Transformadores Especiais

De entre os chamados "transformadores especiais" temos como mais importantes: o autotransformador, os transformadores de medida (transformador de tensão e transformador de intensidade) e os transformadores de número de fases.

Índice dos temas abordados:

Transformadores Especiais ... 1

1. Autotransformador 1

2. TRANSFORMADORES DE MEDIDA.. 3

2.1. INTRODUÇÃO.. 3

2.2. TRANSFORMADORES DE TENSÃO (T.T.) 4

2.3. TRANSFORMADORES DE INTENSIDADE (T.l.) 5

3. TRANSFORMADORES DE NÚMERO DE FASES. 6

3.1. TRANSFORMAÇÃO TRIFÁSICO - BIFÁSICO.. 7

3.2 TRANSFORMAÇÃO TRIFÁSICO - HEXAFÁSICO.. 8

3.3 TRANSFORMAÇÃO TRIFÁSICO - DODECAFASICO.. 9

1. Autotransformador

1.1. Constituição

É possível construir um transformador com um único enrolamento de N₁ espiras do qual uma parte, com N₂ espiras, serve de enrolamento secundário, conforme é representado na fig. 1.

Fig. 1

Ao ser alimentado o primário por uma tensão U₁, aparece no secundário, por indução, uma f.e.m. E₂, tal como no transformador usual. Desprezando as perdas internas, isto é, considerando que o autotransformador é ideal, temos como já vimos: S₁ = S₂ Û U₁ I₁ = U₂ I₂.

Isto é, se o autotransformador funcionar como redutor de tensão (como exemplificado na fig.1) temos que a corrente no secundário é superior à do primário, pelo que o sentido da corrente nas espiras inferiores do enrolamento é o indicado na figura. Donde se conclui que o autotransformador não pode ser considerado como um mero divisor de tensão (potenciómetro) visto que neste último tanto a tensão como a corrente são reduzidas.

A variação da posição do ponto a em relação ao enrolamento faz variar a tensão obtida no secundário, o que permite a utilização do autotransformador para a regulação progressiva desta tensão.

Obviamente que o autotransformador também pode funcionar como elevador de tensão conforme é sugerido na fig. 2. É uma das suas vantagens em relação a um divisor potenciométrico. o qual só pode trabalhar como redutor.

Fig. 2

Um autotransformador variável muito vulgar, o "variac", consiste num enrolamento sobre um núcleo de ferro toroidal tendo uma escova de carvão, solidária a um eixo rotativo que pode deslizar sobre as espiras do enrolamento, conforme é indicado esquematicamente na fig. 3.

Fig. 3 (Autotransformador)

1.2. VANTAGENS

Aparelho económico - o autotransformador, tendo apenas um enrolamento torna-se mais económico porque exige menos condutor e tem um volume total inferior (para a mesma potência).

Bom rendimento - as perdas por efeito de Joule são inferiores visto ter apenas um enrolamento, pelo que o rendimento é superior.

Menor queda de tensão - as quedas de tensão, resistiva e indutiva, são inferiores, pelos motivos apontados, pelo que mantém uma tensão mais constante com as flutuações da carga.

1.3. DESVANTAGENS

Isolamento da B.T. e dos enrolamentos, em relação à massa - o primário e o secundário não estão isolados electricamente entre si como acontece no transformador, pelo que no autotransformador há um ponto comum (ponto C na fig. 4). Este facto pode originar, no caso de se quebrar a ligação no ponto C, sobretensões no secundário. Se considerarmos a transformação indicada na figura (10/5kV) e se se quebrar a ligação eléctrica no ponto C, temos no secundário, entre a e b, a tensão do primário - 10 kV.

Figura 4

Se, por outro lado, aparecer um defeito à terra no condutor AD, o condutor BCb fica a 10kV em relação à terra, pelo que o isolamento eléctrico do condutor Cb no secundário não vai suportar esse aumento de tensão (fig. 5).

