O que é transformador de potência e como funciona?

Em alguns de nossos artigos anteriores, discutimos sobre os fundamentos do transformador e seus diferentes tipos. Um dos transformadores importantes e comumente usados é o transformador de potência. É amplamente utilizado para aumentar e diminuir a tensão na estação de geração de energia elétrica e na estação de distribuição (ou subestação), respectivamente.

Por exemplo, considere o diagrama de blocos mostrado acima. Aqui, o transformador de energia é usado duas vezes para fornecer energia elétrica a um consumidor que está longe da estação geradora.

A primeira vez é na estação geradora de energia para aumentar a tensão gerada pelo gerador eólico.
O segundo é na estação de distribuição (ou subestação) para reduzir a tensão recebida no final da linha de transmissão.

Perda de energia nas linhas de transmissão

Existem muitas razões para usar um transformador de potência em sistemas elétricos de potência. Mas uma das razões mais importantes e simples para usar o transformador de energia é reduzir as perdas de energia durante a transmissão de energia elétrica.

Agora vamos ver como a perda de energia é reduzida consideravelmente usando um transformador de energia:

Primeiro, a equação da perda de potência P = I * I * R.

Aqui, I = corrente através do condutor e R = Resistência do condutor.

Portanto, a perda de potência é diretamente proporcional ao quadrado da corrente fluindo através do condutor ou linha de transmissão. Portanto, diminua a magnitude da corrente que passa pelo condutor, menores as perdas de energia.

Como tiraremos proveito dessa teoria é explicado a seguir:

Digamos que a tensão inicial = 100 V e os consumos de carga = 5 A e a potência fornecida = 500 watt. Então, as linhas de transmissão aqui têm que transportar uma corrente de magnitude 5A da fonte à carga. Mas se aumentarmos a tensão no estágio inicial para 1000 V, as linhas de transmissão só terão que transportar 0,5 A para fornecer a mesma potência de 500 Watt.
Portanto, aumentaremos a tensão no início da linha de transmissão usando um transformador de potência e usaremos outro transformador para reduzir a tensão no final da linha de transmissão.
Com esta configuração, a magnitude do fluxo de corrente através da linha de transmissão de mais de 100 quilômetros é reduzida consideravelmente, reduzindo assim a perda de energia durante a transmissão.

Diferença entre transformador de potência e transformador de distribuição

O transformador de potência geralmente é operado em carga total porque é projetado para ter alta eficiência com 100% da carga. Por outro lado, o transformador de Distribuição tem alta eficiência quando a carga fica entre 50% e 70%. Portanto, os transformadores de distribuição não são adequados para operar continuamente a 100% da carga.
Como o transformador de energia leva a altas tensões durante a intensificação e a redução, os enrolamentos têm alto isolamento quando comparados com transformadores de distribuição e transformadores de instrumentos.
Por usarem isolamento de alto nível, são muito volumosos e também muito pesados.
Como os transformadores de força geralmente não são conectados às residências diretamente, eles experimentam menos flutuações de carga, enquanto que, por outro lado, os transformadores de distribuição sofrem grandes flutuações de carga.
Eles são carregados completamente por 24 horas por dia, de modo que as perdas de cobre e ferro ocorrem ao longo do dia e permanecem os mesmos o tempo todo.
A densidade de fluxo no transformador de potência é maior do que no transformador de distribuição.

Princípio de funcionamento do transformador de potência

O transformador de potência funciona segundo o princípio da 'lei da indução eletromagnética de Faraday'. É a lei básica do eletromagnetismo que explica o princípio de funcionamento de indutores, motores, geradores e transformadores elétricos.

A lei afirma que ' Quando um condutor em circuito fechado ou em curto é aproximado de um campo magnético variável, o fluxo de corrente é gerado nesse circuito fechado' .

Para entender melhor a lei, vamos discuti-la com mais detalhes. Primeiro, vamos considerar um cenário abaixo.

Considere um ímã permanente e um condutor é aproximado um do outro primeiro.

Em seguida, o condutor é curto-circuitado em ambas as extremidades usando um fio, conforme mostrado na figura.
Nesse caso, não haverá fluxo de corrente no condutor ou no loop porque o campo magnético que corta o loop é estacionário e, conforme mencionado na lei, apenas um campo magnético variável ou variável pode forçar a corrente no loop.
Portanto, no primeiro caso do campo magnético estacionário, haverá fluxo zero no circuito condutor.

então, o campo magnético que corta o loop continua mudando. Como há um campo magnético variável presente neste caso, as leis de Faraday entrarão em ação e, portanto, podemos ver um fluxo de corrente no circuito condutor.

Como você pode ver na figura, depois que o ímã se move para frente e para trás, vemos uma corrente 'I' fluindo através do condutor e do circuito fechado.

para substituí-lo por outras fontes de campo magnético variáveis como abaixo.

