128639-apost transformador - ifes

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO MÉDIA E TECNOLÓGICA CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO ESPÍRITO SANTO GERÊNCIA DE APOIO AO ENSINO COORDENADORIA DE RECURSOS DIDÁTICOS

M E C

TRANSFORMADORES

MÁRCIO ALMEIDA CÓ NILSON SANTOS MARCELLOS

SAMUEL ALVES DE SOUZA

Vitória – ES 2003

CEFETES Transformadores

TRANSFORMADORES............................................................................................................................3 1- INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................3

1.1 - Transformadores e suas Aplicações.............................................................................................3 1.2 - Definição - Segundo ABNT .......................................................................................................3 1.3 - Classificação dos Transformadores............................................................................................3

2 - CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS....................................................................................................4 2.1-Parte Ativa .....................................................................................................................................4 2.2-Comutador de Derivações..............................................................................................................5 2.3-Buchas - Alta Tensão e Baixa Tensão ............................................................................................5 2.4-Tanque............................................................................................................................................5 2.5-Placa de Identificação....................................................................................................................6

3 - RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO .............................................................................................................7 3.1 - Considerações Gerais ..................................................................................................................7 3.2 - A importância do terminal GUARD.............................................................................................8 3.3 - Valores Mínimos para as Resistências de Isolamento .................................................................9

ENSAIO I - MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO DE TRANSFORMADORES ....11 4 - RIGIDEZ DIELÉTRICA DO ÓLEO ISOLANTE .........................................................................................12

4.1 - Considerações Gerais ................................................................................................................12 4.2 - Tipos de Líquidos Isolantes........................................................................................................12 4.3 - Acompanhamento do Liquido Isolante.......................................................................................13

ENSAIO II - TESTE DE RIGIDEZ DIELÉTRICA.............................................................................14 5 - O TRANSFORMADOR IDEAL ...............................................................................................................15

5.1 - Funcionamento a Vazio..............................................................................................................15 5.2 - Funcionamento com Carga........................................................................................................15 2.5.3-Relação de Transformação .......................................................................................................16 5.4 - Impedância Refletida..................................................................................................................17

6 – POLARIDADE .....................................................................................................................................19 ENSAIO III - TESTE DE POLARIDADE.............................................................................................21

7 - TRANSFORMAÇÃO TRIFÁSICA............................................................................................................23 2.7.1 Transformador Trifásico Tipo Núcleo Envolvido......................................................................23 2.7.2-Transformador Trifásico Tipo Núcleo Envolvente....................................................................23 2.7.3 Conexões a um Sistema Trifásico ..............................................................................................24

8 - O TRANSFORMADOR REAL E CIRCUITOS EQUIVALENTES ..................................................................28 8.1 - Circuito Equivalente completo de um transformador Real........................................................28 8.2 - Circuitos Equivalentes para Transformador de Potência..........................................................29

ENSAIO IV - MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA DOS ENROLAMENTOS E DETERMINAÇÃO DAS PERDAS JÓULICAS DE TRAFOS TRIFÁSICOS .....................................................................31

9 - DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DO CIRCUITO EQUIVALENTE BASEADO NOS ENSAIOS À VAZIO E EM CURTO-CIRCUITO...............................................................................................................................33

9.1-Ensaio à Vazio..............................................................................................................................33 9.2 - Ensaio em Curto Circuito ..........................................................................................................35 2.9.3 Adaptação dos Ensaios à vazio e em Curto-Circuito para Transformadores Trifásicos ..........38

ENSAIO V - ENSAIO A VAZIO ............................................................................................................40 ENSAIO VI - ENSAIO DE CURTO-CIRCUITO .................................................................................42

10 - RENDIMENTO DOS TRANSFORMADORES ..........................................................................................44 11 - REGULAÇÃO DE TENSÃO DOS TRANSFORMADORES .........................................................................46 12 - PARALELISMO DE TRANSFORMADORES:...........................................................................................48 13 - DESLOCAMENTO ANGULA NAS CONEXÕES TRIFÁSICAS: ...................................................................49

