UC02935

Transformadores

Princípios, tipos, dimensionamento, manutenção

Técnico de Manutenção Industrial / Mecatrónica · 25h

Plano da unidade

  1. Princípios electromagnéticos
  2. Transformador monofásico
  3. Transformador trifásico
  4. Tipos especiais
  5. Ensaios e manutenção
  6. Segurança

Bloco 1 · Princípios

Indução electromagnética

Lei de Faraday: variação do fluxo magnético induz f.e.m. numa bobina:

ε = -N × dΦ/dt

Transformador explora isto: 2 bobinas no mesmo núcleo, corrente alternada na primeira → fluxo variável → tensão induzida na segunda.

Não funciona com CC porque CC não cria fluxo variável.

Princípio do transformador

       Primário (N1 espiras)        Secundário (N2 espiras)
         │     │                       │     │
         │     │                       │     │
       U1↓    │       ╔══════════╗    │    ↑U2
              ▼       ║          ║    ▼
              ┌───────╫──Núcleo──╫─────┐
              │       ║ ferromag.║      │
              └───────╫──────────╫──────┘
                      ╚══════════╝
              
Φ = fluxo magnético (variável) liga ambas as bobinas

Relação fundamental:

U1 / U2 = N1 / N2 = a (relação de transformação)
I1 / I2 = N2 / N1 = 1/a

(Potência conservada: P1 ≈ P2, descontando perdas.)

Cálculos básicos

Transformador 230 V / 24 V, S = 100 VA:

N1 / N2 = 230 / 24 ≈ 9,58
Se N1 = 1000 espiras → N2 ≈ 104 espiras

Correntes:
I1 = S / U1 = 100 / 230 = 0,43 A
I2 = S / U2 = 100 / 24 = 4,17 A

Tensão sobe, corrente desce (e vice-versa). Conservação aproximada de S = U × I.

Bloco 2 · Transformador monofásico

Construção

Núcleo: chapas de aço silicioso laminadas (reduz correntes parasitas/Foucault).

Tipos de núcleo:

  • Coluna (core type): bobinas em volta de 2 colunas.
  • Encurralado (shell type): bobinas em torno de 1 coluna central, com retornos laterais. Menor dispersão magnética.
  • Toroidal: núcleo em anel. Compacto, baixa interferência. Mais caro.

Bobinas: cobre esmaltado, geralmente concêntricas (baixa tensão dentro, alta fora) ou alternadas.

Perdas

No ferro (núcleo):

  • Histerese: energia dissipada na inversão magnética.
  • Foucault: correntes parasitas nas chapas (mitigadas com chapas finas isoladas).
  • Constantes com a carga (existem sempre que ligado).

No cobre (bobinas):

  • I² × R: resistência das bobinas.
  • Variam com o quadrado da carga.

Rendimento típico:

  • Pequeno (< 1 kVA): 85-92%.
  • Médio (1-1000 kVA): 95-98%.
  • Grande (MVA): 99%+.

Aplicações

  • Adaptação de tensão: 230V → 12V/24V (campainhas, comando, fontes).
  • Isolamento galvânico: separa circuitos sem ligação eléctrica directa.
  • Adaptação de impedância: áudio, RF.
  • Medição (transformadores de corrente, TC; transformadores de tensão, TT).

Bloco 3 · Transformador trifásico

Construção

3 transformadores monofásicos num único núcleo com 3 colunas:

       Coluna A    Coluna B    Coluna C
          │           │           │
        Bob A1      Bob B1      Bob C1     (primário)
        Bob A2      Bob B2      Bob C2     (secundário)
          │           │           │
          └──────Cubas/comum──────┘

Vantagens vs 3 monofásicos:

  • Menor volume e peso.
  • Maior eficiência.
  • Custo menor.

Ligações trifásicas

Designação Yd11, Dy5, etc.:

  • Primeira letra (Y, D, Z): primário (estrela, triângulo, zig-zag).
  • Segunda letra: secundário.
  • Número: índice de desfasamento (× 30°).