Figura 5

Forças electrodinâmicas perigosas - a diminuição das quedas de tensão no autotransformador, em virtude de a sua impedância interna ser inferior à do transformador, origina que em caso de curto-circuito as correntes sejam mais elevadas, o que se traduz num aumento das forças electrodinâmicas entre os enrolamentos, danificando-se mais rapidamente.

1.4. APLICAÇÕES

É principalmente devido aos problemas de isolamento entre o primário e o secundário e entre estes e a "massa" que o autotransformador não pode substituir o transformador na grande maioria das aplicações.

Por isso o autotransformador é geralmente utilizado ou com tensões baixas ou quando os níveis de tensão no primário e no secundário são muito próximos.

Assim, para ligar entre si as redes de 400 kV e 220 kV são utilizados autotransformadores de 400/200 kV na subestação de Rio Maior (fig. 6).

O autotransformador trifásico também é utilizado no arranque de motores assíncronos de elevada potência. Por intermédio do autotransformador começa por aplicar-se ao motor uma tensão reduzida no arranque, de forma a reduzir a corrente de arranque; quando o motor atingiu já uma velocidade próxima da nominal aplica-se-lhe finalmente a tensão total, manual ou automaticamente.

Outra das várias aplicações do autotransformador é no arranque das lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão. Aqui a sua função é a de proporcionar no arranque uma tensão superior à da rede, provocando a descarga no tubo. Efectuado o arranque, a tensão no secundário do autotransformador baixa bastante, de modo a limitar o crescimento da corrente provocado pela descarga, o que se consegue em virtude de o autotransformador ter, como particularidade construtiva, elevada dispersão magnética quando a intensidade da corrente aumenta.

Figura 6

2. TRANSFORMADORES DE MEDIDA

2.1. INTRODUÇÃO

A ligação directa de aparelhos de medida num circuito de alta tensão além de perigosa obrigaria a construir estes aparelhos com enormes dimensões dada a necessidade de elevado nível de isolamento e grandes secções para as bobinas. Assim, os aparelhos de medida são ligados ao secundário de um transformador de medida no qual se obtêm as grandezas a medir já reduzidas a valores convenientes e sem perigo.

O transformador de medida, para além da segurança, tem ainda a função de aumentar o campo de medida (apenas em corrente alternada) do aparelho a utilizar, tal como os "shunts" e as resistências adicionais respectivamente para os amperímetros e voltímetros.

Assim se quisermos medir uma corrente até 50 A (alta ou baixa tensão) e tivermos apenas um amperímetro de 5 A podemos usar um transformador de Intensidade (T.I.) de relação de transformação 50/5 A, ao secundário do qual ligamos o amperímetro.

O transformador de tensão (T.T.) permite fazer a extensão do campo de medida dos voltímetros para tensões acima de 500 V.

Os transformadores de tensão e de intensidade, em conjunto ou separados, permitem também a utilização de wattímetros, contadores, fasímetros e frequencímetros em alta tensão assim como o funcionamento de relés de protecção.

2.2. TRANSFORMADORES DE TENSÃO (T.T.)

Na fig. 7 está representado o circuito eléctrico de um transformador de tensão a alimentar um voltímetro, bem como os esquemas unifilar e multifilar correspondentes.

Figura 7

Dado que no primário a tensão é mais elevada, este tem mais espiras do que o secundário e tem também um nível de isolamento mais elevado.

Em virtude de a resistência interna do voltímetro ser bastante elevada, a corrente no secundário, e portanto no primário, é baixa, pelo que a secção dos condutores é reduzida. O facto de a corrente ser bastante reduzida tem como consequência que o T.T. funciona em regime próximo do ensaio em vazio.

Por este motivo são válidas as relações obtidas para o ensaio em vazio, isto é: U₁@r_t*U₂

Por conseguinte a tensão U₂ lida pelo voltímetro depois de multiplicada pela relação de transformação r_t=N₁/N₂ traduz quase fielmente a tensão a medir U₁.

