Como funciona um transformador? Guia completo

Entender como funciona um transformador é importante para evitar variações anormais de tensão elétrica e possíveis falhas que podem danificar equipamentos e até comprometer a segurança dos usuários.

Encontrado em postes de luz e em diversos sistemas elétricos, o transformador é fundamental para a operação adequada de circuitos. 

Então, é interessante conhecer bem esse dispositivo e seus diferentes tipos para acertar na escolha e garantir o bom funcionamento das instalações. 

Sendo assim, preparamos esse artigo para abordar as principais informações sobre o tema. Acompanhe.

Qual é a função do transformador?

O transformador de energia é um dispositivo usado para elevar ou baixar a tensão e a corrente elétrica por meio de indução eletromagnética ou da modificação da impedância do circuito elétrico. Funciona exclusivamente com corrente alternada e transmite potência ou energia elétrica entre circuitos.

Um transformador opera com base na lei de Faraday da indução eletromagnética. Ele consiste em dois ou mais enrolamentos de fio condutor (bobinas) situados em um núcleo de material ferromagnético.

Tem o importante papel de rebaixar a tensão da energia transmitida pelas redes de distribuição elétrica para uso nas instalações prediais em geral.  E como resultado temos as tensões de 220V e 110V que são utilizadas na grande maioria dos estabelecimentos e residências.

Como funciona um transformador de corrente?

O transformador de corrente tem o papel de detectar ou medir a corrente elétrica presente em um cabo ou barra de alimentação, convertendo-a em outra corrente de valor inferior, para posterior transmissão a um equipamento de medição ou circuito eletrônico. 

Consiste em um núcleo magnético e dois enrolamentos (primário e secundário). A corrente a ser medida passa pelo enrolamento primário, criando um campo magnético que induz uma corrente no enrolamento secundário, que é reduzida proporcionalmente à corrente primária e usada para medir ou controlar.

Também chamado de TC, é comumente aplicado em medidores de corrente, sistemas de proteção e para abaixar a corrente da rede para alimentação de aparelhos eletrônicos que não suportam grandes correntes de energia.

Como funciona um transformador de potência?

Um transformador de potência atua no ajuste da tensão e corrente para transmitir potência elétrica em alta ou baixa tensão entre geradores e consumidores. Ele altera os valores de tensão que entram na bobina primária.

É similar a outros transformadores, com enrolamentos primário e secundário, mas se difere por ser projetado para lidar com grandes quantidades de energia, tanto em termos de potência quanto de corrente.

A espira primária conduz uma corrente primária alternada, gerando internamente uma variação no fluxo magnético que, por sua vez, é canalizado pelo núcleo, induzindo uma tensão na espira secundária. Se não existir um circuito fechado conectado a ela, uma corrente induzida é estabelecida. 

É utilizado em subestações de energia e linhas de transmissão para ajustar os níveis de tensão e corrente conforme necessário.

Funcionamento do transformador de distribuição

O transformador de distribuição serve para reduzir a tensão da energia elétrica que vem das linhas de transmissão para níveis utilizáveis em residências, comércios e indústrias. É amplamente utilizado pelas concessionárias de distribuição e usinas geradoras de energia. 

Ele é instalado em postes de distribuição ou em transformadores de subestações para fornecer energia diretamente e de forma adequada aos consumidores. Geralmente é auto protegido contra sobrecargas e curto circuitos.

Funcionamento do transformador de força

O transformador de força transmite energia elétrica em sistemas de força, ajustando a tensão e corrente conforme necessário. É empregado na geração e distribuição de energia por concessionárias, usinas, subestações (incluindo as industriais e aplicações como fornos de indução, retificadores, etc.)

Opera de maneira similar aos transformadores de potência, mas com foco em fornecer energia para sistemas elétricos industriais e comerciais, geralmente em maiores capacidades, para a alimentação de motores elétricos e outros dispositivos de alta potência.

Como funciona um transformador elevador e abaixador de tensão?