13.1 - Conexão ∆ - Y , deslocamento angular : 330o.........................................................................50 13.2 - Conexão ∆ - Y, deslocamento angular 30o...............................................................................50 13.2 - Conexão ∆ - Y, deslocamento angular 30o...............................................................................51 13.3 - Conexão ∆ – Y , deslocamento angular 150o ...........................................................................52

1


13.4 - Conexão ∆ – Y, deslocamento angular 210o ............................................................................53 ENSAIO VII - DESLOCAMENTO ANGULAR ...................................................................................55

2


TRANSFORMADORES

1- Introdução

1.1 - Transformadores e suas Aplicações A localização das fontes de energia de que se dispõe na natureza, geralmente encontram-se afastadas dos centros de utilização originando grandes distâncias geográficas de separação entre usinas geradoras e centros consumidores. O aproveitamento energético destas fontes está vinculado, além de outros fatores, a condução econômica de blocos de energia desde o manancial até a região de consumo, o que implica no emprego de elevadíssimas tensões de transmissão, com o objetivo de reduzir perdas e diminuir bitola dos condutores, viabilizando-se tecnicamente a construção de linhas de transmissão. Por outro lado, devido a fatores de segurança de operação e isolamentos incipientes, os geradores elétricos das usinas normalmente não ultrapassam a faixa de 25 KV de tensão gerada, surgindo o transformador, dispositivo este capaz de elevar a tensão elétrica, além da faixa de 1 MV, possibilitando a criação das tensões elevadas tão necessárias em grandes sistemas de transmissão. Além de elevar tensões, o transformador também permite o rebaixamento destas tensões adequando-as aos equipamentos elétricos de utilização. A aplicação dos transformadores abrange todo o campo da eletrotécnica, desde unidades minúsculas de alguns VA, usados em controle e equipamentos eletrônicos, até os grandes transformadores da ordem de GVA.

1.2 - Definição - Segundo ABNT Chama-se transformadores estáticos ou simplesmente transformadores os dispositivos, sem partes necessariamente em movimento, os quais, por meio de indução eletromagnética, transferem energia elétrica de um ou mais circuitos(primário) para outro ou outros circuitos(secundário, terciário), mantida a mesma freqüência, mas geralmente com tensões e intensidades de corrente diferentes.

1.3 - Classificação dos Transformadores a)Quanto a função: Elevadores, Abaixadores, isoladores; Medidores , Casadores de impedância. b)Quanto ao número de fases: Monofásicos, Bifásicos, Trifásicos. c)Quanto a aplicação: Transmissão, Distribuição; Instrumentos (TP, TC); Áudio, RF (Rádio Freqüência).

3


d)Quanto ao tipo de núcleo Núcleo de ar - Rádio freqüência Núcleo ferromagnético - Potência e)Quanto a forma do núcleo: Núcleo envolvido ou Núcleo envolvente f)Quanto a refrigeração: Secos (Parte ativa envolta pelo ar) ou a óleo (Parte ativa imersa em líquido isolante)

