Tipos de perdas em transformadores — Por que ocorrem e como reduzi-las

Todos sabemos a importância dos transformadores nos sistemas de energia. Eles podem transmitir eletricidade entre diferentes circuitos, alterar o nível de tensão e permitir que a eletricidade seja transmitida por longas distâncias. Mas, assim como qualquer outro tipo de máquina elétrica, eles não são perfeitos e apresentam suas próprias perdas de energia.

Para conhecer os diferentes tipos de perdas que ocorrem em um transformador, entender o que causa essas perdas e como podemos reduzi-las nos ajudará a melhorar o desempenho e a confiabilidade de um transformador.

O que são perdas em transformadores

As perdas em transformadores referem-se à energia que é perdida na forma de calor, ou em outras formas, em vez de ser transferida para a carga. As perdas ocorrem tanto no núcleo quanto nos enrolamentos. Elas afetam o funcionamento do transformador e são um fator importante para determinar sua eficiência.

O transformador apresenta diversos tipos de perdas, desde as grandes, como a perda no cobre e a perda no núcleo, até as menores, como a perda dielétrica e a perda parasita. É necessário compreender todas elas durante o projeto e a operação.

Dois tipos principais de perdas em transformadores

De modo geral, as perdas em transformadores podem ser divididas em duas categorias principais:

Perdas em vazio – ocorrem mesmo quando o transformador está ligado, mas não está fornecendo energia a nenhuma carga.
Perdas sob carga – ocorrem quando há corrente fluindo pelos enrolamentos para fornecer energia.

Elas são frequentemente referidas como os dois tipos de perda de energia em um transformador. Cada uma possui suas próprias subcategorias e causas.

Perdas em vazio

Perdas no núcleo (perdas no ferro) dos transformadores

A perda no núcleo, também conhecida como perda no ferro, ocorre dentro do núcleo magnético do transformador. Consiste principalmente em perda por histerese e perdas por correntes parasitas.

Perdas por histerese em transformadores

O núcleo de um transformador é como um grande bloco de material magnético. Quando a eletricidade passa pelas bobinas do transformador, ela cria um campo magnético que “magnetiza” esse núcleo.

Sabemos que os transformadores utilizam apenas corrente alternada (CA), o que significa que a direção da corrente muda dezenas de vezes por segundo. Isso força os “pequenos fragmentos” magnéticos dentro do núcleo a mudar de direção repetidamente.

Cada vez que essas partículas magnéticas mudam de direção, elas precisam superar uma espécie de resistência interna no material do núcleo. Essa energia extra desperdiçada é chamada de perda por histerese.

Como reduzi-la: um material de núcleo de boa qualidade, como o aço laminado a frio de grãos orientados, pode diminuir a perda por histerese.

Perdas por correntes parasitas em transformadores

A variação do fluxo magnético induz correntes circulantes no núcleo condutor, chamadas de correntes parasitas. Essas correntes geram calor e desperdiçam energia.

Como reduzi-las: Utilizam-se núcleos laminados com camadas isolantes entre as chapas para minimizar as perdas por correntes parasitas.

Os dois tipos acima são conhecidos como perdas no núcleo do transformador, responsáveis pela maior parte das perdas em vazio da maioria dos transformadores de potência.

Perdas dielétricas em transformadores

As bobinas dentro de um transformador são sempre envoltas em papel isolante e tinta, para o caso de ocorrerem fugas elétricas ou curtos-circuitos. Esses materiais são chamados de dielétricos isolantes; são como trajes de proteção usados para manter a eletricidade “sob controle”.

Os transformadores utilizam corrente alternada, de modo que a tensão sobe e desce constantemente. Essa flutuação faz com que as moléculas se movam dentro do material isolante. O atrito entre essas moléculas gera calor. Esse calor é um desperdício total de energia, já que não contribui para a transferência de eletricidade. É a isso que chamamos de perdas dielétricas.

