Transformador trifásico e instruções de conexão

O transformador trifásico é amplamente utilizado para gerar e transmitir eletricidade por longas distâncias, atendendo principalmente às necessidades industriais e comerciais. Para ajustar os níveis de tensão nesses sistemas, são empregados transformadores trifásicos, pois permitem diversas configurações de enrolamentos para aumentar ou reduzir as tensões.

Anteriormente, examinamos a construção e o funcionamento dos transformadores monofásicos de dois enrolamentos, que também podem modificar os níveis de tensão secundária em relação à tensão de alimentação primária.

No entanto, os transformadores não se limitam a aplicações monofásicas. Eles podem ser projetados para sistemas bifásicos, trifásicos, hexafásicos ou até mesmo mais complexos, chegando a 24 fases em cenários especializados de retificação de corrente contínua de alta potência.

Ao interconectar os enrolamentos primários de três transformadores monofásicos e fazer o mesmo com seus enrolamentos secundários em um arranjo específico, essa configuração torna-se adequada para uso com uma fonte de alimentação trifásica.

As fontes de alimentação trifásicas — indicadas como 3-fásicas ou 3φ — são essenciais para a geração, transmissão e distribuição de energia, bem como para aplicações industriais. Elas oferecem vantagens significativas em relação aos sistemas monofásicos em termos de eficiência e desempenho elétrico.

No entanto, ao trabalhar com transformadores trifásicos, é importante levar em conta as três tensões e correntes alternadas que apresentam um desfasamento de 120 graus entre si.

Transformador trifásico: Tensões e correntes trifásicas

Em um sistema elétrico trifásico, a tensão entre fases (VL) representa a tensão entre quaisquer duas linhas, enquanto a tensão fase-neutro (VP) é a tensão medida entre uma fase e o ponto neutro. A relação entre essas tensões em uma conexão em estrela (wye) é dada por VL=√(3)×VP.

Um transformador não pode converter uma alimentação monofásica em trifásica, nem vice-versa. Para tornar os transformadores compatíveis com sistemas trifásicos, seus enrolamentos devem ser conectados em configurações específicas, de modo a formar um arranjo trifásico de transformador.

Construção de transformadores trifásicos
Um transformador trifásico pode ser construído de duas maneiras:

1. Combinando três transformadores monofásicos para formar um “banco de transformadores trifásicos”.”
2. Utilizando um único transformador trifásico pré-montado, com três pares de enrolamentos montados em um único núcleo laminado.

O projeto de unidade única oferece vantagens como tamanho, peso e custo reduzidos, além de maior eficiência para a mesma potência nominal em kVA, em comparação com o uso de três transformadores separados. No entanto, o uso de transformadores individuais proporciona flexibilidade e confiabilidade, já que uma unidade pode ser substituída sem afetar todo o sistema.

Configurações de enrolamento
Os enrolamentos de transformadores trifásicos podem ser conectados em várias configurações para atender a diferentes requisitos elétricos:

• Star (Wye): Uma das extremidades de cada enrolamento é conectada para formar um ponto neutro.
• Delta (Malha): Os enrolamentos são conectados de ponta a ponta, formando um circuito fechado.
• Estrela Interconectada (Ziguezague): Uma variação da conexão em estrela para aplicações específicas.

Os enrolamentos primário e secundário podem ser dispostos em combinações como estrela-estrela, triângulo-triângulo, estrela-triângulo ou triângulo-estrela. Cada configuração tem seus casos de uso específicos:

• Delta-Star (Δ-Y): Comumente utilizado em transformadores elevadores no início das linhas de transmissão.
• Estrela-Triângulo (Y-Δ): Utilizado em transformadores redutores em subestações.
• Estrela-Estrela (Y-Y): Adequado para aplicações de alta tensão com cargas balanceadas.
• Delta-Delta (Δ-Δ): Ideal para sistemas de baixa tensão e cargas desequilibradas.

Quando os transformadores fornecem três ou mais fases, são chamados de transformadores polifásicos. Essas configurações permitem flexibilidade nos níveis de tensão e garantem a compatibilidade com diferentes sistemas elétricos.

Configurações em estrela e em triângulo de transformadores trifásicos

Em sistemas de transformadores trifásicos, os termos “estrela” (ou wye) e “triângulo” (ou mesh) referem-se a formas específicas de interligar os enrolamentos do transformador. Essas configurações influenciam os níveis de tensão, o fluxo de corrente e o aterramento do sistema.