Tipos comuns:

  • Yyn0: estrela-estrela com neutro à terra. Distribuição com neutro.
  • Dyn11: triângulo-estrela com neutro. Mais comum em distribuição (centrais → cidade).
  • Yd11: estrela-triângulo. Usado em centrais → linha de transporte.

Tensões standard

Tensão Aplicação
400/230 V Distribuição BT consumidor
15/30 kV Distribuição MT urbana
60/150 kV Sub-transmissão
220/400 kV Transporte longa distância
750 kV Muito longa distância (HVDC)

Bloco 4 · Tipos especiais

Auto-transformador

Uma única bobina com derivação:

    A ────┬───────┬────
          │       │
        N1    N2 (com derivação)
          │       │
    B ────┴───────┴────

Vantagens: menos cobre, menos perdas, mais barato (relação 1:1 a 1:3 típico).
Desvantagens: sem isolamento galvânico.
Aplicações: estabilizadores de tensão, arrancadores de motor (compensador).

Transformador de corrente (TC)

Mede correntes elevadas convertendo para escala pequena (5 A standard):

1000 A na rede → TC 1000/5 → 5 A na saída para amperímetro

Cuidados:

  • Nunca abrir o secundário com primário ligado (tensão induzida pode atingir kV → arco eléctrico).
  • Sempre curto-circuitar o secundário ao tirar/montar amperímetro.

Transformador de tensão (TT)

Mede tensões elevadas convertendo para 100 V standard:

15 kV → TT 15kV/100V → 100 V para voltímetro

Usado em quadros de média tensão, contadores fiscais.

Transformador de isolamento

Relação 1:1 sem alterar tensão; objectivo é separar galvânicamente primário e secundário.

Aplicações:

  • Hospitais (zona médica deve estar isolada da rede para evitar correntes de fuga em paciente).
  • Bancadas de laboratório.
  • Audio (eliminar loops de massa).

Transformador toroidal

Núcleo em anel; bobina enrolada à volta. Vantagens: pequeno, leve, baixa dispersão magnética (menos EMI).

Aplicações: equipamentos electrónicos sensíveis (áudio Hi-Fi, instrumentação médica).

Bloco 5 · Ensaios e manutenção

Ensaios principais

Ensaio em vazio:

  • Secundário aberto.
  • Mede perdas no ferro.
  • Tensão nominal aplicada ao primário.

Ensaio em curto-circuito:

  • Secundário curto-circuitado.
  • Tensão reduzida no primário (~5-10% nominal) para obter corrente nominal.
  • Mede perdas no cobre + impedância.

Estes 2 ensaios caracterizam o transformador completamente.

Manutenção (transformador seco BT)

  • Mensal: inspecção visual, ruído anormal (50 Hz normal, 100 Hz indica problema).
  • Trimestral: termografia em carga.
  • Anual:
    • Apertar bornes.
    • Limpar pó (pano seco).
    • Medir isolamento (megger 1000V): > 100 MΩ.
    • Medir continuidade dos enrolamentos.
  • 5 anos: revisão profunda (apertar laminação, vernizar enrolamentos se necessário).

Manutenção (transformador em óleo)

Mais complexa:

  • Análise periódica do óleo (cromatografia de gases dissolvidos — detecta arco interno, sobrecarga, deterioração).
  • Rigidez dieléctrica do óleo: > 30 kV (entre eléctrodos a 2,5 mm).
  • Substituição do óleo a cada 10-20 anos consoante análise.
  • Sílicagel no respirador (azul → cor-de-rosa = saturada, substituir).
  • Termómetros e protecções (Buchholz, sobrepressão) verificados anualmente.

Bloco 6 · Segurança

Riscos

Tensão: transformadores de potência têm tensões letais.

  • BT: 230-400 V CA.
  • MT: 6-30 kV.
  • AT: 60-400 kV.

Cuidados:

  • 5 regras de ouro sempre.
  • Despressurizar / desligar / bloquear / etiquetar.
  • Distância de segurança (1 m em BT, 5 m em MT).
  • Resgate: nunca tocar diretamente — usar bastão isolante.