2 - Características Construtivas

2.1-Parte Ativa - Núcleo; O núcleo é constituído por um material ferromagnético, que contém em sua composição o silício, que lhe proporciona características excelentes de magnetização e perdas. Porém este material é condutor e estando sob a ação de um fluxo magnético alternado, dá condições de surgimento de correntes parasitas. Para minimizar este problema, o núcleo, ao invés de ser uma estrutura maciça, é construído pelo empilhamento de chapas finas isoladas entre si. Estas chapas de aço, durante sua fabricação na usina, recebem um tratamento especial com a finalidade de orientar seus grãos. É este processo que torna o material adequado a utilização em transformadores, devido a diminuição das perdas específicas. - Enrolamentos; Os enrolamentos, primário e secundários, são constituídos de fios de cobre, isolados com esmalte ou papel, de seção retangular ou circular. O secundário, ou ,dependendo do caso, BT, geralmente constitui um conjunto único para cada fase, ao passo que o primário é fracionado em "panquecas", por motivos de isolamento e para facilitar a manutenção. São dispostos concentricamente com o secundário ocupando a parte interna e consequentemente o primário a parte externa, por motivos de isolamento e econômicos, uma vez que é mais fácil de "puxar" as derivações. Chamamos de derivação, aos pontos, localizados no enrolamento primário, conectados ao comutador. - Dispositivos de prensagem, calços e isolamento. Para que o núcleo se torne um conjunto rígido, é necessário que se utilize dispositivos de prensagem das chapas. São vigas dispostas horizontalmente, fixadas por tirantes horizontais e verticais. Devem ainda estar projetadas para suportar o comutador, os pés de apoio da parte ativa, suporte das derivações e ainda o dispositivo de fixação da parte ativa ao tanque. Os calços são usados em vários pontos da parte ativa e tem várias finalidades. Servem para constituir as vias de circulação de óleo, para impedir que os enrolamentos se movam, como apoio da parte ativa (neste caso chamado pé), e outras. Os materiais dos calços são vários e dentre eles podemos destacar o papelão(presspan), o fenolite e a madeira. O isolamento se faz necessário nos pontos da parte ativa onde a diferença de potencial seja expressiva, nos condutores, entre camadas dos enrolamentos, entre primário e secundário, entre fases e entre enrolamentos e massa.

4


2.2-Comutador de Derivações Tem por finalidade adequar a tensão do transformador à tensão de alimentação. - Tipo painel (maior durabilidade, menor custo); - Tipo rotativo (facilidade de operação); - Acionamento externo (não é necessário abrir o transformador)

2.3-Buchas - Alta Tensão e Baixa Tensão

Permite a passagem dos condutores dos enrolamentos ao meio externo. Constituição: - Corpo isolante - Porcelana vitrificada - Condutor passante - Cobre eletrolítico ou latão - Terminal - Latão ou bronze - Vedações - Borracha e papelão hidráulico

2.4-Tanque

Invólucro da parte ativa e recipiente do liquido isolante. Lateral, fundo, Tampa. Acessórios Normais: - Gancho ou olhais para suspensão; - Sistema de fechamento da tampa; - Janela de inspeção; - Dispositivo de drenagem e amostragem do líquido isolante; - Conector de aterramento; - Radiadores;

Todo o calor gerado na parte ativa se propaga através do óleo e é dissipado no tanque (tampa e sua lateral). As elevações de temperatura do óleo e dos enrolamentos são normalizados e devem ser limitadas para evitar a deteriorização do isolamento e do óleo. Dependendo da potência do transformador, ou melhor, de suas perdas, a área da superfície externa poderá ser insuficiente para dissipar este calor e é então necessário aumentar a área de dissipação. Para tal usam-se radiadores que poderão ser tubos ou elementos.

- Furo de passagem das buchas; - Visor do nível do líquido isolante;

- Placa de identificação.

Acessórios Especiais: - Conservador de líquido isolante com respirador, com indicador de nível de líquido isolante e bujão de drenagem.

- Comutador de derivações manobrável externamente; - Previsão para termômetro; - Torneira para amostragem para filtro; - Rodas bidirecionais;

- Conexões para filtro prensa;

5


- Previsão para desumidificador de ar (sílica-gel); Tem por finalidade eliminar a umidade do ar que entra no tanque de

expansão, quando do movimento de dilatação e contração do líquido isolante no interior do mesmo(respiração), afim de que sejam mantidos elevados índices dielétricos do óleo do transformador. Quando estão na cor azul estão secos ou vermelhos significando que estão úmidos.

- Relé de gás ( tipo Bulhhoz); É um dispositivo que tem por finalidade proteger aparelhos elétricos que

trabalham imersos em líquidos isolante, normalmente transformadores. - Termômetro mostrador com contato elétrico para alarme e desligamento; - Válvula de sobrepressão (alívio de pressão) e relé de súbita pressão.