O número de espiras de que cada bobina de um transformador possui está diretamente relacionada ao valor que a tensão apresentará ao sair do aparelho.

Quando nos referimos ao transformador elevador, que serve para aumentar a tensão de entrada para uma tensão mais alta na saída, contamos com mais espiras na segunda bobina do que na primeira. É usado em linhas de transmissão para reduzir perdas. 

Já o dispositivo abaixador, que reduz a tensão de entrada para outra mais baixa na saída, tem menos espiras na segunda bobina do que na primeira. É usado em distribuição para fornecer uma tensão adequada para o consumo.

Como funciona um transformador monofásico?

Esse tipo de equipamento transfere energia entre circuitos em sistemas monofásicos. Adequado para alimentação de circuitos de comando ou de utilização doméstica ou industrial. O equipamento usado nas residências, por exemplo, converte 127V em 220V e vice-versa.

Possui dois enrolamentos (primário e secundário) e é utilizado em sistemas de energia elétrica com uma única fase. É encontrado em residências e pequenas empresas para aplicações de baixa tensão.

Como funciona um transformador trifásico?

Este dispositivo transfere energia em sistemas trifásicos, que são comuns em aplicações industriais e de transmissão de energia. Comum nos postes das ruas, recebe a tensão de 13,8 kV da concessionária de energia e a transforma em 127V ou 220V. 

Pode ter três conjuntos de enrolamentos ou um único conjunto com conexões específicas. Ele proporciona uma distribuição equilibrada de energia e é mais eficiente para transmissão de grandes quantidades de energia.

Funcionamento do transformador polifásico

Este tipo é similar ao transformador trifásico, mas pode lidar com mais de três fases. Pode ter diferentes configurações de enrolamentos para lidar com mais fases, dependendo do sistema. 

Contudo, os sistemas polifásicos são menos comuns e usados principalmente em sistemas industriais avançados e especializados.

Com alta eficiência, entrega a tensão para sistemas que requerem mais fases (principalmente para retificação de medida de onda completa) por meio do sistema trifásico. É capaz de variar de 3 a 6 fases.

Onde é usado o transformador?

Esse tipo de máquina elétrica é aplicado em dispositivos e instalações elétricas, atuando na elevação ou rebaixamento de tensão e corrente ou, ainda, como um equipamento isolador em circuitos.

Entre os seus usos mais comuns, está a conversão de tensão para aparelhos domésticos ou industriais, onde as tensões dos equipamentos não são compatíveis com a disponibilizada pela fornecedora de energia.

Também é empregado no transporte de alta quantidade de energia elétrica para longas distâncias, diminuindo as quedas de tensão ao longo dos percursos. Além disso, antes da distribuição ao consumidor final, os valores de tensão são reduzidos.

Em outros termos, transformadores são usados principalmente em:

• Estações e subestações de transmissão: No início da transmissão de energia, transformadores elevadores aumentam a tensão da eletricidade gerada para níveis muito altos (como 110kV, 220kV, ou mais) para minimizar perdas de energia em longas distâncias. 
• Subestações de Distribuição: Transformadores abaixadores reduzem a alta tensão recebida das linhas de transmissão para níveis mais baixos (como 11kV, 33kV) adequados para distribuição local.

Além disso, transformadores de distribuição estão frequentemente localizados em postes ou em áreas de distribuição para reduzir a tensão para níveis de uso seguro e utilizáveis em residências e empresas (como 220V ou 380V).

• Indústrias: Transformadores de potência são usados em instalações industriais para fornecer a tensão necessária para grandes maquinários e equipamentos. Eles podem estar localizados em subestações industriais ou em painéis de distribuição dentro das fábricas.

Além disso, transformadores de controle e isolamento garantem a operação segura de sistemas de controle e automação, fornecendo tensões baixas para circuitos de controle e proteção contra choques elétricos.

Foto de um Transformador usado na Indústria para converter 440VAC em 220VAC monofásico

• Instalações prediais: Em grandes edifícios comerciais ou complexos residenciais, transformadores são usados para ajustar a tensão da rede elétrica para níveis apropriados para sistemas internos de iluminação, climatização e outros serviços.

