Dimensões de transformadores trifásicos

Como elemento fundamental da rede elétrica, o transformador trifásico tem diversas aplicações, como transmissão elevadora de tensão, distribuição abaixadora e isolamento elétrico. O dimensionamento de um transformador trifásico é crucial tanto para o investimento inicial quanto para o desempenho operacional. Como escolher o tamanho de transformador adequado às suas necessidades de tensão? Este artigo discute a importância e os fatores que influenciam o dimensionamento do transformador para ajudá-lo a escolher o tamanho ideal, equilibrando segurança, eficiência e custo.

O que são transformadores trifásicos?

O transformador trifásico é um dispositivo elétrico estático que utiliza o princípio da indução eletromagnética para transmitir e distribuir energia de corrente alternada trifásica na mesma frequência, mas geralmente em diferentes níveis de tensão.

O transformador trifásico é composto principalmente por diversos sistemas principais: o sistema de circuito magnético, o sistema de circuito elétrico, o sistema de isolamento e refrigeração, o sistema de proteção e monitoramento, além dos componentes estruturais e da carcaça. Esses sistemas, por sua vez, fornecem caminhos magnéticos eficientes, realizam a entrada e saída de energia elétrica e a conversão de tensão, garantem o isolamento elétrico e a dissipação de calor, além de assegurar a operação segura e o controle de status do transformador. transformadores, e realizar suporte mecânico, proteção e conexão elétrica.

Através da coordenação precisa entre os sistemas, os transformadores trifásicos alcançam conversão e transmissão de energia eficientes, confiáveis e flexíveis, constituindo a base das redes elétricas modernas. Eles podem transformar com eficiência três tensões de uma fonte de alimentação trifásica para outro sistema trifásico através de um circuito magnético de núcleo comum. Tornaram-se equipamentos indispensáveis nos sistemas de energia modernos, desde a geração e transmissão até a distribuição.

Dimensões de transformadores trifásicos

Geralmente, os transformadores trifásicos de pequeno porte são classificados principalmente de acordo com sua capacidade nominal (kVA). No entanto, essa classificação não é absoluta. Também haverá alterações na classificação com base no uso e nos métodos de refrigeração. A seguir, apresentamos uma explicação dos três tipos de transformadores trifásicos com base no conhecimento comum e em cenários de aplicação típicos.

Pequenos transformadores trifásicos

Classificação típicaA capacidade nominal de transformadores trifásicos de pequeno porte geralmente varia entre 10 kVA e 500 kVA. As potências típicas de transformadores incluem 15 kVA, 30 kVA, 50 kVA, 100 kVA, 250 kVA e 500 kVA.

CaracterísticasO projeto de transformadores trifásicos de pequeno porte visa a miniaturização e a estrutura compacta, sendo adequados para instalação em plataformas ou salas de distribuição internas. O projeto com dimensões padronizadas também permite o controle dos custos de fabricação. Os métodos de refrigeração são, em sua maioria, ONAN (imerso em óleo), AN ou AF (tipo seco).

Usos comunsTransformadores trifásicos dessas dimensões são normalmente usados para fornecer energia independente e segura para pequenos equipamentos industriais, centros comerciais e áreas específicas de edifícios.

Transformadores trifásicos de tamanho médio

Classificação típicaA capacidade nominal de transformadores trifásicos de médio porte geralmente varia de 500 kVA a 10 MVA (10.000 kVA). As potências em kVA mais comuns para transformadores são 750 kVA, 1 MVA, 2,5 MVA, 5 MVA, 7,5 MVA e 10 MVA.

CaracterísticasOs transformadores trifásicos de médio porte conseguem o melhor equilíbrio entre custo, eficiência e confiabilidade, sendo, portanto, a categoria tecnologicamente mais madura e amplamente utilizada.

De acordo com a taxa de carga e as condições ambientais, os transformadores trifásicos de médio porte geralmente adotam métodos de refrigeração a óleo, como ONAN (Óleo Natural Ar Natural) e ONAF (Óleo Natural Ar Forçado). Para transformadores trifásicos a seco, o método AF é frequentemente adotado. O tamanho desse tipo de transformador também pode atender a requisitos de personalização complexos.

