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Princípio básico de funcionamento de um transformador

Os transformadores desempenham um papel fundamental no sistema elétrico de potência, atuando como protagonistas essenciais. Eles são responsáveis por ajustar os níveis de tensão da energia elétrica produzida nas usinas para que possa ser transmitida de maneira eficiente e segura através das linhas de transmissão. Além disso, os transformadores também desempenham um papel crucial na distribuição de energia elétrica. Eles reduzem a tensão para níveis que podem ser usados com segurança em residências e empresas. Isso garante que a energia elétrica chegue aos consumidores finais de maneira segura e eficiente.

Distribuição de energia elétrica
Fonte: brgfx / Freepik

Descobertas que contribuíram para o desenvolvimento do transformador

Faraday, em 1831, percebeu que é possível gerar tensão elétrica através do movimento relativo entre um condutor e um campo magnético, sem que haja a necessidade de contato físico entre os elementos. A Lei de Lenz, posteriormente formulada, estabeleceu que tanto o movimento resultante de uma força mecânica, quanto o fluxo magnético concatenado, podem induzir uma tensão elétrica.

Essa tensão, quando em um circuito fechado, produz uma corrente cujo campo magnético tende a se opor à variação do fluxo magnético que a gerou. Além disso, a tensão induzida será diretamente proporcional ao número de espiras de fio da bobina que possuem o mesmo fluxo passando sobre elas e a taxa de variação do fluxo em relação ao tempo. E o seu sinal será negativo devido a expressão da lei de Lenz. Na forma de equação, temos

    \[e_{ind} = -N\frac{d\phi}{dt}\]

em que
e_{ind} = tensão induzida na bobina
N = número de espiras de fio da bobina
\phi = fluxo que passa através da bobina

Princípio de funcionamento de transformador ideal

O princípio de funcionamento de um transformador baseia-se na aplicação desses conceitos citados anteriormente. Através de um campo magnético variável no tempo, induz-se uma tensão em uma bobina quando esse campo a atravessa. E em um transformador típico, existem duas bobinas, a primária e a secundária. Quando uma corrente alternada é aplicada à bobina primária, ela cria um campo magnético variável que induz uma tensão nos terminais da bobina secundária. Com isso, o transformador é capaz de transferir a energia, por meio de indução eletromagnética, do primário para o secundário.

Desenho de um transformador ideal
Fonte: Autoria própria

No secundário do transformador, a frequência permanece a mesma, porém, a corrente e a tensão mudam, sendo a magnitude de ambas dependentes da relação entre número de espiras do primário e do secundário.

Então, considerando um transformador ideal, que não possui perdas em seus enrolamentos de entrada e saída. A relação entre a tensão vp(t) aplicada no lado do enrolamento primário do transformador e a tensão vs(t) produzida no lado do secundário é

    \[\frac{v_p(t)}{v_s(t)} = \frac{N_S}{N_p} = a\]

Onde a é definido a relação de espiras ou relação de transformação do transformador:

    \[a = \frac{N_p}{N_s}\]

A relação entre a corrente ip(t) que entra no lado primário do transformador e a corrente is(t) que sai do lado secundário do transformador é

    \[N_pi_p(t) = N_si_s(t)\]

ou

    \[\frac{i_p(t)}{i_s(t)}= \frac{1}{a}\]

Existem dois tipos de transformadores: os abaixadores e os elevadores de tensão. O transformador abaixador de tensão é aquele em que a tensão no secundário é menor do que a tensão no primário. O transformador elevador de tensão é aquele em que a tensão no secundário é maior do que a tensão no primário. Os transformadores elevadores são normalmente usados para elevar os níveis de tensão produzidos nas usinas para as linhas de transmissão, enquanto os abaixadores são bastante utilizados para reduzir os níveis de tensão para o consumo.

