Como funciona um transformador de energia: indução, perdas e por que a transmissão usa alta tensão

Um transformador de energia muda o nível de tensão da corrente alternada usando indução eletromagnética: a corrente no enrolamento primário cria um campo magnético que varia no tempo dentro de um núcleo de aço, e esse campo induz tensão no enrolamento secundário, sem contato elétrico entre os dois. A relação de tensões é a relação entre os números de espiras. O transformador do poste da sua rua faz exatamente isso, baixando os 13,8 mil volts da rede da distribuidora para os 220 e 127 volts da tomada, e, em carga nominal, perde cerca de 1,5% da potência que passa por ele.

Este artigo explica a física, faz a conta de um transformador de poste e da perda nas linhas de transmissão, mostra de onde vêm as perdas e o que a regra brasileira exige.

Como funciona: a lei de Faraday

Uma tensão aparece num enrolamento sempre que o fluxo magnético que passa por ele varia. Num transformador, a tensão induzida em cada enrolamento é:

E = 4,44 × f × N × Φmáx

com f a frequência da rede, N o número de espiras e Φmáx o fluxo máximo no núcleo. Como o mesmo fluxo atravessa os dois enrolamentos, a relação fica E1 / E2 = N1 / N2, segundo as notas de aula da Universidade de Delft. Num transformador ideal, a potência que entra é a que sai, então a corrente faz o caminho inverso da tensão: baixar a tensão 60 vezes multiplica a corrente por 60.

É por isso que o transformador só funciona com corrente alternada. Com corrente contínua, o fluxo fica parado e não induz nada. A disputa entre os dois tipos de corrente no fim do século 19 passa por Nikola Tesla, e o transformador foi a peça que deu a vitória à alternada: em 20 de março de 1886, William Stanley eletrificou lojas e escritórios da rua principal de Great Barrington, nos Estados Unidos, com corrente alternada e transformadores, segundo o registro de marco histórico do IEEE. Um ano antes, engenheiros da empresa húngara Ganz tinham patenteado o transformador de núcleo fechado e cunhado o nome, segundo a Periodica Polytechnica.

A conta de um transformador de poste

A Copel distribui em 13,8 kV e 34,5 kV, segundo a norma de redes da empresa, e o secundário trifásico padrão é 220/127 V, com transformadores trifásicos de 30 a 500 kVA, segundo a especificação de transformadores da Copel. Exemplo com um transformador trifásico de 75 kVA:

• relação de tensões: 13.800 / 220 ≈ 62,7;
• corrente no primário, em carga nominal: I = S / (√3 × V) = 75.000 / (1,732 × 13.800) ≈ 3,1 A;
• corrente no secundário: 75.000 / (1,732 × 220) ≈ 197 A, cerca de 63 vezes mais;
• perdas máximas permitidas para esse tamanho desde 2023: 215 W em vazio e 1.125 W no total, em carga nominal, segundo a Portaria Interministerial nº 3/2018;
• rendimento em carga nominal com fator de potência 1: 75.000 / (75.000 + 1.125) ≈ 98,5%;
• a perda em vazio acontece 24 horas por dia, com ou sem consumo: 215 W × 8.760 h ≈ 1.880 kWh por ano, por transformador.

Os 1.880 kWh de um único transformador equivalem a pouco mais de um ano de consumo de uma casa que gasta 150 kWh por mês, e uma distribuidora tem milhares deles nas ruas. É por isso que a portaria fixa um teto próprio para a perda em vazio, além do teto das perdas totais. A tensão que chega à casa também tem faixa definida: para 220/127 V, a ANEEL considera adequada a tensão entre 202 e 231 V, e entre 117 e 133 V, segundo a tabela do PRODIST reproduzida num artigo da UEPG. Como a carga da casa é dividida em circuitos está no artigo sobre projeto elétrico residencial, e quais aparelhos mais pesam, no de o que mais consome energia em casa.

De onde vêm as perdas

• Perda no núcleo, ou em vazio: o campo magnético, que completa 60 ciclos por segundo, gasta energia magnetizando o aço e induz correntes parasitas dentro dele. Por isso o núcleo é feito de chapas finas de aço-silício isoladas entre si: a perda por correntes parasitas cresce com o quadrado da espessura da chapa, e chapas de cerca de 0,25 mm são comuns, segundo as notas do IIT Madras.
• Perda nos enrolamentos, ou em carga: o calor da corrente nos fios de cobre ou alumínio, que cresce com o quadrado da corrente. Num transformador meio carregado, ela cai para um quarto da nominal.

