UC02935 · Transformadores

Introdução

O transformador é o componente que permite a rede eléctrica moderna. Sem ele, a energia produzida em centrais a centenas de km de distância não chegava a cada tomada na nossa casa de forma económica.

Princípio descoberto por Michael Faraday em 1831 (indução electromagnética). Aplicação industrial em larga escala desde os anos 1880 com a "guerra das correntes" entre Edison (CC) e Tesla/Westinghouse (CA) — venceu CA porque era fácil transformar (subir tensão para transporte, baixar para utilização).

Esta unidade (25h) cobre os fundamentos: princípios físicos, tipos principais (monofásico, trifásico, especiais), ensaios e manutenção. Foco prático em situações que o técnico de manutenção industrial encontra: pequenos transformadores em quadros de comando, transformadores de isolamento em zonas críticas, transformadores de potência em postos de transformação (PT) industriais.

1. Princípios electromagnéticos

1.1 Lei de Faraday

Lei fundamental (Michael Faraday, 1831):

Quando o fluxo magnético através de uma bobina varia no tempo, induz-se uma força electromotriz (f.e.m.) nessa bobina.

ε = -N × dΦ/dt

Onde: - ε = f.e.m. induzida (V). - N = número de espiras da bobina. - dΦ/dt = taxa de variação do fluxo magnético (Wb/s = V). - Sinal negativo: lei de Lenz (corrente induzida opõe-se à causa).

Implicação: para haver tensão induzida, o fluxo tem de variar. Por isso o transformador não funciona com CC — a CC mantém fluxo constante, não há variação, não há indução.

1.2 Acoplamento magnético

Se duas bobinas partilham o mesmo fluxo (estão no mesmo núcleo magnético), uma variação na primeira induz tensão na segunda:

Bobina 1 (primário, N1 espiras):    ε1 = -N1 × dΦ/dt
Bobina 2 (secundário, N2 espiras):  ε2 = -N2 × dΦ/dt

Dividindo:

ε1 / ε2 = N1 / N2

Esta é a relação fundamental do transformador.

1.3 Relação de transformação

U1 / U2 = N1 / N2 = a (relação de transformação)

• Se N1 > N2 → U1 > U2 → transformador abaixador (step-down).
• Se N1 < N2 → U1 < U2 → transformador elevador (step-up).

Conservação aproximada de potência (descontando perdas):

S1 = S2  (em VA)
U1 × I1 = U2 × I2
→ I1 / I2 = N2 / N1 = 1/a

Tensão sobe → corrente desce, e vice-versa.

1.4 Exemplo prático

Transformador 230 V / 24 V para campainha: - a = 230 / 24 ≈ 9,58. - Se N1 = 1000 espiras → N2 ≈ 104 espiras. - Se S = 50 VA: - I1 = 50 / 230 = 0,22 A. - I2 = 50 / 24 = 2,08 A.

Cobre da bobina primária é mais fino (corrente menor); cobre da secundária é mais grosso. O número de espiras é maior no primário.

2. Transformador monofásico

2.1 Construção

Núcleo magnético: - Material: chapas de aço silicioso (alta permeabilidade magnética, baixas perdas). - Laminado em chapas finas (0,3-0,5 mm) isoladas entre si por verniz → reduz correntes parasitas de Foucault. - Forma: depende do tipo (coluna, encurralado, toroidal).

Bobinas: - Cobre esmaltado (verniz isolante). - Bitola conforme corrente que vai transportar. - Em pequenos transformadores: bobinadas concentricamente (BT mais perto do núcleo, AT por fora).

2.2 Tipos de núcleo

Núcleo em coluna (core type):

   ┌─────────┐
   │         │
  ███       ███    bobinas em volta de 2 colunas
   │         │
   └─────────┘

Construção simples, comum em transformadores pequenos-médios.

Núcleo encurralado (shell type):

   ┌───────┬───────┐
   │       │       │
   │      ███      │   bobina em torno da coluna central
   │       │       │
   └───────┴───────┘

Bobinas mais protegidas. Menor dispersão magnética. Standard em transformadores de potência médios.