A potência do transformador ideal

A potência ativa de entrada Pentrada fornecida ao transformador pelo circuito primário é dada pela equação

    \[P_{entrada} = V_pI_pcos\theta_p\]

\theta_p = o ângulo entre a tensão primária e a corrente primária

Por outro lado, a potência ativa Psaída fornecida pelo circuito secundário do transformador à sua carga é dada pela equação

    \[P_{saída}  =  V_{s}I_{s}cos\theta_{s}\]

\theta_{s} = o ângulo entre a tensão secundária e a corrente secundária

Como, em transformador ideal, o fator de potência não muda do primário para o secundário, o ângulo entre a tensão e a corrente também não se altera, então

    \[P_{saída} = V_{s}I_{s}cos\theta_{s} = P_{entrada}\]

Logo, a potência de um transformador ideal é igual tanto na saída quanto na entrada.

Conclusão

Em suma, os transformadores desempenham um papel crucial no sistema elétrico de potência ao ajustar os níveis de tensão. Além disso, eles são essenciais na distribuição de energia, reduzindo a tensão para uso seguro em residências e empresas. Os transformadores podem ser abaixadores ou elevadores de tensão, sendo os primeiros usados para consumo e os segundos para transmissão de energia das usinas para as linhas de transmissão.
Neste artigo, foi feito um breve resumo do princípio de funcionamento de um transformador, com foco nos transformadores ideais. Para aprofundar ainda mais o assunto, recomendo a leitura dos livros listados nas referências e também da nossa apostila sobre transformadores. No futuro, mais conceitos serão abordados através de outros artigos.

Referências

ALEXANDER, C. K.; SADIKU, M. Fundamentos de Circuitos Elétricos. [s.l: s.n.].

CHAPMAN, S. J. Fundamentos de Máquinas Elétricas – 5ed. [s.l.] AMGH Editora, 2013.

KOSOW, I. L. Electric Machinery and Transformers. [s.l.] Pearson Educación, 1991.

MENEZES, M.; VERGNE, M. APOSTILA DE TRANSFORMADORES SISTEMAS DE POTÊNCIA. [s.l.] Grupo de Sistemas Elétricos de Potência Integrados, [s.d.].

Transformadores Verdes no Cenário da Potência

Os transformadores são equipamentos imprescindíveis para a transmissão da energia elétrica. A parte ativa do transformador (enrolamentos e núcleo) fica disposta dentro da estrutura em contato com material dielétrico, que na maioria das vezes se trata de óleo. Historicamente, muitos tipos de óleos isolantes foram largamente utilizados nos transformadores, como: óleo mineral tipo A, óleo mineral tipo B, óleo sintético, e mais recentemente, óleo vegetal. Os transformadores que utilizam óleo vegetal são comumente chamados de “Transformadores Verdes”.

Transformador de potência.
Fonte: T&DWORLD

Elemento renovável:

O óleo vegetal se tornou uma alternativa mais sustentável ao óleo mineral por sua origem renovável. Enquanto os OMIs são advindos do petróleo, fonte esgotável, os OVIs são extraídos a partir de grãos, como o milho, a soja, e o babaçu. Os óleos vegetais podem ser utilizados como dielétricos nos equipamentos e máquinas, desde que sigam as especificações da norma NBR 15422. Dessa forma, a substituição do isolante mineral pelo vegetal está sendo cada vez mais bem quista.

Tabela ABNT 2015.
Fonte: SIMONE, 2017.

Resfriamento:

As perdas por histerese magnética, por correntes parasitas e pelo cobre ocorrem durante a operação do transformador, e de forma inevitável. Elas são convertidas em calor, o que gera a necessidade de um mecanismo de refrigeração dentro do equipamento. O óleo, portanto além de isolar, é responsável pelo controle de temperatura do trafo, através da passagem do óleo pelos radiadores, o que ocasiona troca de calor por convecção. Para que a troca de calor seja adequada, o óleo deve ter baixa viscosidade, para que circule sem empecilhos nos radiadores, o que se torna um problema para os transformadores verdes. O óleo vegetal possui uma alta viscosidade, e gruda nas paredes da estrutura do trafo, podendo diminuir a vida útil do equipamento. Portanto, a estrutura de um transformador verde deve ser diferente da de um comum, tendo seu sistema de refrigeração projetado de modo a facilitar a passagem do óleo denso, como por exemplo, aumentando a largura dos radiadores. 

