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A nomenclatura padrão das fases de um transformador trifásico utiliza as letras maiúsculas A, B e C para representar o enrolamento de alta tensão. Já o enrolamento de baixa tensão é representado pelas letras minúsculas a, b e c.

Cada enrolamento tem duas terminações que recebem o subscrito de 1 e 2.

A interconexão dos enrolamentos de fase para gerar um sistema trifásico deve atender três possíveis modos alternativos de conexão: ligação delta; ligação estrela e ligação zig-zag. Cada uma dessas conexões possui duas variações. Por exemplo: uma conexão estrela pode ser feita juntando as terminações A₁, B₁ e C₁ para formar o terminal de neutro, ficando A₂, B₂ e C₂, como terminais de linha. Alternativamente, podemos juntar A₂, B₂ e C₂ para formar o neutro, e usar A₁, B₁ e C₁ como terminais de linha.

No Brasil, em transformadores de distribuição, é comum os fabricantes representarem os terminais de alta tensão com a letra maiúscula H. Assim, temos os terminais H₁, H₂ e H₃. E os de baixa tensão com a letra maiúscula X, sendo X₀, X₁, X₂ e X₃. Nesse caso, o terminal X₀ corresponde ao neutro. Veja na Figura 95-14, a foto de um transformador de distribuição que ilustra a nomenclatura mencionada anteriormente.

Como o primário e o secundário podem ser conectados de diferentes formas, há pelo menos doze possíveis combinações.

De acordo com o deslocamento de fase que existe entre as tensões de linha nos dois lados do transformador, essas combinações podem ser organizadas em quatro grupos principais, conforme discriminado a seguir.

Cabe ressaltar que essa notação é derivada da posição do ponteiro de um relógio analógico. Quando o deslocamento de fase é 0°, subentende-se que o ponteiro está na vertical apontando para cima (aponta para o número 12 - tomado como referência - "zero"). Quando o deslocamento de fase é 180°, subentende-se que o ponteiro está na vertical apontando para baixo (aponta para o número 6, 180° da posição anterior - 6). E no caso de 30° atrasado, subentende-se que o ponteiro está apontando para o número 1 do relógio (observe que os ponteiros do relógio, quando considerados fasores, giram no sentido anti-horário). Por fim, quando há um adiantamento de 30°, o ponteiro está apontando para o número 11 do relógio.

Conexões em transformadores é um assunto extenso. Por isso, resolvemos tratar desse tema em um capítulo específico. Para acessar, clique aqui   ☞   Conexões em Transformadores.

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A maioria da potência gerada e transmitida em longas distâncias em um sistema é do tipo trifásico, isso devido a razões econômicas. Além disso, como o fluxo do terceiro harmônico criado por cada enrolamento está em fase, o tipo de enrolamento preferido é o tipo envolvente, porque fornece um caminho externo para esse fluxo. Assim, podemos afirmar que o enrolamento tipo envolvente fornece uma tensão com a forma de onda menos distorcida que o enrolamento tipo envolvido.

Os primários e os secundários de qualquer transformador trifásico podem ser ligados independentemente nas chamadas configurações estrela ( Y ) ou triângulo (Δ). Isso significa que um banco de transformadores trifásicos pode ser montado em um total de quatro configurações possíveis de conexão:

Essas configurações já foram estudadas no capítulo 83 - circuitos trifásicos, que pode ser revisitado em   ☞   Circuitos Trifásicos.

Para os transformadores trifásicos, os cálculos de impedância, regulação de tensão, eficiência e outros similares são realizados tomando uma fase de cada vez. Para isso, são usadas as mesmas técnicas que já foram desenvolvidas para os transformadores monofásicos.

A seguir, vamos discutir as vantagens e desvantagens dos tipos de ligação em transformadores trifásicos.

A ligação triângulo também é conhecida como ligação delta. E a ligação estrela também é conhecida como ligação Y - ípsilon.