Núcleo toroidal: - Anel contínuo de aço silicioso. - Bobinas enroladas à volta do anel. - Compacto, leve, baixa interferência electromagnética. - Mais caro de fabricar. - Aplicações: equipamentos electrónicos, audio Hi-Fi.

2.3 Perdas no transformador

Perdas no ferro (no núcleo):

• Histerese: energia gasta na inversão da magnetização do ferro em cada ciclo (50 Hz → 50 inversões/segundo). Minimizada por aço silicioso de baixa coercitividade.

• Foucault (correntes parasitas): corrente induzida no próprio núcleo metálico. Reduzida laminando o núcleo em chapas finas isoladas.

Característica: existem sempre que transformador está ligado, independentemente da carga. Constantes.

Perdas no cobre (nas bobinas):

• Joule (I² × R): aquecimento ohmico das bobinas.
• Variam com o quadrado da carga.
• Em vazio: praticamente zero.
• Em carga nominal: máximas.

Rendimento típico: - Transformador pequeno (< 1 kVA): 85-92%. - Transformador médio (1-1000 kVA): 95-98%. - Transformador grande (MVA): > 99%.

Maior eficiência possível em hardware industrial — é dos componentes eléctricos mais eficientes que existem.

2.4 Diagrama equivalente

Para análise eléctrica, transformador modela-se como circuito equivalente:

        R1, X1               R2, X2
   ───/\/\─/\/\─┬──────────┬─/\/\─/\/\───
   Primário    │          │    Secundário
              X_m   │   R_núcleo
              (magnetização)   (perdas ferro)
                    │
                   GND

• R1, R2: resistências das bobinas (perdas cobre).
• X1, X2: reactâncias de dispersão (fluxo que não acopla bobinas).
• Xm: reactância de magnetização (fluxo principal).
• R_núcleo: representação das perdas no ferro.

2.5 Aplicações

• Adaptação de tensão: 230V → 12V, 24V para campainhas, comando, fontes de alimentação.
• Isolamento galvânico: separa primário e secundário; corrente fuga de um lado não afecta o outro.
• Adaptação de impedância: áudio, radiofrequência (cargas adaptadas para máxima transferência de potência).
• Medição: transformadores de corrente e tensão para amperímetros, voltímetros, contadores.

3. Transformador trifásico

3.1 Construção

3 transformadores monofásicos podem ser combinados num único núcleo trifásico com 3 colunas:

       Coluna L1   Coluna L2   Coluna L3
          │           │           │
        ┌─┴─┐       ┌─┴─┐       ┌─┴─┐
        │   │       │   │       │   │
        │ █ │       │ █ │       │ █ │   bobinas primárias
        │   │       │   │       │   │
        │ █ │       │ █ │       │ █ │   bobinas secundárias
        │   │       │   │       │   │
        └─┬─┘       └─┬─┘       └─┬─┘
          │           │           │
          └───────────┴───────────┘
                  jugo magnético

Vantagens vs 3 monofásicos: - Menor volume (uma única estrutura magnética). - Menos cobre e ferro. - Menor peso (~25-30% menos). - Custo menor. - Maior eficiência.

Desvantagens: - Mais difícil de reparar (substituir 1 bobina = afecta toda a unidade). - Custo de substituição mais elevado.

3.2 Ligações trifásicas

Cada lado (primário e secundário) pode ser ligado em:

Estrela (Y): - 3 bobinas com um ponto comum (neutro). - 4 terminais externos: 3 fases + neutro. - Tensão entre fase e neutro: U_fase = U_linha / √3.

Triângulo (D ou Δ): - 3 bobinas ligadas em série fechada (em forma de triângulo). - 3 terminais externos: só fases. - Sem neutro. - Tensão entre fases: U_linha = U_bobina.

Zig-zag (Z): - Cada bobina dividida em 2 secções entre colunas diferentes. - Especial — usado para neutro artificial em redes que não o têm.

