Histerese, correntes parasitas e perdas de cobre em transformadores
Luciano Bertene
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Os transformadores são dispositivos importantes na engenharia elétrica porque permitem a transferência eficiente de energia entre diferentes níveis de tensão. Porém, como qualquer componente elétrico, eles não estão imunes a perdas que podem afetar seu desempenho. Três perdas principais em transformadores são histerese, correntes parasitas e perdas de cobre. Essas perdas contribuem para a ineficiência do transformador, levando a uma compreensão mais profunda de suas causas e efeitos. Nesta discussão, examinamos em profundidade os conceitos de histerese, correntes parasitas e perdas no cobre, examinando como eles afetam a operação dos transformadores e quais estratégias são usadas para mitigá-los.
Fluxo magnético e permeabilidade em transformadores
A capacidade do ferro ou do aço de reter o fluxo magnético é muito maior do que a do ar, e essa capacidade de permitir o fluxo do fluxo magnético é chamada de porosidade. A maioria dos núcleos dos enrolamentos dos transformadores são feitos de aços de baixo carbono que podem ter uma permeabilidade de 1.500, em comparação com apenas 1,0 para o ar.
Isto significa que um núcleo de aço laminado transmite um fluxo magnético 1.500 vezes mais forte que o ar. Contudo, uma vez que um fluxo magnético flui no núcleo de aço de um transformador, ocorrem dois tipos de perdas no aço. Uma delas é chamada de “perdas por correntes parasitas” e a outra é chamada de “perdas por histerese”.
Métodos de resfriamento de transformadores
Os métodos de resfriamento de transformadores desempenham um papel crucial na manutenção da temperatura operacional ideal dos transformadores elétricos e na garantia de seu desempenho eficiente e confiável. Os transformadores são componentes importantes dos sistemas de potência e são responsáveis pela regulação e distribuição de tensão. No entanto, os transformadores geram calor significativo durante a operação, que se não for gerenciado de forma eficaz pode levar a diversos problemas operacionais e até falhas catastróficas. Vários métodos de resfriamento foram desenvolvidos para mitigar esses riscos, dissipar o calor dos transformadores e manter sua temperatura dentro de limites aceitáveis. Esses métodos incluem técnicas tradicionais, como ar e óleo, bem como abordagens inovadoras, como resfriamento líquido e resfriamento por ar forçado. Ao utilizar estes métodos de arrefecimento, os engenheiros podem prolongar a vida útil dos transformadores, melhorar a eficiência energética e garantir o bom funcionamento da infraestrutura energética crítica.
Perdas por histerese
As perdas por histerese surgem do atrito das moléculas contra o fluxo das linhas magnéticas de força necessárias para magnetizar o núcleo, cujo valor e direção são constantemente dinâmicos. 1m, em uma ordem e depois na ordem inversa devido à influência da tensão senoidal.
Essa escovação molecular gera calor, o que representa uma perda de energia para o transformador. A perda de calor resultante reduz significativamente a vida útil dos materiais isolantes com os quais os enrolamentos e estruturas são feitos. Portanto, resfriar um transformador é crucial.
Além disso, os transformadores operam intencionalmente em uma frequência especificamente definida. A redução da frequência de alimentação pode levar ao aumento da histerese e à temperatura mais elevada no núcleo de ferro. Portanto, reduzir a produção de 60 Hz para 50 Hz pode aumentar a histerese existente e reduzir a capacidade VA do transformador.
As perdas por histerese em um transformador são referidas como:
bH=KHf(BM)1.6 watt
Onde KH= constante de histerese
Projeto e construção de um transformador
O projeto e a construção de transformadores são fundamentais para sua operação eficiente e confiável. Os transformadores transferem energia elétrica entre diferentes níveis de tensão e requerem uma consideração cuidadosa de fatores como classificações de potência, sistemas de isolamento, métodos de resfriamento e resistência mecânica. O núcleo é feito de materiais magnéticos de baixa perda, enquanto os enrolamentos são feitos de condutores isolados. Os sistemas de isolamento evitam quebras e fornecem rigidez dielétrica. Os sistemas de resfriamento dissipam o calor por meio de métodos imersos em ar, óleo ou líquido. A energia mecânica é essencial para transporte, instalação e operação. Levando essas considerações em consideração, os projetistas podem desenvolver transformadores que distribuam energia elétrica de forma eficiente e segura em diversas aplicações.
Perdas por correntes parasitas
As perdas por correntes parasitas, por outro lado, são causadas pelo fluxo de correntes que surgem da deriva do fluxo magnético ao redor do núcleo para o aço. Essas correntes são criadas pela mudança magnética que o corpo realiza, um único laço de fio. Como o núcleo de ferro poderia ser um condutor inteligente, as correntes parasitas criadas por um núcleo de ferro fundido seriam enormes.