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Como a maioria dos transformadores é projetado para operar no joelho da curva de magnetização, ou seja, na zona de saturação, tais projetos fazem as correntes induzidas e as forças eletromotrizes (FEMs) serem distorcidas. Isso acontece em razão do fato de que, embora as correntes de magnetização ainda estejam defasadas de 120° entre si, suas formas de onda não são mais senoidais. Dessa forma, se adicionarmos as correntes, elas serão diferentes de zero. Então, se o neutro não estiver aterrado, essas correntes são forçadas a se anular. Como resultado, elas distorcem a forma de onda da FEM, gerando harmônicos.

Assim, os transformadores trifásicos conectados em estrela - estrela são operados com neutros aterrados, ou seja, o neutro do primário está diretamente conectado ao da fonte de alimentação. Caso o neutro permaneça isolado e uma carga desequilibrada seja conectada ao secundário, a posição elétrica do neutro se deslocará, alterando as magnitudes das tensões de fase. A aterragem do neutro no primário evita essa condição de operação inadequada.

Para ilustrar esse fato, consideraremos os fasores fundamentais das tensões de fase balanceadas. Vamos denominá-los e_1A, e_1B e e_1C, tendo cada fasor magnitude e₁. A tensão do terceiro harmônico para cada fase é e₃. Num determinado momento, suas posições relativas são ilustradas na Figura 95.10. Como a frequência do terceiro harmônico da tensão de fase é três vezes maior que a fundamental, suas posições relativas variam no tempo, deslocando a posição do neutro N'. Esse fenômeno é conhecido como neutro oscilante. Assim, a máxima tensão em qualquer fase é dada por e₁ + e₃. A Figura 95-15 apresenta uma série de ilustrações do fenômeno do neutro oscilante.

Observe que os fasores das tensões são representados girando no sentido anti-horário. Para cada giro de 30°, o fasor e₃ gira três vezes esse valor, ou seja, 90°. Assim, a presença de harmônicos na tensão é indesejável, pois pode gerar altas tensões no isolamento dos enrolamentos. Portanto, o uso de um neutro aterrado ou de um enrolamento delta terciário permitirá um caminho para o terceiro harmônico da corrente, garantindo assim um fluxo senoidal e uma tensão de fase senoidal.

O circuito mostrado na Figura 95-16 é uma configuração estrela-estrela para o circuito primário do transformador. Observe que utilizamos letras maiúsculas para representar as tensões de linha e de fase. A Figura 95-17 apresenta o gráfico das tensões no primário. Nesta configuração, a tensão de linha está adiantada em 30° em relação à tensão de fase, ou seja, a tensão de fase está atrasada em 30° em relação à tensão de linha.. Por outro lado, em termos de magnitude, a tensão de linha é √3 vezes a tensão de fase.

De forma generalizada, podemos expressar, matematicamente, o que foi dito acima através da eq. 95-02.

Nas figuras Figura 95-18 e Figura 95-19, representamos o circuito do secundário do transformador e seus respectivos fasores. No secundário, utilizam-se letras minúsculas para representar os fasores. Todas as considerações feitas para o primário também são válidas para o secundário, inclusive as equações eq. 95-01 e eq. 95-02. No estudo de conexões de transformadores trifásicos que será estudado no próximo capítulo, essa configuração é denominada de Yy0 e pertence ao grupo 1. Isso ocorre porque a tensão do secundário aponta para o número 12 do mostrador de um relógio analógico. Essa posição é tomada como referência e representada pelo número ZERO. Por isso, recebe a denominação Yy0.

A conexão estrela-estrela é a mais econômica e possui vantagens e desvantagens. Vamos analisá-las.

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Nas figuras a seguir, as correntes de fase no enrolamento primário são representadas por I_AB, I_BC e I_CA no enrolamento primário enquanto as correntes de linha são representadas por I_A, I_B e I_C.