3.3 Designação de transformadores trifásicos

Formato: Aa[N][n][número]

• Letra MAIÚSCULA = primário (lado AT).
• Letra minúscula = secundário (lado BT).
• D, Y, Z = triângulo, estrela, zig-zag.
• N, n = neutro acessível (no lado correspondente).
• Número = índice horário (× 30° de desfasamento entre primário e secundário).

Exemplos:

• Yyn0: estrela-estrela, com neutro no secundário, sem desfasamento. Distribuição simples.
• Dyn11: triângulo no primário, estrela com neutro no secundário, desfasamento 11×30° = 330°. Standard mundial em transformadores de distribuição (PT urbano).
• Yd1 ou Yd11: estrela no primário, triângulo no secundário. Em centrais eléctricas (gerador-transporte).
• YNyn0d: triângulo terciário adicional para estabilidade. Grandes transformadores de transmissão.

3.4 Tensões standard em Portugal

Posto de Transformação (PT) típico industrial: alimentação 15 kV (rede MT) → transformador Dyn11 → 400/230 V para distribuição interna.

3.5 Comportamento perante cargas desequilibradas

Em sistemas trifásicos reais, as cargas raramente são exactamente iguais nas 3 fases. Isto cria corrente de neutro (em sistemas com neutro) ou desequilíbrio interno (em triângulo).

Y-Y com neutro (Yyn0): aceita bem cargas desequilibradas — neutro retorna o desequilíbrio. Standard residencial.

D-Y com neutro (Dyn11): o triângulo no primário "absorve" o desequilíbrio internamente, não o passa à rede MT. Por isso é o standard de distribuição.

Y-D: cargas desequilibradas no triângulo causam circulação interna mas mantêm tensões estáveis externamente.

3.6 Acoplamento em paralelo

Para alimentar grandes cargas pode ser necessário ter 2+ transformadores em paralelo. Requisitos:

1. Mesma relação de transformação (mesma tensão de saída).
2. Mesmo grupo de ligação (Yd11 com Yd11; nunca Yd11 com Dy5 → desfasamento diferente → circulação destrutiva).
3. Impedâncias percentuais semelhantes (max 10% de diferença) — caso contrário, um leva a maior parte da carga.
4. Mesma sequência de fases.

Em PTs grandes (industriais, hospitais, etc.), 2 transformadores em paralelo dão redundância: se um falhar, o outro continua a alimentar (com cargas reduzidas se necessário).

4. Transformadores especiais

4.1 Auto-transformador

Uma única bobina com derivação intermédia:

    Terminal A ──┬─────────────────
                 │
              N1 (parte da bobina toda)
                 │
                 ├──── Saída (derivação)
                 │
              N2 (parte adicional)
                 │
    Terminal B ──┴─────────────────

Relação: U_saída = U_A_B × (N2 / N_total).

Vantagens vs transformador convencional: - Menos cobre (uma só bobina). - Menos perdas (menos resistência e fluxo de dispersão). - Mais barato. - Maior eficiência.

Desvantagens: - Sem isolamento galvânico entre entrada e saída (são electricamente ligadas). - Em caso de falha numa secção, toda a tensão de entrada aparece na saída → potencialmente perigoso.

Aplicações: - Estabilizadores de tensão (varivolt) — derivação móvel para ajuste contínuo. - Arrancadores de motor por autotransformador — alternativa ao estrela-triângulo (motor arranca a 50-65% da tensão). - Sistemas de iluminação com adaptação 230V/127V em alguns países. - Pequenas adaptações de tensão (110/230, 230/240).

4.2 Transformador de corrente (TC)

Mede correntes elevadas convertendo para escala compatível com instrumentos (5 A ou 1 A):

Conductor primário (passa por núcleo toroidal)
                              │
                              ▼
                       ╔══════════╗
                       ║  Núcleo  ║
                       ║          ║
                       ║      ████║   Bobina secundária (várias espiras)
                       ║          ║   → para amperímetro / relé
                       ╚══════════╝

Primário pode ser 1 só passagem (cabo passa pelo TC) ou múltiplas espiras enroladas.

