolamentos relativamente uns aos outros, pode-se observar um desasamento de 0º ou 180º entre as tensões do primário e do secundário do transormador monoásico. Como resultado, não seria necessário eectuar as medições do ângulo de ase nos ensaios (os vectores de tensão para 1 e estão indicados na reerência de carga do sistema designações junto aos terminais). Por consequência, as correntes causadas por estas tensões lúem desde o terminal 1 pela carga, até ao terminal. Neste caso, a carga para a tensão de entrada 1 é o enrolamento de entrada do transormador, a carga para a tensão de saída é a impedância Z B conectada ao secundário.

7 Fig. 5 - Relação entre as ases das tensões para o transormador monoásico 1.7. Nota especial para o transormador uncionar em vazio O enrolamento primário do transormador quando em vazio comporta-se como uma bobine de grande indutância. A corrente em vazio I 0 é muito pequena, porque a tensão auto-induzida 10 opõe-se á tensão aplicada 1, e é quase tão grande como esta. Contudo, I 0 já gera o luxo magnético máximo φ 1. Acresce que, nesta situação, são desprezáveis as perdas no cobre comparadas com as do erro. O circuito magnético é quase saturado no processo. Agora, se 1 é aumentado isto leva á saturação magnética do núcleo de erro, e o luxo magnético não aumenta mais. Assim, 10 também não aumenta mais, a dierença entre 1 e 10 torna-se maior. A corrente de entrada aumenta ortemente (bem como as perdas no cobre), e o enrolamento e o núcleo de erro aquecem consideravelmente. A tensão que é tão alta, pode levar á destruição do transormador, uncionando em vazio, devido a circularem correntes elevadas na entrada.