2.5-Placa de Identificação - Fabricante; - Número de série de fabricação; - Mês e ano de fabricação; - Potência - KVA; - Norma utilizada para fabricação; - Impedância percentual Z%; - Tipo de líquido isolante; - Tensão primário, tensão secundário; - Diagrama de ligação; - Diagrama fasorial (trifásico) e polaridade; - Volume do líquido isolante em litros; - Massa total em kg; - Número da placa de identificação; - Tipo de identificação.

6


3 - Resistência de Isolamento

3.1 - Considerações Gerais A medida da resistência de isolamento de um transformador é o processo mais simples para a determinação do estado do material isolante. Em um transformador em funcionamento existe diferença de potencial entre as bobinas de alta tensão (AT) e baixa tensão (BT) - "∆V1", entre estas bobinas e as partes metálicas (carcaça e núcleo que estão aterrados) - "∆V2 e ∆V3", e ainda ddp entre duas espiras contíguas de um mesmo enrolamento - "∆V4",, como podem ser vistos na Fig.1.

∆V3

∆V2

∆V1

∆V4

Fig. 1 - Diferentes ddp's encontradas em um transformador em operação

Uma falha no isolamento provocariam correntes de "fuga" através do isolante, ocasionando perdas de potência, arcos voltáicos, deterioração do isolante e curto-circuitos. A medição da resistência de isolamento pode detectar e previnir estas falhas. A medição da resistência de isolamento é feita através dos Megôhmetros, que consistem em uma fonte de elevada tensão em série com um amperímetro, conforme a Fig.2, sendo disponíveis os terminais: Positivo (+), negativo (-R) e Guard.

Vin - Fonte de alta tensão

Guard

+

-R

Vin

Rin

Rin - Resistência interna

Rx - Resistência a ser medida

A - amperímetro

+, -R, Guard - terminais do Megohmetro amperímetro

Fig.2 - Diagrama interno de um Megôhmetro

7


A fonte de tensão "Vin" pode fornecer tensões entre 500 e 2500 V, a ABNT recomenda uma tensão mínima a ser aplicada em uma medição de 1000 V para transformadores até 69 kV, e de no mínimo de 2000 V para transformadores de classe superior a 69 kV.

3.2 - A importância do terminal GUARD O emprego do terminal Guard permite tornar a medida realizada mais precisa, ou seja independente das resistências indesejáveis que estejam associadas. Um exemplo típico desta situação é o caso em que se deseja medir a isolação entre o primário e o secundário de um transformador montado dentro de uma carcaça

metálica, conforme Fig.3.

Fig. 3 - Circuito Equivalente das resistências de isolamento de um transformador

ctarmos os terminais + e -R do megohmetro aos pontos AT e BT do

transfo

nectássemos o terminal Guard à carcaça do trresultan

R

R

C

R

AT BT

AT-BT

BT-CAT-C

RAT-BT - Resistência de Isololamento entre os lados AT e BT

RAT-C - Resistência de Isololamento entre o lado AT e a carcaça

RBT-C - Resistência de Isololamento entre o lado BT e a carcaça

Se conermador, imaginando medir a resistência RAT-BT, estaremos incorrendo num erro,

pois como a resistência das espiras de cada lado do transformador é desprezível quando comparada com as resistências de isolamento, para o megohmetro aparecerá RAT-BT em paralelo com (RAT-C + RBT-C ).

Caso co ansformador o circuito te seria aquele mostrado na Fig. 4. Neste caso a resistência RBT-C está em

paralelo com o amperímetro, equipamento de baixíssima resistência equivalente, portanto sem influência na medida. Já pela resistência RAT-C circulará uma corrente que não passa pelo o amperímetro , portanto não afeta a leitura.