Exemplo: TC 1000/5 - Quando primário tem 1000 A: secundário fornece 5 A para o amperímetro (que indica 1000 A na sua escala). - Relação 200:1.

Cuidados críticos: - NUNCA abrir o secundário com primário ligado — pode induzir tensão de centenas/milhares de V no secundário → arco eléctrico, queima do isolamento, perigo. - Antes de remover amperímetro: curto-circuitar terminais do TC com uma ponte (parafusos de curto-circuito existem na maioria dos TCs). - Verificar polaridade (P1-P2 no primário, S1-S2 no secundário) — importante para sistemas de medição multipolares.

Tipos: - TC de protecção (10P10, 5P20...): para relés de protecção. - TC de medição (classe 0.5, 1, 3): para contadores e medidores.

4.3 Transformador de tensão (TT)

Mede tensões elevadas convertendo para 100 V (ou 110 V) para voltímetros:

Exemplo: TT 15kV/100V - 15 kV no primário → 100 V no secundário (escala do voltímetro graduada em kV). - Relação 150:1.

Aplicações: contadores fiscais em MT, painéis de protecção, monitorização.

Cuidados: - Diferente do TC, secundário do TT pode ser deixado aberto (alta impedância) — mas não em curto (correria grande corrente). - Fusíveis no secundário em alguns modelos.

4.4 Transformador de isolamento

Relação 1:1 (tensão entrada = tensão saída). Objectivo é apenas separar galvânicamente os dois lados.

Aplicações:

1. Zonas médicas críticas (salas de cirurgia, UCI): paciente conectado a aparelhos eléctricos deve ter circuito isolado da rede para evitar correntes de fuga letais. Norma IEC 60364-7-710.

2. Bancadas de laboratório / serviço: protegem técnico ao reparar equipamentos com chassis vivos (e.g. fontes antigas sem isolamento).

3. Áudio / instrumentação: eliminam ground loops (loops de massa que introduzem zumbido 50 Hz).

4. Equipamento eléctrico portátil em zonas húmidas (canteiros): obrigatório em alguns países.

4.5 Transformador toroidal

Núcleo em forma de anel (toroide); bobina enrolada à volta do anel.

Vantagens: - Compacto e leve (até 50% menor que núcleo convencional). - Baixa dispersão magnética → menos interferência electromagnética (EMI) e melhor regulação. - Silencioso (sem zumbido típico de 50 Hz). - Eficiência ligeiramente superior (-10% perdas).

Desvantagens: - Custo mais elevado (fabrico complexo — bobina tem de ser enrolada à volta do anel). - Maior corrente de arranque (inrush current) — pode disparar disjuntores curva B.

Aplicações: amplificadores hi-fi, equipamento médico, instrumentação de precisão, fontes de alimentação especiais.

4.6 Transformador SMPS / electrónico

Fontes electrónicas modernas (computadores, telemóveis, LEDs) usam transformadores de alta frequência (kHz):

• Tensão da rede 50 Hz é rectificada → CC.
• CC é "cortada" electronicamente em ~50-200 kHz.
• Transformador opera a essa frequência elevada.
• Saída é rectificada e filtrada.

Vantagens vs transformador 50 Hz: - Muito menor (peso/volume 10-20× menos para a mesma potência). - Mais eficiente (90-95% típico). - Tensão de saída regulável electronicamente.

Desvantagens: - Mais complexo (componentes electrónicos). - Emite EMI se mal blindado. - Vida útil dependente dos condensadores electrolíticos (5-15 anos típico).

Comum em adaptadores de portátil, carregadores USB, drivers de LED, fontes de PC.

5. Ensaios e manutenção

5.1 Ensaios de transformador novo

Ensaio em vazio (no-load test): - Secundário aberto. - Tensão nominal aplicada ao primário. - Mede: corrente em vazio (I0), potência absorvida (P0). - P0 = perdas no ferro (constantes, não dependem da carga). - I0 tipicamente 1-5% da corrente nominal.