No enrolamento secundário, as correntes de fase são representadas por por I_ba, I_cb e I_ac, e as correntes de linha são representadas por I_a, I_b e I_c.

Atente para o fato de que o ângulo φ₂, nas figuras abaixo, representa o ângulo da carga. Ou seja, φ₂ representa o fator de potência da carga ou a defasagem entre a tensão nominal do transformador e a corrente de fase. Além disso, observa-se que não há diferença de fase entre as tensões do primário e secundário. Por essa razão, a conexão recebe a denominação de Dd0 e pertence ao grupo 1.

Nessa equação, θ_F representa o ângulo da corrente de fase e, ao subtrair 30° dela, encontramos o ângulo da corrente de linha.

A partir do gráfico da Figura 95-23 e do circuito mostrado na Figura 95-22, podemos escrever que:

Nessa configuração, os componentes do terceiro harmônico da corrente das três fases encontram-se defasados entre si de 120°, totalizando 360°. Assim, esses harmônicos encontram-se em fase e circulam no enrolamento do delta do primário. Essa corrente produz um fluxo senoidal, resultando em uma tensão senoidal no secundário.

Essa configuração é empregada em sistemas de energia em que grandes correntes e baixas tensões são utilizadas. Além disso, essa conexão é adequada quando a continuidade do serviço é necessária, mesmo que uma das fases apresente alguma falha. Quando operado dessa forma, o transformador fornece correntes e tensões trifásicas com a fase correta, mas sua capacidade é reduzida para 57,7% da capacidade nominal.

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Conforme a Figura 95-25 e a Figura 95-27, observa-se que a tensão de linha do secundário está 30° atrasada em relação à tensão de linha do primário. O mesmo acontece para as tensões de fase do primário e secundário. Por essa razão, essa configuração é denominada Yd1. Na Figura 95-27, nota-se que o fasor da tensão V_an aponta para o número 1 do mostrador de um relógio analógico. Por isso, a denominação Yd1. Essa configuração pertence ao grupo 3.

As correntes de terceira harmônica fluem dentro da malha providenciada pela conexão delta, gerando uma forma de onda senoidal. Com isso, não há problemas de distorção na forma de onda de saída, resultando em uma forma de onda senoidal.

Nessa configuração, podemos estabelecer uma relação entre a tensão de linha do primário e a tensão de linha do secundário. Designando V_1L para a tensão de linha do primário e V_2L para a tensão de linha do secundário, e considerando que "a" é a relação de transformação do transformador, obtém-se a eq. 95-05.

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O uso desse tipo de conexão permite que o neutro do secundário do transformador seja conectado à terra. É bastante popular como transformadores de distribuição quando é necessário reduzir a tensão para uso doméstico ou comercial. O neutro aterrado contribui para a segurança do sistema de distribuição e constitui um sistema de 4 fios. Dessa forma, esse sistema pode alimentar equipamentos trifásicos, usando as três linhas (ABC), bem como os sistemas monofásicos. Usando uma das três linhas disponíveis e o neutro, podemos formar um sistema monofásico. Assim, é possível alimentar equipamentos monofásicos como ventiladores, iluminação, rádios, televisores, computadores, etc.

Esta configuração também não é afetada pelo terceiro harmônico, pois a conexão delta do primário suprime as correntes de terceiro harmônico.

Comparando os gráficos mostrados na Figura 95-29 e na Figura 95-31, percebemos com facilidade que a tensão de linha do secundário está adiantada em 30° em relação à tensão de linha do primário. Em particular, no gráfico da Figura 95-31, percebemos que o fasor da tensão de fase, V_an, está apontando para o número 11 do mostrador de um relógio analógico. Por isso, essa configuração é conhecida como Dy11, pertencente ao grupo 4.

Por outro lado, observa-se que a relação entre a tensão de linha e a tensão de fase para o secundário é dada pela eq. 95-06.

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