Usos comuns: transformadores de tamanho médio Podem ser utilizados em centros regionais de distribuição e transmissão, ou instalados nas salas de distribuição de grandes instalações comerciais ou nas subestações de distribuição principais de instalações industriais.

Transformadores trifásicos de grande porte

Classificação típicaTransformadores trifásicos de grande porte geralmente têm potência superior a 10 MVA, podendo chegar a mais de 1000 MVA. As potências típicas de transformadores em kVA incluem 20 MVA, 50 MVA, 100 MVA e 250 MVA.

CaracterísticasA tecnologia de produção de grandes transformadores trifásicos é mais complexa, e quase todos eles precisam ser fabricados sob encomenda.

Entre eles, o projeto de isolamento é uma dificuldade de produção, e o transformador deve adotar um método de resfriamento forçado para neutralizar o calor gerado pela transmissão de alta potência.

A transmissão de potência ultra-alta e o resfriamento potente inevitavelmente resultam em dimensões e pesos físicos enormes, além de exigirem uma eficiência extremamente alta.

Usos comunsO grande transformador trifásico pode ser usado como transformador principal em usinas termelétricas, hidrelétricas e nucleares. Também pode ser usado como transformador principal em subestações de ultra-alta ou extra-alta tensão ou como subestação elevadora e coletora em grandes usinas de energia renovável.

Como dimensionar um transformador trifásico?

Dimensionar um transformador trifásico significa selecionar uma classificação em kVA/MVA e uma classificação de tensão que possam alimentar sua carga com segurança.

Determine a potência da carga

Determinar a potência da carga é o passo mais fundamental e crucial. Nesta etapa, você precisa calcular a potência aparente total (kVA) requerida por todos os dispositivos de carga, em vez da potência ativa (kW).

Primeiramente, você precisa listar todas as cargas que o transformador irá alimentar. Os parâmetros principais dessas cargas incluem a potência nominal (kW) e o fator de potência (FP). Em seguida, você também precisa converter a potência de cada carga para kVA. Para cargas trifásicas, você pode usar a fórmula: carga (kVA) = Potência ativa da carga (kW) / fator de potência (FP).

É importante observar que nem todos os dispositivos operam em plena capacidade simultaneamente. Portanto, é necessário selecionar um fator de demanda menor que 1, com base em padrões da indústria ou experiência operacional real, e multiplicá-lo pela carga total conectada. Por fim, os valores de kVA de todas as cargas são somados para obter o kVA mínimo necessário para a operação em andamento.

Adicionar crescimento futuro e margem

Como ativos de longo prazo, os transformadores não podem operar com carga máxima de 100% por muito tempo, o que reduziria sua vida útil e aumentaria as perdas. Portanto, é necessário reservar uma certa margem para operação segura, geralmente entre 10% e 15%.

Você também precisa considerar o desenvolvimento a longo prazo dos transformadores trifásicos. Com base no planejamento da sua empresa ou projeto, estime o possível aumento de carga nos próximos anos. De modo geral, a margem de lucro futura provavelmente aumentará em cerca de 20% a 30%.

Portanto, você pode calcular sua necessidade total de capacidade, kVA = demanda operacional atual * (1 + crescimento futuro % + margem de segurança %)

Selecione as tensões primária e secundária.

Nesta etapa, você precisa escolher a tensão de acordo com a fonte de alimentação e a carga. A alta tensão de entrada no lado primário geralmente é determinada pela rede elétrica. Tensões comuns na América do Norte são 12,47 kV, 4,16 kV, etc., enquanto na China são 10 kV, 35 kV, 110 kV, etc.

A tensão secundária, ou seja, a tensão de saída baixa, geralmente é determinada pelos equipamentos elétricos da fábrica ou do edifício. Os padrões comuns na Europa e na China são 400V/230V, enquanto na América do Norte são 480V/277V e 208V/120V. Além disso, é necessário verificar se o transformador possui um comutador de derivação, que permite melhor adaptação às flutuações da tensão da rede elétrica.