Ensaio em curto-circuito (short-circuit test): - Secundário curto-circuitado (com fio grosso). - Tensão reduzida no primário (até obter corrente nominal no secundário). - Tensão necessária: U_cc (geralmente 4-8% da nominal). - Mede: potência absorvida (P_cc) e tensão de curto-circuito (U_cc%). - P_cc = perdas no cobre à corrente nominal. - U_cc% = impedância percentual do transformador (importante para selectividade de protecções).

Estes 2 ensaios caracterizam completamente o transformador.

Outros ensaios (laboratoriais ou de aceitação em fábrica): - Isolamento (megger). - Rigidez dieléctrica (HiPot). - Resistência das bobinas (DC). - Ratio (relação de transformação). - Ensaio de aquecimento (em carga durante horas). - Ruído (especialmente em transformadores de potência).

5.2 Manutenção — transformador seco BT

Transformadores secos (sem óleo) usados em quadros de comando, em interior:

Inspecção mensal: - Visual: poeiras, sujidade, sinais de queimadura, descoloração. - Auditivo: zumbido normal a 100 Hz (2× frequência da rede). Zumbido a 50 Hz ou ruídos esporádicos indicam problema (laminação solta, núcleo desapertado). - Olfactivo: cheiro a queimado = isolamento degradado = problema sério.

Trimestral: - Termografia em carga: temperatura uniforme nas 3 fases (em trifásico); pontos quentes anormais nos bornes.

Anual: - Limpeza do pó (pano seco, aspirador suave; nunca jactos de ar comprimido directos que podem entrar nas bobinas). - Aperto dos bornes com chave dinamométrica (binário conforme manual). - Medição de isolamento com megger 1000V (ou 500V em transformadores BT): - Entre primário e PE: > 100 MΩ. - Entre secundário e PE: > 100 MΩ. - Entre primário e secundário: > 100 MΩ. - Continuidade das bobinas (multímetro DC) — comparar com valores anteriores.

5-10 anos: - Revisão profunda: desmontar (em oficina), apertar laminação do núcleo, vernizar enrolamentos se necessário, substituir terminais oxidados.

5.3 Manutenção — transformador em óleo

Transformadores de potência (acima de ~100 kVA) tipicamente usam óleo mineral como isolante e refrigerante:

Análise periódica do óleo (1-2 vezes por ano):

• Rigidez dieléctrica (BdV — Breakdown Voltage): tensão a que ocorre arco entre 2 eléctrodos a 2,5 mm de distância. Standard: > 30 kV (em óleo novo). Limite mínimo em serviço: 25 kV.

• Cromatografia de gases dissolvidos (DGA — Dissolved Gas Analysis): detecta gases produzidos por arcos internos ou sobreaquecimento. Principais gases e significados:

• H2: descargas parciais (efeito corona).
• CH4, C2H6: aquecimento moderado.
• C2H4: aquecimento severo.
• C2H2: arco eléctrico (situação crítica — desligar imediatamente).

• CO, CO2: degradação do papel isolante.

• Humidade no óleo: < 20-30 ppm. Água degrada isolamento drasticamente.

• Acidez: < 0,1 mgKOH/g (óleo novo) → < 0,3 (limite de substituição).

• Tan delta (perdas dieléctricas): < 0,005 em óleo novo.

Manutenção do óleo: - Filtragem (por vácuo) a cada 5-15 anos — remove humidade e partículas. - Substituição completa do óleo a cada 20-40 anos (consoante análises).

Outros equipamentos a verificar: - Sílicagel no respirador (azul = seca; cor-de-rosa = saturada → substituir). - Termómetros (de óleo e de enrolamento) — calibração anual. - Relé Buchholz (transformadores grandes) — detecta bolhas de gás (arco interno) ou perda de óleo. - Válvulas de sobrepressão e acessórios mecânicos — funcionamento testado anualmente.

5.4 Vida útil

Manutenção adequada estende vida útil; sem manutenção, falhas catastróficas em 10-15 anos.