Conexão Star (Wye)

• Na conexão em estrela, uma extremidade de cada enrolamento é conectada a um ponto neutro comum, formando um “Y”. As outras extremidades dos enrolamentos são conectadas às linhas trifásicas.
• Essa configuração fornece tensões tanto entre fases quanto entre fase e neutro, o que a torna versátil para sistemas que exigem vários níveis de tensão. O ponto neutro também pode ser aterrado para garantir segurança e estabilidade.
• Nas conexões em estrela, a tensão de linha (VL) é 33 vezes a tensão de fase (VP), enquanto a corrente de linha é igual à corrente de fase.

Conexão Delta (em malha)

• Em uma conexão em triângulo, os enrolamentos são conectados em série, formando um circuito fechado e, assim, um triângulo. Cada vértice do triângulo se conecta a uma das linhas trifásicas.
• As conexões em delta não possuem ponto neutro, mas são confiáveis, pois podem continuar funcionando mesmo que um dos enrolamentos falhe. Isso é particularmente útil para cargas desequilibradas ou aplicações industriais.
• Nas conexões em triângulo, a tensão de linha é igual à tensão de fase, enquanto a corrente de linha é 33 vezes maior que a corrente de fase.

Marcação e etiquetagem

• Os enrolamentos primários são identificados com letras maiúsculas (A, B, C), correspondentes às fases (por exemplo, vermelho, amarelo, azul). Os enrolamentos secundários são identificados com letras minúsculas (a, b, c).
• Cada enrolamento possui dois terminais identificados numericamente (por exemplo, A1 e A2 para os enrolamentos primários; a1 e a2 para os enrolamentos secundários).

Fluxo magnético e sincronização de fase

• Quando três transformadores monofásicos são conectados em um sistema trifásico, seus fluxos magnéticos apresentam um desfasamento de 120 graus elétricos. Isso garante um funcionamento equilibrado e uma transferência eficiente de energia.
• O correto alinhamento de fases é fundamental ao interligar enrolamentos, a fim de evitar incompatibilidades de tensão ou corrente.

Combinações de conexões

Os enrolamentos primário e secundário podem ser configurados em várias combinações:

• Delta-Delta (Δ-Δ): Adequado para sistemas de baixa tensão com cargas desequilibradas.
• Star-Star (Y-Y): Comum em sistemas de alta tensão com cargas balanceadas.
• Delta-Star (Δ-Y): Utilizado em transformadores elevadores nas origens das linhas de transmissão.
• Estrela-Triângulo (Y-Δ): Normalmente utilizado em transformadores redutores em subestações.

Essas configurações permitem que o transformador trifásico se adapte a diversas necessidades elétricas, garantindo, ao mesmo tempo, uma distribuição eficiente de energia.

Configurações em estrela e em triângulo do transformador

Em um transformador trifásico, são utilizados símbolos específicos para indicar os tipos de conexões empregadas tanto nos enrolamentos primários quanto nos secundários.

Símbolos de conexão

• Letras maiúsculas:
  • Y: Representa uma conexão em estrela (wye) para os enrolamentos primários.
  • D: Indica uma conexão em delta para os enrolamentos primários.
  • Z: Indica conexões em estrela interligadas para os enrolamentos primários.
• Letras minúsculas:
  • y: Representa uma conexão em estrela (wye) para os enrolamentos secundários.
  • d: Indica uma conexão em delta para os enrolamentos secundários.
  • z: Indica conexões em estrela interligadas para os enrolamentos secundários.

Exemplos de rotulagem

• A Star-Star (Yy) o transformador conectado seria identificado como Yy, indicando que tanto o enrolamento primário quanto o secundário estão em configuração em estrela.
• A Delta-Delta (Dd) o transformador conectado seria identificado como Dd, o que significa que tanto o enrolamento primário quanto o secundário estão configurados em triângulo.
• Um De estrela interconectada a estrela interconectada (Zz) o transformador seria identificado como Zz, indicando que ambos os conjuntos de enrolamentos estão interligados em estrela.

Esses símbolos oferecem uma maneira clara e concisa de identificar a configuração dos transformadores trifásicos, facilitando a comunicação e a compreensão entre engenheiros e técnicos na área.