8


Guard

+

-R

R

R

AT-BT

BT-C

AT-C

Vin

Rin

i

i1

i1

i 2

i 2

R

Fig. 4 - Medição utilizando o terminal Guard

3.3 - Valores Mínimos para as Resistências de Isolamento

Os valores das medidas deverão ser iguais ou superiores aos mostrados nas

expressões a seguir, especificados pela norma NBR 7036/91. Como a temperatura influencia muito na medida, e a expressão (1) fornece a resistência mínima de isolamento por fase para um valor medido à 75o, devemos corrigi-la para a temperatura em que foi realizado o ensaio, através das equações (2) e (3):

fP

ER om

×=

65,275 (1)

(2)

amtm oo RR 275 ×=

1075 ta −

= (3)

nde ,

m75o = Resistência mínima de isolamento a 75o, por fase

ura t o qualquer, por fase

o

RRm t

o = Resistência mínima de isolamento a uma temperatE = Classe de tensão do isolamento do transformador em kV P = Potência do transformador por fase em kVA f = freqüência de operação do transformador em Hz

9


Para ensaios com transformadores trifásicos as buchas de BT e AT são curto-

Índice de Polarização: avaliar as condições da isolação se dá através da

term

CONDIÇÃO DA ISOLAÇÃO ÍNDICE DE POLARIZAÇÃO

circuitadas, portanto a resistência medida corresponde a um terço da resistência de isolamento por fase, devido a associação em paralelo das mesmas. Portanto para se efetuar as comparações, deve-se multiplicar o valor lido por três. Outra maneira de se de inação do índice de polarização (IP), que é calculado dividindo-se a resistência de isolamento medida aos 10 minutos pela resistência medida a 1minuto. Comparando o valor encontrado com a referência dada na tabela abaixo.

Perigosa IP < 1,00 Pobre 1,00 < IP < 1,10 Questionável 1,10 < IP < 1,25 Satisfatória 1,25 < IP < 2,00 Boa IP > 2,00

PORTANTE:

e simples medição da resistência de isolamento utilizando-se o egôh

IM Uma únicam metro nos dá uma idéia das condições do isolante de um equipamento, porém esta medida não é decisiva. Para se ter condições de avaliar com mais rigor o isolamento é importante que se tenha um acompanhamento das medições ao longo do tempo de operação do referido equipamento. Desta forma é possível inclusive fazer uma previsão de até quando um equipamento pode permanecer em funcionamento, sob o aspecto do isolamento.

10


ENSAIO I - Medição da Resistência de Isolamento de

das resistências de isolamento do trafo trifásico.

Megôhmetro MG 5200 AS

transformador dever estar desenergizado e imerso em líquido isolante.

ar os terminais de alta tensão;

;

terminal de alta tensão e o outro ao terminal de baixa tensão;

- egôhmetro na carcaça do transformador( Explique por que?);

- resistência de isolamento e anotar na Tabela a seguir:

e os terminais de alta tensão e a carcaça, conectando o GUARD no terminal de baixa tensão e anote o

- edir a resistência de isolamento entre os terminais de baixa

tensão e a carcaça, conectando o GUARD no terminal de alta tensão e anote o valor

OBS: Após efetuar uma medição, desligue o megôhmetro, aguarde seu "LED"

pagar para efetuar a outra ligação.

Resistência de Isolamento (MΩ)

Transformadores Objetivo: Determinação Instrumentos: Transformador Y-∆ Condições de Ensaio O Procedimento: - Curto-circuit - Curto-circuitar os terminais de baixa tensão - Conectar um dos bornes do instrumento ao

Conectar o GUARD do m

Medir a

- Repita a operação para medir a resistência de isolamento entr

valor na Tabela a seguir.

Repita a operação para m

na Tabela a seguir.

a Tabela: Resistência de Isolamento

Ligações

AT/BT AT/carcaça BT/carcaça

- Utilizando as equações 1, 2 e 3, verifique se as resistência de isolamento estão acima

do mínimo especificado por Norma (considerar a temperatura ambiente de 25º).

- Que conclusão pode-se chegar quanto ao o estado do isolamento do transformador?

11


4 - Rigidez Dielétrica do Óleo Isolante

4.1 - Considerações Gerais

Rigidez dielétrica é a propriedade de um dielétrico de se opor a uma descarga e de potencial sob a qual se expressa esta descarga.

