Os transformadores são componentes indispensáveis ​​nos sistemas de energia elétrica. A sua função principal — elevar ou reduzir os níveis de tensão — torna viável e eficiente a transmissão e distribuição de energia a longas distâncias. No entanto, como todos os dispositivos elétricos, os transformadores não estão isentos de imperfeições. Uma das principais desvantagens é a perda de energia durante o funcionamento, principalmente sob a forma de calor. Este calor deve ser gerido de forma eficaz, pois reduz a potência de saída total.afeta o desempenho do óleo do transformadore outros componentes essenciais, além de impor uma pressão adicional sobre os sistemas de isolamento e refrigeração.

Estas ineficiências operacionais impactam o desempenho do transformador, aumentam os custos de operação e exigem estratégias de manutenção para garantir a fiabilidade a longo prazo. As perdas nos transformadores dividem-se em duas categorias: perdas com carga e perdas sem carga. Compreender ambas é essencial para melhorar a eficiência do sistema, minimizar o tempo de inatividade e gerir os custos de forma mais eficaz.

O que são perdas nos transformadores?

Para compreender as implicações das perdas nos transformadores, é necessário primeiro compreender o fator de potência — um parâmetro fundamental nos sistemas elétricos. O fator de potência é a relação entre o trabalho útil produzido, ou "potência real", e a potência total fornecida a um determinado sistema, também conhecida como "potência aparente". Idealmente, um factor de potência de 1, frequentemente designado por unitário, é o mais adequado, uma vez que indica que toda a potência fornecida está a ser utilizada de forma eficaz. Na prática, no entanto, o fator de potência fica muitas vezes abaixo da unidade, o que resulta em ineficiências e num aumento da carga de funcionamento nos equipamentos elétricos.

Um baixo fator de potência exige que o transformador consuma mais corrente para fornecer a mesma quantidade de energia utilizável. Este excesso de corrente não só aumenta a geração de calor, como também contribui para o desgaste prematuro do equipamento. Por conseguinte, compreender a natureza e as causas das perdas nos transformadores — especialmente em relação ao fator de potência — é fundamental para otimizar o consumo de energia e manter a integridade do sistema.

As perdas nos transformadores podem ser classificadas, de uma forma geral, em:

·Perdas de carga (perdas no cobre)– Ocorre quando o transformador está a fornecer energia a uma carga.

·Perdas sem carga (Perdas no núcleo)– Ocorrendo mesmo quando não está ligada nenhuma carga.

Vamos examinar cada tipo com mais detalhe, incluindo os mecanismos por detrás dos mesmos e como podem ser minimizados.

Perdas de carga

As perdas sob carga ocorrem quando o transformador está sob carga, ou seja, quando está a transmitir ativamente energia elétrica. Estas perdas resultam da resistência dos enrolamentos (normalmente feitos de cobre ou alumínio), que faz com que a energia se dissipe sob a forma de calor. Por isso, o termo "perdas no cobre" é frequentemente utilizado como sinónimo de perdas sob carga.

Estas perdas ocorrem tanto no enrolamento primário como no secundário e são proporcionais ao quadrado da corrente de carga (perdas I²R). Isto significa que mesmo aumentos modestos da corrente podem levar a perdas de energia significativamente maiores. Um fator de potência baixo agrava este problema, uma vez que é necessária mais corrente para fornecer a mesma potência real. Por exemplo, se a corrente for duplicada, as perdas no cobre quadruplicam.

Este calor não só reduz a eficiência da distribuição de energia, como também contribui para o stress térmico, que pode degradar o isolamento e outros componentes internos ao longo do tempo. Para lidar com as perdas no cobre e mitigá-las, são empregues diversas técnicas:

Técnicas para reduzir as perdas de carga

1. Escolha do material condutor
O cobre continua a ser o material preferido devido à sua condutividade superior, mas o alumínio também é utilizado em grandes transformadores, onde o peso e o custo são fatores importantes. A seleção do material deve encontrar um equilíbrio entre o desempenho e a viabilidade económica.

2. Otimização do projeto de enrolamento
Os engenheiros podem conceber enrolamentos para garantir uma distribuição uniforme da corrente e reduzir a resistência. Técnicas como o entrançamento — que utiliza múltiplos condutores mais pequenos em paralelo — ajudam a diminuir os efeitos das correntes parasitas e a melhorar o desempenho térmico.