Figura 8

(á esquerda) - T.T. para medir a tensão entre 2 condutores até 36 kV/110 V

(á direita) - T.T. para medir a tensão entre a linha e a terra até

Se os isolamentos se deteriorarem, o secundário e o invólucro exterior (se for condutor) poderão ficar submetidos à alta tensão do primário, o que constituiria um perigo para o utilizador e aparelhagem. Assim, ligam-se à terra um terminal do secundário e o invólucro.

Em alta tensão, a partir de 220 kV. usam-se transformadores de tensão indutivos (fig. 10) e capacitivos (fig. 9) constituídos por um divisor capacitivo. Ao primário de um transformador de tensão capacitivo aplica-se apenas a tensão que está aplicada a um dos diferentes condensadores em série e que constitui apenas uma fracção da tensão a medir.

Estes transformadores podem ainda ser utilizados para acoplar instalações de alta frequência a linhas de transporte de energia, como por exemplo para comunicações e telecomando entre subestações e centrais.

Fig. 9 - Esquema simplificado de T.T. Capacitivo

Fig. 10 - T.T. indutivo para 220kV/100V, Com 3 metros de altura e 730 kg de peso.

2.3. TRANSFORMADORES DE INTENSIDADE (T.l.)

O primário do transformador de intensidade é ligado em série ao circuito cuja intensidade de corrente se quer medir (fig.11). O enrolamento secundário fecha-se sobre o aparelho de medida (amperímetro, bobina amperimétrica de wattímetro, etc.). Na figura é exemplificado este tipo de ligação.

Fig. 11 - Esquemas de T.I.

Sendo a resistência dos amperímetros bastante baixa (da ordem de 1 (OHM) ou inferior) podemos dizer que o T.I. funciona em regime próximo do ensaio em curto-circuito.

Nestas condições são válidas as relações obtidas para o ensaio em curto-circuito. Como o transformador é elevador, visto que N₂ > N₁, temos:

Pelo que a intensidade da corrente lida pelo amperímetro, depois de multiplicada pela relação de transformação rt traduz quase fielmente o valor que se queria medir (corrente na linha, I1).

Tendo a intensidade da corrente no primário valores normalmente bastante elevados, o enrolamento primário é constituído por poucas espiras (ou mesmo só um condutor) de fio de grande secção. O secundário é constituído por grande número de espiras de fio bastante fino, dado o valor baixo da intensidade de corrente.

Quando o T.I. está em funcionamento é imposta ao primário a corrente a medir, a qual cria um fluxo elevado no núcleo. A corrente secundária cria um fluxo que contraria aquele, pelo que o fluxo resultante no núcleo é reduzido. Em vazio apenas há o fluxo da corrente primária (fluxo elevado) que originará uma elevadíssima tensão no secundário (transformador elevador). Assim, em vazio as perdas no ferro atingem valores elevadíssimos, pelo que haverá sobreaquecimento do aparelho e consequente destruição. Por outro lado a sobretensão põe em perigo a segurança das pessoas e deteriora os isolamentos.

Concluímos que o secundário dos T.I. nunca deve ser aberto quando em serviço.

Pelas mesmas razões que para os T.T. também nos T. I. se ligam à terra um terminal do secundário e o invólucro (se for condutor). Nas figuras 12 e 13 mostram-se vários tipos de T. I..

(a) (b) (c)

(e) (f)

(d)

Fig.12

(a) - T.I.,200/5A, 0.5kV

(b) - Condutor dando 8 voltas ao núcleo de um T.I. 200/5A ,para medir correntes até 25A (25/5 A)

(d) - T.I. para 245 kV, 1500/5A, 2.8 metros de altura e cerca de 1000 kg de peso.

(e), (f) - Pinças amperimétricas

Fig.13

Na pinça amperimétrica o condutor primário passa por dentro do circuito magnético formado pela própria pinça, á qual transforma o valor da intensidade da corrente que vai ser lido pela deslocação de um ponteiro numa escala graduada adequadamente.

Na fig. 14 representa-se a ligação à rede de um wattímetro por meio de um T.I. e de um T.T..

Fig. 14 - Ligação de um wattímetro por meio de T.I. e T.T.