Nesses ambientes, há também transformadores de isolamento que são instalados para proteger equipamentos eletrônicos sensíveis contra flutuações de tensão e interferências elétricas.

• Eletrônicos e Equipamentos de Consumo: Transformadores são incorporados em adaptadores de energia e carregadores para converter a tensão da rede elétrica (geralmente 110V ou 220V) para a tensão necessária pelos dispositivos eletrônicos (como 5V ou 12V para carregadores de celular). 

Equipamentos como amplificadores de áudio, rádios e televisores usam transformadores para ajustar a tensão interna para diferentes componentes eletrônicos.

Como calcular o transformador?

Quando falamos em transformador, existem diversas fórmulas aplicáveis. Uma delas relaciona as tensões elétricas de entrada e saída com a quantidade de enrolamentos, veja:

Onde: 

UP e US = tensões primária e secundária;

NP e NS = número de espiras nos enrolamentos primário e secundário.

Outro cálculo comum é o que relaciona as correntes elétricas de entrada e saída com a quantidade de espiras nos enrolamentos primário e secundário:

Onde: iP e iS = correntes elétricas primária e secundária.

Já para encontrar a potência necessária do transformador, em KVA, a fórmula é: 

PT = (PI*FD*PAC)/FP. 

Para resolução, levamos em consideração as seguintes legendas e explicações:

PT = Potência do Transformador 

PI = Potência Instalada 

O passo inicial é somar a potência instalada total do local, ou seja, somar a potência dos motores elétricos, iluminação, tomadas, aparelhos de ar condicionado, etc. Devemos buscar esse número em Kw. 

FD = Fator de Demanda

O fator de demanda é a razão entre a demanda máxima de potência que se tem num dado intervalo de tempo (potência de alimentação) e a potência instalada na unidade consumidora.

PAC = Previsão de aumento de carga

Modificações na estrutura do local ou instalações de novos equipamentos irão aumentar a potência instalada, portanto deve-se prever essa porcentagem de aumento de carga.

FP = Fator de Potência

De acordo com a legislação brasileira, o fator de potência mínimo permitido para as contas de energia é de 0,92, então podemos considerar esse número na fórmula.

Vale ressaltar que há tamanhos padrão de KVA para transformadores. Caso não seja possível encontrar o tamanho necessário, pode-se arredondar o valor da potência para o próximo tamanho padrão de KVA. 

Tamanhos padrão para transformadores trifásicos: 3, 6, 9, 15, 30, 45, 75, 112.5, 150, 225, 300, 500 e 750 (KVA).

Quais são as principais partes de um transformador e suas funções?

O transformador de energia é constituído por dois componentes básicos, que formam sua parte ativa, além de outros elementos (que variam segundo o modelo):

• Enrolamentos – são as bobinas de fio condutor em que a energia elétrica é transferida entre o primário (entrada) e o secundário (saída). 

O número de voltas e a configuração dos enrolamentos determinam a relação de transformação de tensão. 

Os fios são enrolados em torno do núcleo em camadas ou espirais. Cada enrolamento é isolado para evitar curtos-circuitos e garantir a eficiência.

Além disso, são revestidos com materiais isolantes, como papel impregnado com óleo, polímeros ou resinas. Isso é crucial para evitar a condução acidental entre voltas de fio e entre os enrolamentos.

Geralmente são feitos de cobre, devido à sua excelente condutividade elétrica. Ou, como alternativa, podem ser feitos de alumínio, um material mais leve mas com menor condutividade.

• Núcleo – serve para conduzir o fluxo magnético gerado pelos enrolamentos. Ele concentra e direciona o campo magnético, o que aumenta a eficiência da transferência de energia entre os enrolamentos primário e secundário.

Geralmente feito de chapas de aço laminadas empilhadas e isoladas umas das outras para reduzir perdas por correntes parasitas. 

Em alguns transformadores de alta eficiência, o núcleo pode ser feito de materiais de ferro ou ferrite.