Na operação dos transformadores as perdas geradas sob forma de calor devem

r de

e sólido se dá com a elevação de temperatura do mesmo, daí a port

Óleos Minerais gados como isolantes, e obtidos da destilação

acionada do petróleo. Os óleos minerais são constituídos de hidrocarbonetos que, sob a ação do calor reagem com o oxigênio dissolvido no óleo, gerando compostos oxigena

mada de um transformador.

de PCB (befenilas policloradas), com ótimas características dielétricas. Entretanto são compostos insolúveis em água, não biodegradáveis e altamente cancerígenos. No Brasil a fabricação do PCB foi proibid

olução para substituição do ascarél, suas principais características são: boa estabilidade térmica e à oxidação, inércia química, elevado ponto de fulgor e ignição, não tóxico e biodegradável. Sua rigidez dielétrica é afetada pela umidade e impure

disruptiva medida pelo gradient ser transferidas para o meio externo, de modo a limitar a temperatura de trabalho dos isolantes sólidos, isso ocorre através da convecção natural de um líquido transmissocalor. Este líquido além de boas características de condução térmica, deverá satisfazer as exigências de eletroisolantes, ser compatível com os materiais utilizados na construção dos transformadores, suportar diferenças de temperatura e apresentar estabilidade química. A vida útil do transformador está diretamente ligada à vida do material empregado, em especial ao isolamento sólido ( papel e verniz dos enrolamentos). A degradação do isolantim ância de um sistema eficiente de troca de calor. Portanto a principal função do isolante fluido é a refrigeração, e quanto melhores forem suas características dielétricas menores serão as dimensões do transformador.

4.2 - Tipos de Líquidos Isolantes

São os mais antigos emprefr

dos com polaridade elétrica e água, reduzindo a rigidez dielétrica do mesmo. Portanto os principais "inimigos" das boas condições do óleo isolante são o excesso de temperatura e o contato com o oxigênio.

Para minimizar os efeitos da oxidação do óleo, os transformadores mais recentes têm sido dotados de sistema de preservação do óleo selados (sem contato óleo-oxigênio), podendo dobrar a vida útil esti

Devido a sua inflamabilidade fácil, sua utilização é restrita a ambientes que ofereçam segurança em relação a riscos de incêndio.

Ascaréis São fluidos isolantes resistentes a fogo a base

a desde 1980. Silicones Surgiu como s

zas sólidas. Tem como grande desvantagem o alto preço.

12


Outros líquidos isolantes ovas tecnologias estão sendo introduzidas lentamente e de forma experimental

nos me ados da Europa e EUA, dentre esses novos líquidos isolantes podemos citar: Ésteres loroetileno e R-Temp (óleo mineral de elevada massa molecu

anhamento do Liquido Isolante

Existem vários ensaios físico-químicos que podem avaliar as condições do óleo terial. Estes ensaios, bem como os

rocedimentos para efetuar a coleta e os tipos de tratamento de óleo podem ser estudad

Nrc Orgânicos, Ugilec, Tetraclar).

4.3 - Acomp

isolante, depois de efetuado a coleta do map

os em literatura técnica específica. Dentre esses, o Ensaio de Rigidez Dielétrica permite uma análise rápida das condições do material.

13


ENSAIO II - TESTE DE RIGIDEZ DIELÉTRICA Objetivo: Verificar as condições do óleo mineral quanto a sua rigidez dielétrica Instrumentos:

Testador de Rigidez Dielétrica Procedimento: O método consiste em colocar o óleo sob teste em um recipiente adequado, onde estará imerso dois eletrodos em forma de disco distanciados corretamente. Eleva-se a tensão até o ponto chamado: "tensão de ruptura", quando há o rompimento do dielétrico. A tabela abaixo mostra as tensões de ruptura e as respectivas condições do óleo mineral, para a distância padrão de 2,54mm (0,1 pol.) entre os eletrodos.