EPI específico

  • Luvas isolantes com categoria de tensão (Classe 0 = 1kV, Classe 2 = 17 kV, etc.).
  • Calçado isolante.
  • Capacete dieléctrico.
  • Viseira face protecção contra arco.
  • Roupa anti-arco em zonas de MT.

UC02935 · resumo

  • Transformador = 2 bobinas em núcleo magnético = adapta tensão por relação N1/N2.
  • Monofásico ou trifásico (este último mais eficiente em potência).
  • Perdas no ferro (constantes) + cobre (com carga).
  • Tipos especiais: auto, TC, TT, isolamento, toroidal.
  • Manutenção: isolamento, óleo (se aplicável), termografia.
  • Segurança: 5 regras de ouro; EPI conforme tensão.

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Sem variação de fluxo não há transformador A lei de Faraday é o alicerce de tudo o que se segue, e a consequência mais importante para fixar é que o transformador só funciona em corrente alternada. Importa que os formandos compreendam o porquê: a corrente contínua produz um fluxo constante, que não induz tensão no secundário. Esta limitação explica por que se transporta energia em CA. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar a relação entre variação de fluxo e tensão induzida de forma intuitiva • Demonstrar por que ligar um transformador a CC apenas o aquece sem o fazer trabalhar • Ligar esta limitação à razão histórica do triunfo da corrente alternada

NOTAS DO PROFESSOR 📖 A relação de transformação liga espiras, tensões e correntes Esta é a equação central de todo o módulo e merece ser apropriada com calma: a razão de espiras fixa simultaneamente a relação de tensões e, de forma inversa, a de correntes. Importa que os formandos interiorizem que a potência se conserva, descontando perdas. Quem domina esta relação consegue prever o comportamento de qualquer transformador ideal. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que a corrente é inversa à tensão (conservação de potência) • Desenhar o trajecto do fluxo comum que liga as duas bobinas • Reforçar que a relação de espiras é o parâmetro de projecto fundamental

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Pôr números na relação de transformação Este exemplo numérico transforma a teoria em algo tangível: com 230 V e 24 V vê-se logo a relação de espiras e o contraste entre a corrente baixa do primário e a alta do secundário. Importa que os formandos resolvam o cálculo passo a passo, porque é o tipo de exercício que aparece em provas e na prática. A frase tensão sobe, corrente desce deve ficar como regra de ouro. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Resolver o cálculo em conjunto, ligando cada número à fórmula anterior • Realçar que o lado de baixa tensão tem mais corrente e cabos mais grossos • Propor uma variação de valores para a turma calcular autonomamente

NOTAS DO PROFESSOR 📖 A construção do núcleo serve a eficiência A escolha do tipo de núcleo e da disposição das bobinas não é arbitrária: visa reduzir perdas e dispersão magnética. Importa que os formandos percebam por que o núcleo é laminado em chapas isoladas, em vez de maciço, ligando isto às correntes de Foucault que verão a seguir. O toroidal, compacto e silencioso, prepara as aplicações especiais mais à frente. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que as chapas laminadas reduzem as correntes parasitas • Comparar core, shell e toroidal quanto a dispersão e custo • Relacionar a disposição concêntrica das bobinas com o isolamento entre tensões

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Perdas no ferro e no cobre comportam-se de forma diferente A distinção mais importante deste slide é que as perdas no ferro são constantes (existem sempre que o transformador está ligado) e as no cobre variam com o quadrado da carga. Importa que os formandos retenham esta diferença, porque é a base dos dois ensaios fundamentais que verão no fim. Compreender as perdas explica também por que transformadores maiores são proporcionalmente mais eficientes. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Separar claramente perdas no ferro (constantes) das no cobre (dependem da carga) • Explicar histerese e Foucault em linguagem simples • Antecipar a ligação destas perdas aos ensaios em vazio e em curto-circuito

