Eficiência do transformador

Introdução à Eficiência do Transformador

Os transformadores formam o elo mais importante entre os sistemas de fornecimento e a carga. A eficiência do transformador afeta diretamente seu desempenho e envelhecimento. Em geral, a eficiência do transformador está na faixa de 95 a 99%. Para grandes transformadores de potência com perdas muito baixas, a eficiência pode chegar a 99,7%. As medições de entrada e saída do transformador não são feitas sob condições de carga, pois as leituras dos wattímetros inevitavelmente sofrem erros de 1 a 2%. Portanto, para fins de cálculo de eficiência, são utilizados testes OC e SC para calcular as perdas nominais no núcleo e nas bobinas do transformador. As perdas no núcleo dependem da tensão nominal do transformador, e as perdas no cobre dependem das correntes que passam pelas bobinas primária e secundária. Assim, a eficiência do transformador é de extrema importância para operá-lo sob condições de tensão e frequência constantes. O aumento da temperatura do transformador devido ao calor gerado afeta a vida útil e as propriedades do óleo do transformador e determina o tipo de método de resfriamento adotado. O aumento de temperatura limita a classificação do equipamento. A eficiência do transformador é simplesmente dada por:

• A potência de saída é o produto da fração da carga nominal (volts-ampères) e do fator de potência da carga.

• As perdas são a soma das perdas no cobre nas bobinas + as perdas no ferro + as perdas dielétricas + as perdas de carga dispersa.

• As perdas no ferro incluem as perdas de histerese e as perdas por correntes parasitas no transformador. Essas perdas dependem da densidade de fluxo dentro do núcleo. Matematicamente,
  Perda de Histerese :
  
  Perda por Correntes Parasitas :
  
  Onde kh e ke são constantes, Bmax é a densidade de campo magnético máxima, f é a frequência da fonte, e t é a espessura do núcleo. O expoente 'n' na perda de histerese é conhecido como constante de Steinmetz, cujo valor pode ser próximo de 2.
  

• As perdas dielétricas ocorrem dentro do óleo do transformador. Para transformadores de baixa tensão, podem ser negligenciadas.

• O fluxo disperso liga-se à estrutura metálica, tanque, etc., produzindo correntes parasitas e estão presentes em todo o transformador, sendo chamadas de perdas dispersas, e dependem da corrente de carga, sendo nomeadas como 'perdas de carga dispersa.' Pode ser representado por resistência em série com a reatância de dispersão.

Cálculo de Eficiência do Transformador

O circuito equivalente do transformador referido ao lado primário é mostrado abaixo. Aqui Rc contabiliza as perdas no núcleo. Usando o teste de curto-circuito (SC), podemos encontrar a resistência equivalente contabilizando as perdas no cobre como

Definamos x% como a porcentagem da carga total ou nominal 'S' (VA) e deixemos Pcufl(watts) ser a perda no cobre na carga total e cosθ ser o fator de potência da carga. Também definimos Pi (watts) como a perda no núcleo. Como as perdas no cobre e no ferro são as principais perdas no transformador, apenas esses dois tipos de perdas são considerados no cálculo da eficiência. Então, a eficiência do transformador pode ser escrita como :

Onde, x2Pcufl = perda no cobre (Pcu) em qualquer carregamento x% da carga total.
A eficiência máxima (ηmax) ocorre quando as perdas variáveis são iguais às perdas constantes. Como a perda no cobre é dependente da carga, é uma quantidade de perda variável. E a perda no núcleo é considerada uma quantidade constante. Portanto, a condição para a eficiência máxima é :

Agora podemos escrever a eficiência máxima como :

Isso mostra que podemos obter a eficiência máxima na carga total com a seleção adequada de perdas constantes e variáveis. No entanto, é difícil obter a eficiência máxima, pois as perdas no cobre são muito maiores do que as perdas fixas no núcleo.
A variação da eficiência com a carga pode ser representada pela figura abaixo :

Podemos ver na figura que a eficiência máxima ocorre no fator de potência unitário. E a eficiência máxima ocorre na mesma carga, independentemente do fator de potência da carga.

Eficiência Diária do Transformador

É uma eficiência baseada em energia calculada para transformadores de distribuição. Ao contrário dos transformadores de pot