O calor sai pelo óleo isolante, que circula por convecção até as aletas da carcaça, o resfriamento natural chamado ONAN. O óleo mineral pode ser trocado por óleo vegetal: a fabricante do fluido FR3 informa ponto de combustão de 360 °C, contra 160 °C do mineral, segundo o catálogo da Cargill.

Nos Estados Unidos, a regra federal exige hoje 99,03% de rendimento a 50% de carga para um transformador trifásico de 75 kVA em óleo, e sobe para 99,22% a partir de abril de 2029, segundo o regulamento do Departamento de Energia. A comparação com os 98,5% da conta acima não é direta, porque o rendimento americano é medido a meia carga, onde a perda nos enrolamentos é um quarto da nominal. Pela regra brasileira, a meia carga o transformador de 75 kVA do exemplo rende cerca de 37,5 / (37,5 + 0,215 + 0,281) ≈ 98,7%. Transformadores de potência, como os de subestação, costumam passar de 99%, segundo o CIGRE.

Por que a transmissão usa tensão tão alta

A perda numa linha é P = 3 × I² × R nas três fases, e a corrente cai na mesma proporção em que a tensão sobe. Premissas nossas: 100 MW transmitidos, linha trifásica com 10 Ω de resistência por fase, fator de potência 1.

• em 138 kV: I = 100.000.000 / (1,732 × 138.000) ≈ 418 A; perda = 3 × 418² × 10 ≈ 5,2 MW, 5,2% da potência;
• em 230 kV: I ≈ 251 A; perda ≈ 1,9 MW, 1,9%;
• em 500 kV: I ≈ 115 A; perda ≈ 0,4 MW, 0,4%.

Passar de 138 para 500 kV divide a perda por (500 / 138)² ≈ 13. O sistema brasileiro usa 230, 345, 440, 500 e 750 kV em corrente alternada, além de linhas de corrente contínua de ±600 kV e ±800 kV, segundo a Revista do Serviço Público e uma apresentação da EPE. As linhas de 750 kV levam a energia de Itaipu ao Sudeste, segundo Furnas. Cada mudança de nível passa por um transformador, e coordenar milhares deles é o assunto dos sistemas ciber-físicos em smart grids.

Perguntas frequentes

Como funciona um transformador de energia?

A corrente alternada no enrolamento primário cria um fluxo magnético variável no núcleo de aço, e esse fluxo induz tensão no secundário. A relação de tensões é igual à relação entre os números de espiras.

Por que o transformador não funciona com corrente contínua?

Porque a corrente contínua cria um fluxo constante, e só fluxo variável induz tensão. Em contínua, só a resistência do fio limita a corrente: o primário esquenta muito e pode queimar, sem transferir energia ao secundário.

Qual a tensão do transformador do poste?

Na Copel, a rede primária é de 13,8 kV ou 34,5 kV e o secundário trifásico entrega 220/127 V. Em outras distribuidoras, como a Celesc, há transformadores com secundário de 380/220 V, segundo a especificação da Celesc.

Quanta energia um transformador perde?

Um transformador de poste de 75 kVA pode perder até 1.125 W em carga nominal pela regra brasileira, cerca de 1,5%. A perda em vazio, de até 215 W, acontece o tempo todo, mesmo sem consumo.

Por que a energia é transmitida em alta tensão?

Porque a perda na linha cresce com o quadrado da corrente. Na nossa conta, transmitir 100 MW em 500 kV perde 0,4%, contra 5,2% em 138 kV na mesma linha.

Todo transformador é a mesma troca entre tensão e corrente, feita por um campo magnético que só existe porque a corrente alterna. Quando a conta de luz ou a rede da rua parecerem um sistema opaco, vale lembrar que a energia das grandes usinas costuma passar por três ou mais desses aparelhos até chegar à tomada, e que a perda em vazio de cada um corre dia e noite. O motor elétrico usa o mesmo princípio de indução, como mostra o artigo sobre motores elétricos.