Identificação dos enrolamentos de um transformador trifásico

As quatro configurações padrão para conectar três transformadores trifásicos em um sistema trifásico são:

Delta-Delta (Dd)

• Tanto o enrolamento primário quanto o secundário estão conectados em configuração delta.
• Vantagens:
  • Pode operar com 2/3 da capacidade caso um transformador pare de funcionar.
  • Adequado para o manuseio de cargas desequilibradas.
• Frequentemente utilizado em aplicações industriais e em sistemas de distribuição de baixa tensão.

Star-Star (Yy)

• Tanto o enrolamento primário quanto o secundário estão conectados em configuração em estrela (wye).
• Vantagens:
  • Oferece acesso às tensões tanto entre fases quanto entre fase e neutro.
  • Adequado para aplicações de alta tensão.
• Comumente utilizado em sistemas de transmissão de energia.

Estrela-Triângulo (Yd)

• Os enrolamentos primários estão na configuração em estrela, e os secundários, em triângulo.
• Vantagens:
  • Reduz a tensão nos enrolamentos primários.
  • Elimina as correntes de harmônica de terceira ordem no secundário.
• Frequentemente utilizado em transformadores redutores em sistemas de distribuição.

Delta-Star (Dy)

• Os enrolamentos primários estão na configuração em triângulo, e os secundários, em estrela.
• Vantagens:
  • Fornece um ponto neutro no lado secundário.
  • Suprime as correntes harmônicas no circuito primário.
• Comumente utilizado em transformadores elevadores em usinas de geração de energia.

Considerações importantes

Benefícios da configuração em estrela:

• Reduz a sobrecarga de tensão nos transformadores individuais.
• Requer menos voltas e condutores menores.
• É mais fácil e mais econômico fazer o isolamento.
• Particularmente vantajoso para operações de alta tensão.

Vantagem da configuração em delta:

• Em uma configuração delta-delta, se um transformador falhar, os dois restantes podem continuar a fornecer energia trifásica a aproximadamente 2/3 da capacidade original.

Essas configurações oferecem flexibilidade no projeto de sistemas de energia, permitindo que os engenheiros escolham a disposição mais adequada com base nos níveis de tensão, nas características da carga e nos requisitos do sistema.

Transformador trifásico: conexões em delta e em delta

Configuração Delta-Delta (Dd)

Em um grupo de transformadores conectados em delta:

• Tensão de rede (VL) é igual à tensão de alimentação (VS):VL=VS
• Corrente em cada enrolamento de fase: Iphase=31×IL, onde IL é a corrente na linha

Desvantagens do Delta Connection:

1. Cada transformador deve ser enrolado para a tensão total da rede
2. Requer 57,71 TP3T da capacidade de corrente da linha
3. Bobinas maiores e mais caras devido ao maior número de espiras e ao isolamento
4. Não há conexão neutra ou comum disponível

Configuração Star-Star (Yy)

Em uma disposição em estrela:

• Cada transformador possui um terminal conectado a um ponto neutro comum
• As outras extremidades dos enrolamentos primários se conectam à alimentação trifásica
• O número de voltas nos enrolamentos conectados em estrela é de 57,71 TP3T do valor necessário para a conexão em triângulo

Características da Conexão Estelar:

1. Requer três transformadores
2. Se um transformador falhar, todo o grupo pode ficar inoperante
3. Econômico para sistemas de distribuição de energia
4. Permite a utilização de um quarto fio como ponto neutro no circuito secundário

Vantagem da conexão em estrela:

• Permite o uso de um fio neutro, o que é vantajoso em muitos cenários de distribuição de energia

Comparação

A escolha entre as configurações em delta e em estrela depende dos requisitos específicos do sistema, dos níveis de tensão e das características da carga. Cada uma delas apresenta vantagens em diferentes cenários, tornando-as adequadas para diversas aplicações em sistemas de energia.

Conexões entre estrelas e transformadores

A tensão entre qualquer linha do transformador trifásico é chamada de “tensão de linha”, V_L, enquanto a tensão entre qualquer fase e o ponto neutro de um transformador conectado em estrela é chamada de “tensão de fase”, V_P.

A tensão de fase entre o ponto neutro e qualquer uma das conexões da linha é igual a 1/√3 × V_L da tensão de linha. Em seguida, a partir de cima, a tensão de fase do lado primário, V_P é dado como.

A corrente secundária em cada fase de um grupo de transformadores conectados em estrela é igual à corrente de linha da rede de alimentação; então, I_L = I_S.