6. Segurança

6.1 Riscos

Os transformadores são equipamentos com alto risco eléctrico:

• Tensões letais mesmo em pequenos modelos (230 V CA é letal).
• Energia armazenada no fluxo magnético (descarga ao abrir circuito).
• Acoplamento capacitivo pode manter tensão residual.
• Arco eléctrico em falha (explosão violenta com proyeçção de óleo em transformadores de potência).

6.2 5 regras de ouro

Em qualquer intervenção em transformador (ou qualquer equipamento eléctrico):

1. Cortar todas as fontes de tensão (todos os pólos).
2. Bloquear e etiquetar o seccionador (LOTO — Lockout/Tagout).
3. Verificar ausência de tensão com instrumento adequado (não só visualmente).
4. Pôr à terra e em curto-circuito (em MT/AT).
5. Sinalizar e delimitar zona de trabalho.

Em BT, regra 4 pode não ser obrigatória mas é recomendada em equipamentos com capacidade significativa.

6.3 Distâncias de segurança

Em MT/AT só pessoal habilitado (Habilitação BTC para MT, BTC AT para AT em Portugal) pode aproximar-se. Operações em vivo só com EPI específico e procedimentos certificados.

6.4 EPI específico

• Luvas isolantes com classe certificada:
• Classe 00: 500 V CA.
• Classe 0: 1 kV CA.
• Classe 1: 7,5 kV.
• Classe 2: 17 kV.
• Classe 3: 26,5 kV.
• Classe 4: 36 kV.
• Calçado isolante dieléctrico.
• Capacete dieléctrico.
• Viseira anti-arco (resistência ao arco em cal/cm²).
• Roupa anti-arco (em zonas de MT, segundo IEEE 1584).
• Bastão isolante para manobras de seccionadores.

EPI deve ser testado periodicamente (ano a ano em laboratório certificado). Luvas com fissuras ou furos = inúteis.

6.5 Procedimento de socorro

Em caso de electrocussão de colega:

1. NUNCA tocar directamente a vítima.
2. Cortar a alimentação se possível (interruptor, disjuntor).
3. Se impossível: empurrar a vítima para longe do contacto com objecto isolante seco (bastão, pau, vassoura — não metal, não húmido).
4. Chamar emergência (112).
5. Se vítima sem pulso ou respiração: iniciar reanimação (RCP) se formado.
6. Não deixar vítima sozinha; observar até chegada do socorro.

Formação em primeiros socorros e desfibrilação é obrigatória para técnicos eléctricos qualificados.

Apêndice A · Fórmulas de transformador

Relação de transformação:
a = N1/N2 = U1/U2 = I2/I1

Conservação de potência (ideal):
S1 = S2  (em VA)

Rendimento:
η = P_saída / P_entrada = P2 / (P2 + perdas_ferro + perdas_cobre)

Tensão induzida por espira:
ε/N = 4,44 × f × Φ_máx
(para onda sinusoidal)

Φ_máx = B_máx × A_núcleo
(B em Tesla, A em m²)

Apêndice B · Tabela de tensões UE

Apêndice C · Glossário

• N1, N2 — número de espiras (primário, secundário).
• a — relação de transformação.
• Φ — fluxo magnético (Weber, Wb).
• B — indução magnética (Tesla, T).
• TC — transformador de corrente.
• TT — transformador de tensão.
• DGA — Dissolved Gas Analysis (análise de gases dissolvidos no óleo).
• PT — Posto de Transformação.
• PED — Power Equipment Directive.
• LOTO — Lockout/Tagout.
• EPI — Equipamento de Protecção Individual.
• Yd11, Dyn11, Yyn0 — grupos de ligação trifásica.
• Buchholz — relé de protecção de transformadores em óleo.

Apêndice D · Recursos

• Norma IEC 60076: transformadores de potência.
• EN 50588: transformadores secos de distribuição.
• IEC 61558: transformadores de segurança e isolamento.
• Fabricantes: ABB, Siemens, Schneider Electric, EFACEC (Portugal), GE.
• Software: SKM PowerTools (estudos de curto-circuito); ETAP.