Calcular a corrente de plena carga

O cálculo da corrente de plena carga pode proteger melhor os interruptores, cabos e equipamentos de calibração. A fórmula geralmente utilizada é: corrente de plena carga (Amperes) = kVA*1000/(Tensão (Volts)*√3).

É importante notar que √3 geralmente assume o valor de 1,732. Você precisa calcular as correntes nos lados primário e secundário, respectivamente, e usar os resultados calculados para selecionar os dispositivos correspondentes em cada lado.

Selecione a conexão do transformador

É necessário escolher a configuração de enrolamento adequada, pois ela afetará a disponibilidade de tensão e a mitigação de harmônicos. A seguir, apresentamos algumas configurações de enrolamento comuns.

 

Conexão	Lado primário/alto	Lado secundário/baixo	Principais características e aplicações
Delta-Estrela (Δ-Y)	Delta	Wye	A conexão mais comum. O lado secundário pode fornecer um ponto neutro estável para cargas monofásicas e motores trifásicos. Essa conexão ajuda a suprimir o terceiro harmônico e é adequada para sistemas de distribuição modernos.
Delta-Delta(Δ-Δ)	Delta	Delta	É utilizado para cargas industriais trifásicas puras, como grandes motores e equipamentos retificadores. Não apresenta o problema da corrente circulante da terceira harmônica, mas não possui ponto neutro.
Wye-Wye(YY)	Wye	Wye	Frequentemente utilizado em sistemas industriais antigos. Sensível a cargas trifásicas desequilibradas e a deslocamentos do ponto neutro. É adequado para situações em que as cargas trifásicas são predominantes e as cargas monofásicas são pequenas e equilibradas.
Estrela-Triângulo (Y-Δ)	Wye	Delta	Os transformadores abaixadores, comumente usados em subestações, reduzem a alta tensão para média tensão. Não há ponto neutro no lado secundário.

 

ObservaçãoPara a maioria das instalações de distribuição de energia em edifícios industriais e comerciais, a conexão Delta-Estrela (Δ-Y) é a configuração preferida.

Selecione a classificação do transformador padrão

Os transformadores devem ser produzidos de acordo com as séries de capacidade padrão, e a capacidade não pode ser personalizada arbitrariamente. De modo geral, você pode procurar o tamanho de transformador trifásico padrão que mais se aproxime de suas necessidades de capacidade.

De acordo com a série de normas IEC (kVA): 75 kVA, 100 kVA, 125 kVA, 160 kVA, 200 kVA, 250 kVA, 315 kVA, 400 kVA, 500 kVA, 630 kVA, 800 kVA, 1000 kVA, etc. Por exemplo, se a sua necessidade de capacidade for de 145,6 kVA, você precisará encontrar um transformador com uma potência maior e mais próxima da potência padrão. Portanto, você pode optar por um transformador de 160 kVA que esteja em conformidade com as normas IEC.

Por fim, você também precisa recalcular a corrente nominal de plena carga do transformador com base na sua capacidade nominal finalmente selecionada para proteger os aparelhos elétricos.

Com base nesse método, você pode deduzir o tamanho tecnicamente razoável e economicamente ideal do transformador trifásico. Além disso, é necessário observar as normas nacionais e locais de projeto elétrico. Recomenda-se que a revisão e confirmação final sejam feitas por um engenheiro eletricista qualificado.

Quais fatores afetam o tamanho de um transformador trifásico?

Carga total

Este é o fator que determina mais diretamente o tamanho do transformador. As áreas das seções transversais do núcleo e dos enrolamentos aumentam conforme a carga aumenta. Para quase toda duplicação da capacidade (kVA), o tamanho e o peso do transformador aumentam para cerca do dobro do tamanho original.

Fator de potência

Um baixo fator de potência significa que o sistema precisa transmitir mais corrente (kVA) para a mesma quantidade de potência ativa (kW). Um baixo fator de potência exige um transformador de maior capacidade e uma área de seção transversal maior do enrolamento. Isso também afeta o tamanho do transformador.