3. Ajustes na área da secção transversal
O aumento da área da secção transversal dos enrolamentos diminui a resistência elétrica e reduz as perdas I²R. No entanto, isto deve ser equilibrado com o aumento dos custos dos materiais e dos requisitos de espaço.

4. Sistemas de refrigeração eficazes
Mecanismos de arrefecimento melhorados, como a circulação forçada de ar ou óleo, são utilizados para dissipar o calor de forma eficaz.Fluidos de transformador desempenham também um papel fundamental na manutenção do equilíbrio térmico e na prevenção da quebra do isolamento.

Em ambientes industriais, os princípios envolvidos narebobinagem de motor elétricoTambém pode ser adaptado para restaurar o desempenho do enrolamento do transformador e reduzir as perdas excessivas causadas pela degradação do isolamento ou pela geometria inadequada do enrolamento.

Perdas sem carga (também conhecidas como perdas de núcleo)

As perdas em vazio referem-se à energia perdida quando o transformador está alimentado, mas sem alimentar qualquer carga externa. Estas perdas ocorrem devido ao campo magnético alternado no núcleo do transformador, necessário para a transformação de tensão. Mesmo sem carga, o núcleo consome energia para manter os ciclos de magnetização.

Dois mecanismos principais contribuem para as perdas no núcleo:

1. Perdas por Correntes de Foucault
Trata-se de correntes circulantes induzidas no material do núcleo, provocadas pela variação do campo magnético. As correntes geram calor e são responsáveis ​​pela perda de energia no interior do núcleo.

2. Perdas por histerese
Estas perdas ocorrem devido ao realinhamento friccional dos domínios magnéticos dentro do material do núcleo, à medida que este passa por ciclos repetidos de magnetização e desmagnetização. Fatores como a frequência das inversões magnéticas, a composição do material do núcleo e a densidade do fluxo magnético influenciam as perdas por histerese.

Ao contrário das perdas sob carga, as perdas no núcleo são relativamente constantes e não são significativamente afetadas pela carga no transformador. No entanto, as variações na corrente de magnetização — especialmente em condições de baixo fator de potência — podem aumentar ligeiramente estas perdas.

Técnicas para reduzir as perdas em vazio

1. Seleção do Material Principal
O aço silício tem sido, desde há muito tempo, o padrão da indústria para núcleos de transformadores devido à sua baixa perda por histerese e elevada resistividade elétrica. No entanto, o aço amorfo está a ganhar popularidade pelas suas perdas de energia ainda menores.

2. Projeto do núcleo melhorado
O desenho de núcleos com trajetórias magnéticas mais curtas e distribuição uniforme do fluxo ajuda a reduzir as perdas por correntes parasitas e por histerese.

3. Laminação
A laminação do núcleo com finas lâminas isolantes limita a formação de correntes parasitas, aumentando a resistência à passagem da corrente. Este método continua a ser um dos meios mais eficazes de reduzir as perdas em vazio.

Em aplicações de alta precisão,teste de óleo de transformador de potênciaÉ frequentemente realizado para avaliar a integridade do isolamento e detetar sinais precoces de sobreaquecimento do núcleo, que podem resultar de elevadas perdas em vazio.

Problemas de perda no transformador de equilíbrio

O projeto e a seleção de um transformador exigem uma análise cuidadosa dos padrões de utilização para encontrar um equilíbrio entre a redução das perdas com e sem carga.

·Para sistemas que operam sob carga elevada durante períodos prolongados.O foco deve ser a redução das perdas de cobre, melhorando a qualidade dos condutores e a eficiência do arrefecimento.

·Para sistemas que permanecem inativos ou com carga leve durante longos períodos.Minimizar as perdas em vazio é crucial. Nestes casos, optar por materiais de núcleo com baixas perdas, como o aço amorfo, pode gerar poupanças significativas.

A adequação do projeto do transformador à sua aplicação pretendida garante não só a eficiência energética, mas também uma maior vida útil do equipamento e uma menor frequência de manutenção.

Conclusão

As perdas nos transformadores — sejam elas durante a geração de energia ou em regime de inatividade — são um aspeto inevitável da distribuição de energia elétrica. No entanto, a compreensão das causas e características das perdas em carga e em vazio permite aos gestores de instalações implementar estratégias para reduzir as ineficiências, diminuir os custos e prolongar a vida útil dos transformadores. Através de um design criterioso, da seleção adequada de materiais e de práticas de manutenção regulares, incluindo técnicas como a rebobinagem e a otimização do núcleo, é possível mitigar significativamente estas perdas.