Construção de um Transformador

Construção de Transformadores e Componentes Chave

Um transformador compreende principalmente um circuito magnético, um circuito elétrico, um circuito dielétrico, um tanque e componentes auxiliares. Seus elementos centrais são os enrolamentos primário/secundário e um núcleo de aço, com o núcleo construído a partir de aço silício para formar um caminho magnético contínuo. Os núcleos dos transformadores geralmente são laminados para minimizar as perdas por correntes parasitas.

Circuito Magnético

O circuito magnético consiste no núcleo e na cintura, fornecendo um caminho para o fluxo magnético. Ele apresenta um núcleo de aço laminado com duas bobinas isoladas (primária e secundária), ambas isoladas uma da outra e do núcleo.

• Material do Núcleo: Chapas de aço laminado ou aço silício, escolhidas por suas baixas perdas de histerese em densidades de fluxo padrão.

• Termos Estruturais:

• Ramos: Seções verticais onde as bobinas são enroladas.

• Cintura: Seções horizontais que conectam os ramos para completar o caminho magnético.

Circuito Elétrico

O circuito elétrico compreende os enrolamentos primário e secundário, tipicamente feitos de cobre:

• Tipos de Condutor:

• Condutor de seção retangular: Utilizado para enrolamentos de baixa tensão e alta tensão em transformadores grandes.

• Condutor de seção circular: Empregado nos enrolamentos de alta tensão de pequenos transformadores.

Os transformadores são classificados pela construção do núcleo e pelo posicionamento dos enrolamentos em:

Construção de Transformador de Núcleo

No design de transformador de núcleo, o núcleo é formado por laminados estruturados em moldes retangulares. As lâminas geralmente são cortadas em tiras em forma de L, conforme ilustrado na figura abaixo. Para minimizar a relutância magnética nas juntas das lâminas, as camadas alternadas são dispostas em um padrão escalonado, eliminando linhas de junção contínuas e garantindo um caminho magnético suave.

Os enrolamentos primário e secundário são intercalados para minimizar o fluxo de fuga, com metade de cada enrolamento arranjada lado a lado ou concentricamente em cada ramo do núcleo. Durante a colocação, a isolação de formadora de baquelite é inserida entre o núcleo e o enrolamento de baixa tensão (LV), entre LV e o enrolamento de alta tensão (HV), entre as bobinas e a cintura, e entre o ramo HV e a cintura, conforme ilustrado na figura abaixo. O enrolamento de baixa tensão é posicionado mais próximo ao núcleo para reduzir os requisitos de isolação, otimizando a eficiência do material e a segurança elétrica.

Construção de Transformador de Casco

Em um transformador de casco, as lâminas individuais são cortadas em tiras longas em forma de E e I (conforme mostrado na figura abaixo), formando dois circuitos magnéticos com um núcleo de três ramos. O ramo central, duas vezes mais largo que os ramos externos, carrega o fluxo magnético total, enquanto cada ramo externo conduz metade do fluxo, otimizando a eficiência magnética e minimizando o fluxo de fuga.

Design e Componentes de Transformador de Casco

Estrutura de Enrolamento e Núcleo de Transformador de Casco

O fluxo de fuga em transformadores de casco é minimizado subdividindo os enrolamentos, reduzindo a reatância. Os enrolamentos primário e secundário estão localizados no ramo central: o enrolamento de baixa tensão (LV) está adjacente ao núcleo, com o enrolamento de alta tensão (HV) envolvendo-o. Para reduzir os custos de lâminas, os enrolamentos são pré-formados em formas cilíndricas, com as lâminas do núcleo inseridas posteriormente.

Circuito Dielétrico

O circuito dielétrico compreende materiais isolantes que separam as partes condutoras. As lâminas do núcleo (de 0,35 a 0,5 mm de espessura para sistemas de 50 Hz) são revestidas com verniz ou uma camada de óxido para minimizar as perdas por correntes parasitas e garantir o isolamento elétrico entre as camadas.

Tanques e Acessórios

Conservador

Um tanque cilíndrico montado no teto do tanque principal do transformador, o conservador atua como um reservatório de óleo isolante. Ele acomoda a expansão do óleo durante a operação sob carga total, evitando a acumulação de pressão à medida que a temperatura flutua.

Respirador

Funcionando como o "coração" do transformador, o respirador regula a entrada de ar durante a expansão/contracção do óleo. O gel de sílica dentro dele absorve a umidade do ar de entrada, preservando a qualidade do óleo: o gel azul fresco vira rosa quando saturado, com o gel seco capaz de reduzir os pontos de orvalho do ar abaixo de -40°C.

Válvula de Explosão

Um tubo fino de alumínio instalado em ambas as extremidades do transformador, a válvula de explosão alivia a pressão interna excessiva causada por surtos de temperatura súbitos, protegendo o transformador de danos.

Radiador

Unidades de radiador removíveis resfriam o óleo do transformador por convecção natural: o óleo aquecido sobe para o radiador, esfria e retorna ao tanque através de válvulas, mantendo um ciclo de resfriamento contínuo.

Buchas

Dispositivos isolantes que permitem que condutores elétricos passem através do tanque, as buchas suportam campos de alta tensão. Transformadores pequenos usam buchas de porcelana sólida, enquanto unidades maiores empregam buchas do tipo condensador cheias de óleo. A infiltração de umidade é o principal modo de falha, detectável por meio de testes de fator de potência (por exemplo, teste de fator de potência Doble) que monitoram a degradação da isolação.