As correntes parasitas não contribuem em nada para a qualidade do transformador. Em vez disso, eles neutralizam o fluxo da corrente gerada agindo como uma força negativa, causando aquecimento resistivo e perda de energia no núcleo.
As perdas por correntes parasitas no núcleo do transformador não podem ser eliminadas; no entanto, eles podem ser significativamente reduzidos e controlados reduzindo a espessura do núcleo de aço. Em vez de ter um núcleo sólido de ferro fundido devido ao material do núcleo do enrolamento, o caminho magnético é dividido em vários formatos finos de aço ferroso chamados “laminações”.
Laminação do núcleo
As laminações utilizadas na construção do transformador são tiras finas de metal isolado unidas para formar um corpo sólido, porém laminado, como normalmente vemos de cima. Essas laminações são protegidas umas das outras por uma camada de esmalte ou papel para aumentar a resistência real do núcleo e, assim, aumentar a resistência geral ao movimento das correntes parasitas.
O resultado desse isolamento é que a incômoda perda de energia causada por correntes parasitas no núcleo é bastante reduzida, de modo que os circuitos de ferro magnético de cada transformador e de várias máquinas eletromagnéticas são todos laminados. A utilização de laminações em um projeto de transformador superior minimiza as perdas por correntes parasitas.
As perdas de energia causadas por histerese e correntes parasitas no caminho magnético são comumente chamadas de “perdas no núcleo do transformador”. Uma vez que essas perdas ocorrem em todos os materiais magnéticos devido às mudanças nos campos magnéticos. As perdas no núcleo do transformador ocorrem em um transformador sempre que a energia é fornecida a ele, mesmo que nenhuma carga esteja conectada à bobina. Essa histerese e perdas por correntes parasitas são frequentemente chamadas de “perdas de ferro do transformador” porque o fluxo resultante que causa essas perdas é constante, independentemente da carga.
As perdas por correntes parasitas em um transformador são referidas como:
bt=KtF2K2Fb2m watts
Onde,
Kt = Constante de corrente parasita
KF = constante de forma
Material isolante para máquinas elétricas
Os materiais isolantes são componentes essenciais em máquinas elétricas, pois fornecem isolamento elétrico e proteção contra altas tensões. Eles estão disponíveis em diversas formas, incluindo resinas termofixas e polímeros termoplásticos, selecionados dependendo dos requisitos de temperatura, tensão e resistência mecânica. Esses materiais são frequentemente combinados com cargas e aditivos para melhorar a resistência mecânica, a condutividade térmica, a resistência à chama e a resistência à umidade. Materiais especiais, como cerâmica ou compósitos, são usados em aplicações de alta tensão devido à sua rigidez dielétrica superior. Os materiais isolantes passam por testes rigorosos para garantir a conformidade com os padrões da indústria. Ao selecionar o material isolante apropriado, os engenheiros garantem que as máquinas elétricas funcionem de forma confiável e segura sob diferentes condições de operação.
Perdas de cobre
Mas há também outro tipo de perda de energia associada aos transformadores, chamada “perdas de cobre”. As perdas de cobre nos transformadores surgem principalmente dos enrolamentos frontal e secundário do transformador. A maioria dos enrolamentos dos transformadores são feitos de fios de cobre com resistência em ohms (Ω). Essas resistências competem com as correntes magnetizantes que fluem de uma extremidade à outra.
Quando uma carga é conectada à bobina do transformador, correntes elétricas massivas fluem nos enrolamentos primeiro e secundário, e corrente, t e potência (ou o I2R) As perdas ocorrem na forma de calor. Normalmente, as perdas no cobre variam com a corrente de carga, sendo próximas de zero em vazio e no máximo em plena carga, quando o fluxo de corrente é mais alto.
A classificação VA de um transformador é melhorada através de um melhor design e construção do transformador para reduzir essas perdas no núcleo e no cobre. Transformadores com classificações de alta tensão e corrente requerem condutores de seção transversal de grande diâmetro para minimizar suas perdas de cobre. A classificação VA de um transformador pode ser aumentada aumentando a taxa de dissipação de calor (melhor resfriamento) usando ar comprimido ou óleo, ou melhorando o isolamento do transformador para que ele possa suportar temperaturas mais altas.
As perdas de cobre em um transformador são referidas como:
I2LR'2 + perda de dispersão
Onde,
EUM = carga do transformador
R'2 = Resistência no lado secundário do transformador
Então veremos também que o transformador possui:
Não há perdas por histerese causadas pelo transformador de histerese.
Resistência específica ilimitada do material do núcleo, para que não ocorram perdas por correntes parasitas.
A resistência zero do enrolamento mostra zero I2R perdas de cobre.