Como reduzi-las: Use um bom material isolante e mantenha o sistema de isolamento a óleo ou gás intacto, para que não seja afetado pela umidade ou sujeira.

Perdas de carga

Perdas de cobre em transformadores

A perda no cobre tem vários nomes. Também pode ser chamada de perda I²R, perda ôhmica ou perda nos enrolamentos. Ela ocorre devido à corrente que flui pelos enrolamentos do transformador. O fio de cobre oferece resistência ao fluxo de eletricidade, de modo que parte da energia é convertida em calor. A perda por cobre é proporcional ao quadrado da corrente de carga; portanto, será maior sob carga pesada.
Como reduzi-la: Use condutores com maior área de seção transversal. Utilize cobre de alta pureza ou alumínio, que apresentam menor resistência. Conexões bem apertadas também ajudam a evitar o superaquecimento.

Perdas dispersas em transformadores

Há bobinas de fio dentro de um transformador. Quando a eletricidade passa por elas, elas criam um campo magnético. Em condições ideais, esse campo magnético deveria permanecer apenas dentro do núcleo de ferro do transformador, auxiliando na transmissão de energia.

Mas parte desse campo magnético vaza do núcleo de ferro e acaba atingindo as peças metálicas do transformador, como o tanque de óleo, os clipes metálicos e até mesmo os parafusos.
Quando esse campo magnético disperso atinge essas peças metálicas, ele gera pequenas correntes inúteis em seu interior. Essa energia extra se transforma em calor, e é daí que vêm as perdas dispersas. Trata-se da energia desperdiçada que apenas aquece o transformador sem motivo.

Podemos reduzi-la utilizando blindagem magnética adequada e aprimorando o projeto do transformador para diminuir o fluxo disperso e minimizar essas perdas.

Como reduzir as perdas do transformador

– Escolha um transformador de alta eficiência que utilize material de núcleo de baixa perda.
– Certifique-se de que ele receba manutenção adequada; verifique se há superaquecimento, conexões soltas e deterioração da qualidade do óleo.
– Evite sobrecargas, pois elas aumentam as perdas no cobre e a temperatura.
– A temperatura precisa ser verificada e não deve ficar muito alta. A temperatura deve estar sempre dentro da faixa projetada.
– Faça verificações de rotina e fique atento a qualquer aumento nas perdas.

Como medir a eficiência dos transformadores?

A eficiência do transformador refere-se ao grau de eficácia com que um transformador pode converter a potência de entrada em potência de saída útil. Ela é expressa da seguinte forma:
Eficiência (%) = Potência de Saída / Potência de Entrada × 100
Como esses transformadores são fabricados para oferecer melhor desempenho, a eficiência geralmente fica entre 95% e 99%, dependendo do tamanho, do projeto e da carga.

Dois métodos comuns para determinar a eficiência de algo

Método direto

As potências de entrada e saída são medidas diretamente com wattímetros quando o transformador está sob carga. Esse método é simples, mas não é realmente preciso para transformadores grandes, pois as perdas são muito menores do que a potência total.

Método indireto (método das perdas)

Meça separadamente a perda no núcleo (perda em vazio) e a perda no cobre (perda sob carga) e, em seguida, calcule:
Eficiência = Potência de saída / (Potência de saída + Perdas totais)
É uma forma popular de testar transformadores e pode fornecer melhores resultados.

Dica:
A eficiência máxima é alcançada quando a perda no núcleo = perda no cobre. Mantenha uma condição de carga equilibrada e um resfriamento adequado para operar o transformador próximo a esse ponto ideal.

Conclusão

As perdas no transformador sempre ocorrerão, mas saber por que elas acontecem nos ajuda a reduzi-las de maneira mais eficaz. Com a ajuda de materiais de boa qualidade, condições adequadas de funcionamento, resfriamento eficiente e um sistema de monitoramento, podemos garantir o bom desempenho do nosso transformador e economizar muita energia.

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