Assim, a relação entre as tensões e correntes de linha e de fase em um sistema trifásico pode ser resumida da seguinte forma:

Em sistemas de transformadores trifásicos, VL representa a tensão entre fases, enquanto VP denota a tensão fase-neutro no lado primário ou no lado secundário.

Conexões adicionais de transformadores trifásicos

1. Estrela-Triângulo (Yd):
   • Enrolamento primário: conexão em estrela
   • Enrolamento secundário: conectado em triângulo
2. Delta-Star (Dy):
   • Enrolamento primário: conectado em triângulo
   • Enrolamento secundário: conexão em estrela

Os transformadores delta-estrela (Dy) são comumente utilizados em sistemas de distribuição de baixa potência. Eles oferecem duas vantagens principais:

• Os enrolamentos primários fornecem uma carga trifásica equilibrada à concessionária de energia elétrica
• Os enrolamentos secundários fornecem a conexão necessária do neutro de quarto fio ou do aterramento

Complexidade da relação de transformação

A relação de espiras total torna-se mais complexa quando os enrolamentos primário e secundário apresentam tipos de conexão diferentes (estrela ou triângulo). Para configurações triângulo-triângulo (Dd) ou estrela-estrela (Yy), é possível uma relação de espiras de 1:1, o que significa que as tensões dos enrolamentos de entrada e saída são iguais.

Análise da configuração estrela-triângulo (Y-Δ)

Em uma conexão estrela-triângulo (Yd):

1. Cada enrolamento primário conectado em estrela recebe a tensão de fase (VP) do fornecimento:
   VP=31×VL
2. A mesma tensão é induzida em cada enrolamento secundário correspondente.
3. Como os enrolamentos secundários estão conectados em triângulo, 31×VL torna-se a tensão da linha secundária.
4. Com uma relação de espiras de 1:1, essa configuração proporciona uma relação de redução da tensão de linha de 3:13:1.

Essa característica única dos transformadores estrela-triângulo permite a transformação de tensão sem alterar o número de espiras, tornando-os valiosos em aplicações específicas de distribuição de energia.

Para um transformador conectado em estrela-triângulo (Yd), a relação de transformação passa a ser:

Da mesma forma, para um transformador conectado em triângulo-estrela (Dy), com uma relação de espiras de 1:1, o transformador fornecerá uma relação de elevação da tensão de linha de 1:√3. Assim, para um transformador conectado em triângulo-estrela, a relação de espiras passa a ser:

A seguir, apresentamos uma tabela que lista as tensões e correntes secundárias para as quatro configurações básicas de transformadores trifásicos, em função da tensão primária da linha (VLVL) e a corrente da linha primária (IL):

Onde:

• nn é a relação de transformação do transformador (número de espiras do secundário dividido pelo número de espiras do primário)
• VLVL é a tensão da rede elétrica
• ILIL é a corrente da linha principal

Esta tabela resume como as diferentes configurações afetam as relações de tensão e corrente entre os lados primário e secundário dos transformadores trifásicos.

Onde: n é igual à “relação de transformação” (T.R.) dos transformadores, que corresponde ao número de espiras do enrolamento secundário N_S, dividido pelo número de enrolamentos primários N_P. ( N_S/N_P ) e V_L é a tensão entre fases com V_P sendo a tensão entre fase e neutro.

Exemplo de transformador trifásico

Para um transformador com ligação em triângulo-estrela (Dy) com as especificações indicadas, podemos calcular as tensões e correntes do lado secundário da seguinte forma:

Proporção de voltas

A relação de transformação (n) é calculada da seguinte forma:

n = Voltas do enrolamento secundário / Voltas do enrolamento primário
n = 100 / 500 = 0,2

Tensão da linha secundária

Para um transformador em triângulo-estrela, a tensão da linha secundária é dada por:

Tensão da linha secundária = √3 × n × tensão da linha primária
Tensão da linha secundária = √3 × 0,2 × 100 V
Tensão da linha secundária ≈ 34,64 V

Corrente da linha secundária

A corrente na linha secundária pode ser calculada utilizando os parâmetros nominais do transformador:

Corrente da linha secundária = Capacidade nominal do transformador / Tensão da linha secundária
Corrente da linha secundária = 50 VA / 34,64 V
Corrente da linha secundária ≈ 1,44 A

Tensão da fase secundária

Em um circuito secundário conectado em estrela, a tensão de fase é:

Tensão da fase secundária = Tensão da linha secundária / √3
Tensão do lado secundário ≈ 34,64 V / √3 ≈ 20 V