• Caixa – A caixa e a estrutura protegem os componentes internos do transformador e garantem segurança e estabilidade. Ela também pode incluir sistemas de resfriamento.

Em transformadores de potência maiores, a caixa pode ser preenchida com óleo para resfriamento e isolamento elétrico. Para transformadores menores, como os usados em eletrônicos, eles são frequentemente encapsulados em resina ou plástico.

• Acessórios complementares – Isoladores são utilizados para suportar e isolar os enrolamentos e outros componentes eletricamente. Podem ser feitos de vidro, cerâmica ou materiais plásticos isolantes.

Disjuntores protegem o aparelho contra sobrecargas e curtos-circuitos. Termômetros e sensores monitoram a temperatura do transformador e do óleo, ajudando a prevenir o superaquecimento.

Relés de proteção monitoram as condições do transformador e acionam alarmes ou disjuntores se detectarem problemas, como sobrecarga, falhas de isolamento ou outras anomalias.

Em transformadores imersos em óleo, os radiadores ajudam a dissipar o calor. Nos aparelhos com resfriamento a ar, ventiladores forçam o ar a passar pelo transformador para aumentar a dissipação de calor.

Alguns outros exemplos de acessórios em transformadores são tanques principais e de expansão, buchas, comutadores, acionamentos, radiadores, painel de controle, etc. 

É perigoso usar transformador?

O equipamento requer atenção especial, pois utiliza óleo que fica em contato com componentes de alta tensão. Infelizmente, as explosões de transformadores e incêndios podem acontecer. 

Nesses casos, além dos danos e prejuízos distintos, os resíduos contaminantes do equipamento podem também trazer riscos ambientais. 

Uma pesquisa sobre a confiabilidade do equipamento, feita em 2015, pelo Conselho Internacional de Redes Elétricas de Grande Porte (CIGRE), mostrou que as taxas anuais de falha de transformador são, em média, 1%.                                                                                                       

Funcionamento de um transformador: dúvidas frequentes

Dúvidas sobre como funciona um transformador são comuns e acerca desse tema selecionamos duas das mais frequentes, confira a seguir.   

O que é a potência de um transformador?

A potência de um transformador é uma medida da capacidade máxima do dispositivo de transferir energia elétrica de um circuito para outro, do primário para o secundário, sem que ele superaqueça ou sofra danos.

Essa capacidade é crucial para garantir que o transformador possa operar de forma eficiente e segura dentro das especificações do sistema elétrico em que está integrado.

A potência elétrica tem a seguinte representação: Potência (P) = Tensão (V) × Corrente (I), na qual P é medida em VA, V em volts e I em amperes. Nos transformadores, aplicamos esta fórmula tanto no lado primário quanto no secundário.

Como saber qual transformador usar?

Para selecionar um transformador adequado para uma aplicação, deve-se considerar a potência total necessária para a carga conectada, além de uma margem para garantir operação segura e eficiente. 

Para calcular a potência total basta somar as potências de todos os dispositivos e cargas que o transformador precisará alimentar.

A potência deve ser suficiente para suportar a carga máxima sem operar próximo ao limite de sua capacidade nominal. Ela é geralmente expressa em volt-amperes (VA), quilovolt-amperes (kVA) ou megavolt-amperes (MVA). 

Verifique também a tensão da rede elétrica disponível (tensão primária) e a tensão necessária para os equipamentos ou cargas (tensão secundária). Escolha um transformador que tenha os enrolamentos projetados para essas tensões.

Opte por transformadores com alta eficiência para reduzir perdas de energia e custo operacional. A eficiência é a relação entre a potência útil transferida e a potência total fornecida.

Conclusão

Ao longo do texto, vimos que os transformadores têm a função de transmitir energia elétrica de um circuito a outro por meio de campos magnéticos, transformando os valores de tensão e de corrente.

Esse tipo de máquina elétrica é fundamental para o funcionamento adequado de instalações e, graças ao seu trabalho, podemos utilizar de forma apropriada diversos equipamentos.

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