Agora, uma fonte de tensão alternada e um condutor são usados para gerar um campo magnético variável.
Depois que o circuito condutor se aproxima da faixa do campo magnético, podemos ver um EMF gerado através do condutor. Por causa deste EMF induzido, teremos um fluxo de corrente 'I'.
A magnitude da tensão induzida é proporcional à intensidade do campo experimentada pelo segundo circuito, portanto, quanto maior a intensidade do campo magnético, maior o fluxo de corrente no circuito fechado.

Embora seja possível usar um único condutor configurado para entender a lei de Faraday. Mas, para um melhor desempenho prático, é preferível usar uma bobina em ambos os lados.

Aqui, uma corrente alternada está fluindo através da bobina primária1, que gera o campo magnético variável em torno das bobinas condutoras. E quando a bobina2 entra na faixa do campo magnético gerado pela bobina1, então uma tensão EMF é gerada através da bobina2 por causa da lei de indução eletromagnética de Faraday. E por causa dessa tensão na bobina 2, uma corrente 'I' flui através do circuito fechado secundário.

Agora você tem que lembrar que ambas as bobinas estão suspensas no ar, então o meio de condução usado pelo campo magnético é o ar. E o ar tem maior resistência em comparação com os metais no caso da condução do campo magnético, então se usarmos um núcleo de metal ou ferrite para atuar como um meio para o campo eletromagnético, podemos experimentar a indução eletromagnética de forma mais completa.

Portanto, agora vamos substituir o meio de ar pelo meio de ferro para uma maior compreensão.

Conforme mostrado na figura, podemos usar núcleo de ferro ou ferrite para reduzir a perda de fluxo magnético durante a transmissão de energia de uma bobina para outra. Durante este tempo, o fluxo magnético vazado para a atmosfera será consideravelmente menor do que o tempo em que usamos o meio de ar como um núcleo é um condutor muito bom do campo magnético.

Uma vez que o campo é gerado pela bobina1, ele fluirá através do núcleo de ferro atingindo a bobina2 e por causa da lei moderna, a bobina2 gera um EMF que será lido pelo galvanômetro conectado através da bobina2.

Agora, se você observar cuidadosamente, verá que esta configuração é semelhante a um transformador monofásico. E sim, todos os transformadores presentes hoje funcionam no mesmo princípio.

Agora, vamos examinar a construção simplificada do transformador trifásico.

Transformador Trifásico

O esqueleto do transformador é projetado por estaqueamento de folhas de metal laminadas que são usadas para transportar o fluxo magnético. No diagrama, você pode ver que o esqueleto está pintado de cinza. O esqueleto tem três colunas nas quais enrolamentos de três fases são enrolados.
O enrolamento de baixa tensão é enrolado primeiro e mais próximo do núcleo, enquanto o enrolamento de alta tensão é enrolado no topo do enrolamento de baixa tensão. Lembre-se de que ambos os enrolamentos são separados por uma camada de isolamento.
Aqui, cada coluna representa uma fase, portanto, para três colunas, temos enrolamento trifásico.
Toda esta configuração de esqueleto e enrolamento está imersa em um tanque selado cheio de óleo industrial para melhor condutividade térmica e isolamento.
Após o enrolamento, os terminais de todas as seis bobinas foram retirados do tanque selado por meio de um isolador de alta tensão.
Os terminais são fixados a uma distância razoável uns dos outros para evitar faíscas.

Características do transformador de potência

Potência nominal	3 MVA até 200 MVA
Tensões primárias tipicamente	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 kV
Tensões secundárias tipicamente	3,3, 6,6, 11, 33, 66, 132 kV ou especificação personalizada
Fases	Transformadores monofásicos ou trifásicos
Frequência nominal	50 ou 60 Hz
Tapping	Comutadores em carga ou sem carga
Aumento de temperatura	60 / 65C ou especificação personalizada
Tipo de refrigeração	ONAN (óleo natural, ar natural) ou outros tipos de resfriamento, como KNAN (máx. 33kV), a pedido
Radiadores	Painéis do radiador de resfriamento montados em tanque
Grupos de vetores	Dyn11 ou qualquer outro grupo de vetor de acordo com IEC 60076
Regulação de tensão	Via comutador em carga (com relé AVR como padrão)
Terminais HV e LV	Tipo de caixa de cabo de ar (33kV máx.) Ou buchas abertas
Instalações	Interno ou Externo
Nível de som	De acordo com ENATS 35 ou NEMA TR1

Aplicações de transferência de energia

O transformador de energia é usado principalmente na geração de energia elétrica e em estações de distribuição.
Ele também é usado em transformadores de isolamento, transformadores de aterramento, transformadores retificadores de seis pulsos e doze pulsos, transformadores de parques solares fotovoltaicos, transformadores de parques eólicos e na partida de autotransformador Korndörfer.
É usado para reduzir as perdas de energia durante a transmissão de energia elétrica.
É usado para aumento e redução de alta tensão.
É preferível durante casos de consumo de longa distância.
E preferível em casos em que a carga funciona com capacidade total 24x7.