Corrente da fase secundária

Em um circuito secundário conectado em estrela, a corrente de fase é igual à corrente de linha:

Corrente na fase secundária ≈ 1,44 A

Portanto, para este transformador de 50 VA com conexão delta-estrela (Dy):

• Tensão da linha secundária: 34,64 V
• Corrente da linha secundária: 1,44 A
• Tensão da fase secundária: 20 V
• Corrente na fase secundária: 1,44 A

Então, o lado secundário do transformador fornece uma tensão de linha, V_LINE de cerca de 35 V, resultando em uma tensão de fase secundária, V_FASE de 20 V a 0,834 amperes.

Construção de transformadores trifásicos

Os transformadores trifásicos, de fato, combinam três transformadores monofásicos em uma única unidade, oferecendo vantagens significativas em termos de custo, tamanho e peso. Essa abordagem de projeto resulta em um equipamento mais compacto e eficiente tipos de transformadores. Vamos explorar os principais aspectos da construção de transformadores trifásicos:

Construção do núcleo

1. Transformador do tipo núcleo
   • Três circuitos magnéticos estão entrelaçados em um único núcleo de ferro laminado.
   • Esse projeto garante a distribuição uniforme do fluxo dielétrico entre os enrolamentos de alta e baixa tensão.
   • Proporciona melhor acoplamento magnético e menor fluxo de fuga.
2. Transformador do tipo concha
   • Uma exceção ao padrão entrelaçado.
   • Três núcleos são posicionados juntos, mas permanecem não entrelaçados.
   • Frequentemente utilizado em aplicações de alta potência devido à sua resistência mecânica.

Vantagens do projeto combinado

• Redução de custos: São necessários menos materiais em comparação com três transformadores separados.
• Redução de tamanho: O design compacto ocupa menos espaço em subestações ou ambientes industriais.
• Perda de peso: Peso total mais leve, o que facilita o transporte e a instalação.
• Maior eficiência: Uma melhor utilização do material do núcleo leva à redução das perdas no núcleo.
• Operação equilibrada: Garante um funcionamento mais simétrico em sistemas trifásicos.

Distribuição do fluxo

• Nos transformadores do tipo núcleo, o projeto entrelaçado promove uma distribuição uniforme do fluxo.
• Essa distribuição uniforme minimiza os desequilíbrios magnéticos e reduz os harmônicos.

Arranjo de enrolamento

• Os enrolamentos são normalmente dispostos concentricamente ao redor dos ramos do núcleo.
• Os enrolamentos de alta e baixa tensão são posicionados de forma a otimizar o isolamento e o resfriamento.

A integração de três transformadores monofásicos em uma única unidade trifásica representa um avanço significativo no projeto de transformadores, oferecendo uma solução mais eficiente e econômica para sistemas de energia trifásicos.

Transformador trifásico do tipo núcleo

O projeto do tipo núcleo de três ramificações é o método mais comum para a construção de transformadores trifásicos. Esse projeto oferece várias vantagens:

• Interligação magnética: As fases estão interligadas magneticamente, o que permite uma distribuição eficiente do fluxo.
• Caminho do fluxo: O fluxo magnético de cada ramo utiliza os outros dois ramos como caminho de retorno, criando um circuito magnético fechado.
• Deslocamento de fase: Os fluxos magnéticos no núcleo, gerados pelas tensões de linha, apresentam um desfasamento de 120° no tempo.
• Saída sinusoidal: Esse deslocamento de fase resulta em um fluxo quase sinusoidal no núcleo, induzindo uma tensão secundária sinusoidal.

Transformador do tipo concha com cinco braços

Embora seja menos comum, o projeto do transformador do tipo concha com cinco braços tem aplicações específicas:

• Construção: Geralmente são mais pesados e mais caros de construir do que os do tipo com núcleo.
• Aplicativo: Comumente utilizado em transformadores de potência de grande porte.
• Vantagem: Pode ser construído com altura reduzida, o que é vantajoso em certas instalações.
• Semelhanças: Os materiais do núcleo, os enrolamentos elétricos, o invólucro de aço e os sistemas de resfriamento são semelhantes aos dos grandes transformadores monofásicos.

Comparação

A escolha entre projetos do tipo núcleo e do tipo invólucro depende dos requisitos específicos da aplicação, incluindo potência nominal, restrições de instalação e fatores econômicos.