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O transformador faz muito mais do que mudar a tensão Os formandos tendem a reduzir o transformador à adaptação de tensão, mas o isolamento galvânico, a adaptação de impedância e a medição são funções igualmente importantes. Importa destacar o isolamento galvânico, que separa circuitos sem ligação eléctrica directa, conceito que regressa nas aplicações especiais. Mostrar a variedade de usos torna o tema mais concreto e relevante. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar o isolamento galvânico e por que protege pessoas e equipamentos • Dar exemplos quotidianos de adaptação de tensão (campainhas, fontes de comando) • Introduzir TC e TT como aplicação de medição, detalhada mais à frente

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Três colunas num só núcleo O transformador trifásico industrial não são três transformadores soltos, mas três conjuntos de enrolamentos partilhando um núcleo de três colunas. Importa que os formandos percebam a vantagem desta integração: menos volume, menos peso e maior eficiência. Esta construção é a base do que alimenta praticamente toda a rede de distribuição. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que partilhar o núcleo poupa material e perdas • Relacionar as três colunas com as três fases da rede • Situar este transformador como o coração dos postos de transformação

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Ler a designação Dyn11 como uma frase A notação de ligações parece críptica, mas tem uma lógica simples: cada letra indica a ligação de um lado e o número o desfasamento. Importa que os formandos aprendam a decompor designações como Dyn11, a mais comum na distribuição. Saber ler estas siglas é essencial para ligar correctamente transformadores em paralelo ou substituir um existente. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Decompor Dyn11 letra a letra com a turma • Explicar o significado do índice horário (× 30°) e por que importa no paralelo • Relacionar cada ligação típica com o seu lugar na cadeia central, transporte, distribuição

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Os níveis de tensão contam a viagem da energia Esta tabela permite aos formandos ver o percurso da electricidade, da central até à tomada, como uma escada de tensões. Importa que percebam por que se eleva a tensão para transportar (menos perdas) e se baixa para consumir (segurança). Reconhecer os níveis 400/230 V, 15/30 kV e superiores ajuda a situar qualquer transformador no sistema eléctrico. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que se transporta em alta tensão e se consome em baixa • Percorrer a tabela como a viagem da energia da central ao consumidor • Associar cada nível a equipamento concreto que os formandos possam reconhecer

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O auto-transformador poupa cobre mas não isola Com uma única bobina com derivação, o auto-transformador é mais leve e barato, mas perde a separação galvânica entre os dois lados. Importa que os formandos percebam este compromisso: ganha-se eficiência, perde-se segurança de isolamento. Por isso não se usa onde o isolamento é crítico, mas é ideal em estabilizadores e arrancadores compensadores. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que partilhar a bobina reduz cobre e perdas • Sublinhar a ausência de isolamento galvânico como limitação de segurança • Dar exemplos onde o auto-transformador é a escolha certa

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O TC mede correntes enormes em segurança, mas exige cuidado O transformador de corrente permite medir milhares de ampères convertendo-os para uma escala segura de 5 A. Importa que os formandos memorizem a regra de ouro: nunca abrir o secundário com o primário ligado, sob pena de tensões perigosas e arco eléctrico. Este é um ponto de segurança que pode evitar acidentes graves no terreno. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que abrir o secundário gera tensões da ordem dos kV • Demonstrar o gesto de curto-circuitar o secundário antes de retirar o amperímetro • Relacionar o TC com os contadores e medições em quadros de média tensão

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O TT traz a alta tensão para uma escala mensurável Assim como o TC faz com a corrente, o transformador de tensão reduz tensões elevadas para um valor padrão de 100 V, seguro para instrumentos. Importa que os formandos vejam o TC e o TT como o par que torna possível medir e proteger redes de média tensão. A referência aos contadores fiscais mostra a relevância económica destes equipamentos. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Estabelecer o paralelo entre TT (tensão) e TC (corrente) • Explicar por que se padroniza em 100 V à entrada dos instrumentos • Relacionar o TT com a medição e protecção em quadros de média tensão