3. TRANSFORMADORES DE NÚMERO DE FASES

Além das potencialidades já apontadas, o transformador tem ainda uma bastante importante: permite, através de uma montagem conveniente de enrolamentos, a transformação de um sistema polifásico (n fases) num outro sistema também polifásico mas com um número de fases diferente.

Ø Podemos obter, entre outras, as seguintes transformações:

Ø Trifásico em monofásico e Trifásico em bifásico

Ø Trifásico em hexafásico (6 fases)

Ø Trifásico em dodecafásico (12 fases)

3.1. TRANSFORMAÇÃO TRIFÁSICO - BIFÁSICO

3.1.1 Introdução

A transformação mais utilizada é, sem dúvida, a transformação de trifásico em bifásico. O sistema bifásico é metade de um sistema tetrafásico, conforme representamos na fig. 15.

Fig. 15 - Sistema bifásico de tensões.

Interessa ter uma alimentação com duas fases quando se pretende alimentar 2 receptores monofásicos de elevada potência, os quais introduziriam um desequilíbrio inaceitável se fossem ligados directamente à rede trifásica. Como exemplo temos o caso de duas máquinas de soldar ou de uma rede de tracção eléctrica que representamos na fig. 16.

Fig. 16 - Transformação trifásico - bifásico. A tracejado indica-se o percurso da corrente numa das fases do secundário.

Esta transformação trifásico - bifásico pode ser obtida por 2 tipos diferentes de montagem: montagem Scott e montagem Leblanc.

3.1.2 Montagem (ligação) Scott

O sistema bifásico é, neste caso, obtido por intermédio de 2 transformadores T₁ e T₂ com o número de espiras e ligação indicada na fig. 17. Alimentando os primários com um sistema trifásico de tensões obtêm-se duas tensões bifásicas U₁ e U₂ nos secundários.

Fig. 1 7 - Montagem Scott.

No diagrama vectorial são representadas as tensões compostas , e . O transformador T₁ é alimentado pela tensão entre o terminal A e o ponto médio M do primário de T₂. está em quadratura com pelo que as tensões secundárias e (respectivamente em fase com e respectivamente) também estão em quadratura entre si.

Para que seja U_l =U₂ é necessário que U_AM = U_BC. Pelo diagrama temos U_AM < U_BC, pelo que T₁ deve ter maior número de espiras no primário que T₂.

Como, então .

Vemos que o primário de T₁ deverá ter 1/0.86 N₁ espiras, ou seja , espiras para que seja U₁ = U₂.

Esta montagem é reversível pois quando alimentada em bifásico fornece um sistema de tensões trifásicas.

A transformação descrita também é feita pelo transformador Leblanc graças a uma subdivisão e ligação convenientes dos enrolamentos suportados pelas 3 colunas.

3.2 TRANSFORMAÇÃO TRIFÁSICO - HEXAFÁSICO

Esta é uma transformação muito simples, feita por um único transformador trifásico em que os pontos médios dos enrolamentos secundários estão ligados entre si, conforme se representa na fig. 18.

Cada enrolamento secundário fornece duas tensões em oposição de fase dado que são definidas em relação ao ponto 0. Obtêm-se assim 6 tensões desfasadas de 60º.

Fig. 18

Os sistemas hexafásicos aplicam-se na alimentação de rectificadores de corrente alternada em corrente contínua, com vantagem sobre os trifásicos pois a corrente obtida terá menos ondulação (fig. 19).

Fig. 19 - Rectificação de corrente alternada a partir de um sistema trifásico ou de um sistema hexafásico de tensões e correntes.

Observe-se a menor ondulação obtida com um sistema hexafásico.

3.3 TRANSFORMAÇÃO TRIFÁSICO - DODECAFASICO

Por vezes faz-se também a transformação trifásica - dodecafásico, obtendo-se 12 tensões desfasadas de 30º entre si, também para alimentar rectificadores que fornecem corrente contínua ainda com menor ondulação (Fig. 20).

Fig. 20 - Transformação de um sistema trifásico em dodecafásico possibilitando a obtenção, por meio de rectificadores, de corrente com um mínimo de ondulação.