Tensão de Ruptura (distância entre eletrodos = 2,54mm)

Condições do Isolante

Acima de 35 kV Excelente De 30 a 35 kV Muito Bom De 25 a 30 kV Bom De 25 a 20 kV Satisfatório De 15 A 20 Kv Duvidoso: Recomenda-se

tratamento Abaixo de 15 kV Rejeitável: Tratamento

urgente Valor encontrado no ensaio: Conclusão:

14


5 - O Transformador Ideal Considere um transformador com um enrolamento primário de N1 espiras e um enrolamento secundário de N2 espiras, como mostrado na Fig.5. Suponha-se que as propriedades deste transformador são idealizadas no sentido de que as resistências dos enrolamentos são desprezíveis, todo o fluxo está confinado ao núcleo e se concatena com ambos enrolamentos, as perdas no núcleo são desprezíveis, e a permeabilidade magnética do núcleo é tão alta que apenas uma corrente de excitação desprezível é necessária para estabelecer o fluxo. Estas propriedades são aproximadas mas nunca realmente atingidas nos transformadores reais. Um transformador hipotético tendo estas propriedades é freqüentemente chamado de transformador ideal.

5.1 - Funcionamento a Vazio. Considere um transformador ideal , de núcleo de ferro, como mostrado na fig. 5:

H2 X2

X1H1

N1 N2

Φm

E2

Im

E1 V2V1

Fig. 5 - Transformador ideal a vazio

A tensão V1 quando aplicada aos terminais da bobina de N1 espiras faz circular por esta uma corrente que produz o fluxo φm no circuito magnético. A variação de φm no tempo induz uma fcem E1 no enrolamento primário, que pela lei de Lenz, tem sentido contrário a causa que lhe deu origem, V1 . A variação no tempo também induz a fcem E2.

5.2 - Funcionamento com Carga Considere um transformador ideal, de núcleo de ferro, como mostrado na fig. 6:

15


Supondo que a carga ZL seja indutiva, esta produzirá uma corrente I2 atrasada em relação a E2 de um ângulo θ2 .

φR φ'1 I2

H2 X2

X1 H1

N1 N2

φm

E2

Im + I'1

E1 V2 V1

φ'1 = φR

ZL

Fig. 6 - Transformador ideal com carga

Esta corrente passando pelo secundário faz com que os ampères espiras secundários criem um fluxo de reação desmagnetizante , φR , que reduz o fluxo mútuo , φm , resultante no circuito magnético, provocando a redução instantânea de E1 e E2 . Esta diminuição causada pela diminuição do fluxo resultante no circuito magnético faz o fluxo criado pela corrente primária reagir tendendo a diminuir o efeito desmagnetizante do fluxo de reação φR . Para isto, mais corrente primária é drenada da fonte. Como a corrente de magnetização é considerada constante, ao acréscimo de corrente primária surgido pela diminuição de E1 e E2 , denomina-se componente

primária da corrente de carga , I1' . Esta corrente I1' é tal que, para que o fluxo resultante seja restabelecido em seu valor original , os ampères espiras primários criados por esta corrente I1' deverão ser iguais aos ampères espiras secundários N1 I1' = N2 I2 Desta forma vê-se que a corrente primária I1 é a soma vetorial desta componente

de carga I1' com a corrente de magnetização Im .

2.5.3-Relação de Transformação

tm

11 ∆φ∆

×Ν−=Ε tm

22 ∆φ∆

×Ν−=Ε (4)

e 11 EV ≅ 22 EV ≅ (5)

α==2

1

2

1

NN

VV

(6)

α = Relação de Transformação

16


Como a força magnetomotriz incremental ( N1 I1' ) é igual a força

magnetomotriz desmagnetizante (N2 I2 ):

N1 I1' = N2 I2 (7)

1

2

2

1'

NN

II

= (8)

Considerando-se para um transformador real I1' >> Im logo, I1' = I1

α1

NN

II

1

2

2

1 == (9)

5.4 - Impedância Refletida Considere um transformador ideal , de núcleo de ferro, como mostrado na fig. 7. Há uma impedância ZL no secundário do transformador, qual o valor esta teria no lado primário?