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Isolar sem mudar a tensão O transformador de isolamento mantém a relação 1:1, ou seja, não altera a tensão; o seu único objectivo é separar galvanicamente os dois circuitos. Importa que os formandos compreendam o caso médico, onde isolar a zona do paciente da rede evita correntes de fuga perigosas. Este conceito reforça o isolamento galvânico já introduzido nas aplicações gerais. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que a relação 1:1 não muda a tensão mas ainda assim é útil • Detalhar o caso hospitalar e o risco de correntes de fuga no paciente • Relacionar com a eliminação de loops de massa em áudio

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O toroidal: compacto e silencioso O núcleo em anel reduz a dispersão magnética, o que se traduz em menos interferência e menos zumbido, vantagens decisivas em electrónica sensível. Importa que os formandos associem o toroidal a aplicações onde o ruído eléctrico e magnético é indesejável, como áudio e instrumentação médica. O custo mais elevado justifica-se por esse desempenho. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que a forma toroidal reduz a dispersão e a EMI • Relacionar o baixo zumbido com aplicações de áudio Hi-Fi • Justificar o seu uso em instrumentação médica e equipamento sensível

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Dois ensaios que revelam tudo Os ensaios em vazio e em curto-circuito são geniais na sua simplicidade: o primeiro mede as perdas no ferro, o segundo as perdas no cobre e a impedância. Importa que os formandos liguem cada ensaio às perdas que aprenderam antes, fechando o raciocínio do módulo. Saber que estes dois ensaios bastam para caracterizar o transformador é uma ideia poderosa. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar por que o ensaio em vazio isola as perdas no ferro • Explicar por que se aplica tensão reduzida no ensaio em curto-circuito • Ligar cada ensaio às perdas constantes e variáveis vistas no Bloco 2

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O transformador seco pede uma manutenção acessível O transformador seco de baixa tensão é o que os formandos mais provavelmente vão manter, e a sua manutenção é relativamente simples: inspecção, termografia, apertos e medição de isolamento. Importa destacar o sinal sonoro: 50 Hz é normal, mas 100 Hz indica problema. O megger acima de 100 MΩ é o critério de aceitação do isolamento. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Treinar a distinção auditiva entre o zumbido normal e um som anómalo • Relacionar a termografia com a deteção de bornes ou enrolamentos quentes • Explicar o valor de referência do megger e o que indica uma queda

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O óleo é isolante, refrigerante e indicador de saúde No transformador em óleo, o líquido faz dupla função (isolar e arrefecer) e a sua análise revela problemas internos antes de se tornarem avarias. Importa que os formandos compreendam a cromatografia de gases dissolvidos como um exame de sangue ao transformador. A sílicagel e o relé Buchholz são detalhes práticos que denunciam humidade e gases. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar como a análise de gases no óleo deteta arco interno ou sobrecarga • Relacionar a cor da sílicagel (azul para rosa) com a saturação por humidade • Descrever a função do relé Buchholz como protecção precoce

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Os transformadores trabalham com tensões letais Este slide deve ser tratado com a seriedade que o tema exige: as tensões envolvidas, sobretudo em média e alta tensão, são potencialmente mortais. Importa que os formandos interiorizem as cinco regras de ouro e as distâncias de segurança como rotina inegociável. A regra de nunca tocar diretamente numa vítima, usando bastão isolante, pode salvar duas vidas em vez de tirar uma. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Rever as cinco regras de ouro aplicadas a um transformador • Insistir nas distâncias de segurança conforme o nível de tensão • Explicar por que tocar numa vítima sob tensão põe o socorrista em perigo

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O EPI deve corresponder à tensão de trabalho Não basta usar luvas: têm de ser luvas isolantes da classe certa para a tensão presente. Importa que os formandos associem cada classe de EPI ao nível de tensão e percebam que equipamento subdimensionado dá falsa sensação de segurança. A roupa anti-arco em média tensão protege contra o flash de arco, um risco muitas vezes subestimado. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar a correspondência entre classe das luvas e tensão (Classe 0, Classe 2) • Alertar para o perigo de usar EPI com classe inferior à tensão real • Descrever o risco de arco elétrico e o papel da viseira e da roupa anti-arco