Tipo de carga

A capacidade nominal de um transformador pode ser determinada diretamente com base na demanda de kVA de uma carga linear. No entanto, para as correntes harmônicas geradas por cargas não lineares, os transformadores geralmente exigem projetos especiais.

Por exemplo, usar uma capacidade reduzida aumentaria o tamanho, enquanto usar uma estrutura de enrolamento com perdas reduzidas ou mesmo grupos de blindagem harmônica dedicados aumentaria o tamanho físico e o custo de fabricação.

Nível de tensão e corrente

Quanto maior a tensão no lado primário, maior a distância de isolamento necessária. Isso resulta em camadas de isolamento mais espessas, dimensões de enrolamento maiores e maior distância de fuga, etc. Quanto maior a corrente no lado secundário, maior a área da seção transversal do condutor necessária.

Expansão futura

A futura margem de expansão aumentará o tamanho do núcleo, dos enrolamentos e do sistema de refrigeração. Isso também fará com que o transformador opere com carga reduzida, diminuindo sua eficiência operacional e desempenho econômico.

Design e Material

Diferentes materiais para o núcleo terão um grande impacto na área da seção transversal e no peso do núcleo. Chapas de aço silício reduzirão a área da seção transversal e o peso do núcleo, mantendo a mesma capacidade.

Os diferentes materiais de enrolamento também afetam o tamanho e o custo de fabricação do enrolamento. Geralmente, o cobre tem uma condutividade maior e o enrolamento é menor.

Níveis mais elevados de resistência ao calor permitem que os transformadores suportem correntes de carga maiores e tenham um design compacto.

Como escolher o tamanho adequado de um transformador trifásico?

Um transformador trifásico adequado determina a confiabilidade, a economia e a eficiência operacional a longo prazo do sistema de energia. Este é um projeto sistemático para você.

Cálculo preciso da capacidade elétrica

Você ainda precisa listar todos os equipamentos de carga que o transformador trifásico precisa alimentar. E também precisa registrar parâmetros importantes, como a potência nominal e o fator de potência de cada dispositivo.

Você deve encontrar o coeficiente apropriado consultando normas nacionais ou engenheiros experientes ou especialistas do setor. Em seguida, calcule a relação entre a carga máxima total do sistema e a soma das demandas máximas de cada subsistema com base no coeficiente simultâneo.

Por fim, a potência ativa é calculada com base na fórmula potência ativa (kW) = Σ(potência instalada do equipamento * coeficiente requerido) * coeficiente simultâneo. Em seguida, calcula-se a capacidade requerida, kVA = kW / fator de potência médio.

Como mencionado anteriormente, calcular apenas o tamanho necessário não é suficiente. Para a segurança e o funcionamento a longo prazo do equipamento, também é preciso considerar a margem futura e a taxa de carga ideal do transformador.

Evite simplesmente somar a potência dos dispositivos. A seleção incorreta do transformador dimensionado influenciará o custo do seu investimento, as perdas em vazio e o desempenho econômico.

Seleção do tipo técnico apropriado de transformador trifásico

Os transformadores trifásicos podem ser geralmente classificados em dois tipos: imersos em óleo e a seco. Os transformadores trifásicos a seco apresentam maior segurança contra incêndio e não requerem manutenção. Os transformadores trifásicos imersos em óleo possuem maior capacidade de sobrecarga e menor nível de ruído.

Por exemplo, são utilizados em edifícios altos, instalações subterrâneas, áreas densamente povoadas ou locais com requisitos de prevenção de incêndios e explosões. Por questões de segurança, nesses casos, devem ser selecionados transformadores a seco. Subestações externas e projetos industriais com restrições orçamentárias podem optar por transformadores imersos em óleo.

Em geral, isso é determinado principalmente pelo ambiente de instalação, pelos padrões de segurança e pelos requisitos de manutenção.

Seleção do método de resfriamento adequado

Se você deseja otimizar o tamanho e as características operacionais de um transformador trifásico, a escolha do método de resfriamento também é particularmente importante.

De acordo com as normas IEC, os métodos de refrigeração para transformadores imersos em óleo são classificados como ONAN, ONAF e OFAF.