Demonstração da circulação do óleo e consequente troca de calor.
Fonte: UniverTec.

Biodegradabilidade:

O óleo vegetal, também chamado de éster natural de forma mais generalizada, apresenta maior biodegradabilidade quando comparado ao óleo mineral, por conta da sua origem. Um material de origem vegetal se degrada mais facilmente e com menos impactos à água e ao solo, visto que sua composição química reage mais com estes materiais, degradando-se numa faixa de 89 a 97% em 28 dias.

Estrutura química do éster natural.
Fonte: AMORIM, 2019.

Oxidação do óleo:

Outro aspecto construtivo do transformador verde que o difere do transformador comum é que sua estrutura metálica precisa ser reforçada, e sem a presença do mecanismo de “respiro livre”. O óleo vegetal apresenta alta oxidação, o que torna necessário o uso de mecanismos para evitar a todo custo o contato do oxigênio presente na atmosfera com o óleo presente no equipamento, de modo a prolongar a vida útil do isolante. Desse modo, a solução para a expansão térmica do óleo vegetal do transformador é o uso de conservadores com bolsas de borracha.

Bolsa de borracha para tanque de expansão.
Fonte: Unitec Borrachas

Considerações finais:

Com a urgência da crise climática e ambiental, o mundo procura formas de construir um futuro mais verde, e não é diferente na área da eletricidade. Nos transformadores de potência, ainda é baixa a adesão ao modelo sustentável, pois são equipamentos de vida útil elevada (cerca de 40 anos), e não se torna financeiramente viável substituir equipamentos que utilizam o óleo mineral isolante e ainda funcionam bem. Porém é inegável que o futuro dos transformadores de potência tende a ser sustentável.

Referências:

SANTANA, Ruth Marlene Campomanes e FRIEDENBERG, Luiz Eduardo. “Propriedades de óleos isolantes de transformadores e a proteção do meio ambiente”,. 2014. Disponível em:  <http://www.abes-rs.org.br/qualidade2014/trabalhos/id868.pdf> Acesso em: 31 de Outubro de 2023

CHAVIDI, Venkata Prasad e GNANASEKARAN, Dhorali.“Vegetable Oil based Biolubricants and Transformer Fluids: applications in power plants.”. 2018.

ALMEIDA, Larissa Santos e MUNIZ Pablo Rodrigues “ANÁLISE DE DESEMPENHO DO TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA ISOLADO A ÓLEO VEGETAL EM RELAÇÃO AO TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA ISOLADO A ÓLEO MINERAL.”. Revista IFes Ciência, 2020.

SIMONE, Giovana, “O USO DE ÓLEO VEGETAL EM TRANSFORMADORES DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA” . 2017 – Universidade Federal De Santa Catarina. Disponível em <https://repositorio.ufsc.br/xmlui/bitstream/handle/123456789/182225/Oleo%20vegetal%20em%20Trafos%20revisao.pdf?sequence=1&isAllowed=y>. Acesso em: 31 de Outubro de 2023

AMORIM, Cleber Arantes “ADEQUAÇÃO DO PROJETO DE ISOLAMENTO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA NA SUBSTITUIÇÃO DO ÓLEO MINERAL PELO ÉSTER NATURAL”. 2019. Disponível em <https://www.ppgee.ufmg.br/defesas/1602M.PDF>. Acesso em: 29 de Outubro de 2023

“Como o óleo trabalha na refrigeração dos Transformadores” 2022. Disponível em <https://www.romagnole.com.br/noticias/como-o-oleo-trabalha-na-refrigeracao-dos-transformadores/>. Acesso em: 26 de outubro de 2023