ONANÉ simples, silencioso e não requer manutenção. No entanto, sua eficiência de dissipação de calor é baixa, sendo adequado para transformadores de pequeno e médio porte.

ONAFPossui maior capacidade de dissipação de calor e um design de transformador mais compacto. É a escolha ideal para equilibrar tamanho, capacidade e custo, sendo mais adequado para transformadores de médio a grande porte.

OFAFPossui a maior eficiência de dissipação de calor, mas sua estrutura é complexa e os requisitos de manutenção são elevados. É mais adequado para transformadores de grande e extra grande porte.

Os métodos de refrigeração para transformadores a seco são classificados como AN e AF.

UMOpera silenciosamente, mas tem capacidade de refrigeração limitada. Adequado para ambientes internos com potência média e baixas taxas de carga.

AFPermite um tamanho físico menor, ao mesmo tempo que oferece uma maior capacidade de potência (kVA) do transformador. É a opção preferida para economizar espaço interno.

Garantir rotas de transporte adequadas e espaço para instalação.

Além de escolher as especificações elétricas, você também precisa realizar uma investigação minuciosa da rota de transporte e elaborar um plano de transporte específico.

Com base no tamanho do transformador, é necessário elaborar um plano adequado para o espaço de instalação. De acordo com as normas IEC ou ISO, reserve espaço suficiente para passagens de manutenção, distâncias de ventilação e distâncias de segurança elétrica.

Certifique-se de que a estrutura do edifício suporte o peso do transformador. Também é necessário determinar os métodos de entrada e saída dos cabos e reservar o espaço correspondente.

Avaliação e análise abrangentes

Por fim, você precisa realizar uma análise do custo total de propriedade, considerando suas necessidades, incluindo o investimento inicial, os custos operacionais, os custos de manutenção, etc. Além disso, também é necessário implementar uma avaliação da confiabilidade das qualificações do fabricante e da qualidade dos componentes do núcleo do transformador.

Se existirem regulamentações ambientais rigorosas na sua região, também é necessário confirmar se o produto cumpre as normas locais obrigatórias de eficiência energética e os requisitos ambientais.

Perguntas frequentes

Por que o tamanho de um transformador trifásico é tão importante?

As dimensões físicas do transformador determinam a facilidade de instalação. A potência do transformador (kVA) está associada aos custos de aquisição e à segurança operacional. O dimensionamento correto garante que o transformador opere de forma eficiente e confiável na taxa de carga ideal. Ele determina a seleção dos cabos de alimentação e de distribuição, chaves e equipamentos de proteção, além de ser a base para a operação estável de todo o sistema de fornecimento de energia.

Um transformador de tamanho maior é necessariamente mais seguro?

Não necessariamente. O tamanho excessivo aumentará a corrente de curto-circuito, o que elevará os requisitos para disjuntores e equipamentos de proteção. Se os equipamentos não forem compatíveis, podem não conseguir interromper a corrente a tempo durante uma falha, levando a um acidente mais grave. A segurança não reside no tamanho físico, mas na compatibilidade da capacidade e na abrangência da proteção.

Por que os transformadores de liga amorfa são grandes e caros?

O tamanho avantajado deve-se à sua densidade de saturação magnética relativamente baixa. Portanto, para atingir o mesmo fluxo magnético, a área da seção transversal do núcleo de ferro precisa ser maior, o que consequentemente leva a um aumento em seu volume e peso. O alto preço reside no elevado custo do material, na complexidade de processamento e no custo adicional da economia de energia. É mais adequado para cenários de operação ininterrupta durante todo o ano e com foco na economia de energia a longo prazo.

Considerações finais

A KDM é uma fabricante de produtos personalizados dedicada a fornecer gabinetes elétricos de alta qualidade. Todos os nossos produtos são fabricados com materiais premium e utilizando técnicas de processamento avançadas. Possuímos diversas certificações para garantir a segurança e a confiabilidade dos seus gabinetes. Caso tenha alguma necessidade de personalização, entre em contato conosco. Contate-nos. Responderemos prontamente e forneceremos uma solução personalizada que lhe satisfaça.