I

V E1 1

11

1 2

2

22

L2E

Z Z

Z

NN

V

I

Fig. 7 - Transformador Ideal

Para qualquer valor de impedância de carga ZL , a impedância vista do

secundário é:

2

22 I

V== ZZ L (10)

1

11 I

V=Z (11)

17


222

11 VV

NN

V ×=×= α (12)

221

21 I1I

NN

I ×=×=α

(13)

Substituindo ( 12 ) e ( 13 ) em ( 11 ), chega-se a:

22

2

221 Z

IV

Z ×=×= αα (14)

A transferência de uma impedância de um lado do transformador para outro é

chamada referir a impedância ao outro lado. Os dois circuitos da fig. 8 abaixo são idênticos desde que seu desempenho seja observado dos terminais ab.

Fig. 8 - Impedância referida ao primário

xercícios:

1-Um transformador de 4,6 KVA , 2300/115 V , 60 Hz foi projetado para ter uma fem

) 5)

a

b

1

1

2

221 Z

NNV

Ia

b

V1

1

1 2

2

22 Z

NN

V

I I

E 0induzida de 2,5 volts/espira. Imaginando-o um transformador ideal, calcule: a)O número de espiras do enrolamento de alta, Na; (920 espiras) b)O número de espiras do enrolamento de baixa, Nb; (46 espiras) c)A corrente nominal para o enrolamento de alta, Ia; (2 A) d)A corrente nominal para o enrolamento de baixa, Ib; (40 A e)A relação de transformação funcionando como elevador. (0,0 f)A relação de transformação funcionando como abaixador. (20)

18


02-O lado de alta tensão de um transformador abaixador tem 800 espiras e o lado de

mário a partir da relação entre tensão e a corrente rimár

de entrada do primário por meio da equação .

3-Um servo-amplificador CA tem uma impedância de saída de 250 Ω e o servo-motor

o acoplamento da pedâ

m 10 espiras. (100 espiras)

6 – Polaridade

A marcação de polaridade dos enrolamentos do transformador indica quais são os term

s no mesmo sentido a polaridade

Fig. 9 - Transformador com polaridade Adjacente

Se o primário e o secundário são enrolados em sentidos opostos a polaridade

visto na Fig. 10

baixa tensão tem 100 espiras. Uma tensão de 240 V é aplicada ao lado de alta e uma impedância de carga de 3 Ω é ligada ao lado de baixa tensão, calcule: a)Corrente e tensão secundárias; (10 A , 30 V) b)Corrente primária; (1,25 A) c)Impedância de entrada do prip ias; ( 192 Ω) d)Impedância 0CA, que ele deve acionar, tem uma impedância de 2,5 Ω. Calcule: a)Relação de transformação do transformador que façaim ncia do servo-amplificador à do servo-motor; (10) b)Número de espiras do primário se o secundário te

inais positivos e negativos em um determinado instante. A polaridade depende de como são enroladas as bobinas do primário em relação ao secundário, que podem ter o mesmo sentido ou enroladas em sentidos opostos. Se o primário e o secundário são enroladoinstantânea se dá no mesmo lado dos dois enrolamentos. Para identificar esta polaridade, os terminais do primário e secundário, que estão do mesmo lado, recebem a mesma numeração ( exemplo H1 e X1). Isto na realidade significa que, quando o terminal H1 for positivo o terminal X1 também será positivo. Este transformador é dito de polaridade adjacente, visto na Fig. 9

X1

X2

Polaridade

H2

H1

VH1-H2

VX1-X2

instantânea também será estabelecida em lados opostos. Para identificar esta polaridade, os terminais do primário e secundário, que estão em posição opostas, recebem a mesma numeração ( exemplo H1 e X1). Este transformador é dito de polaridade invertida,

19


Fig. 10 - Transformador com polaridade Invertida

A determin cos é importante principalmente quando se faz necessário associação em paralelo ou montagem de

X2

X1

Polaridade

H1

H2

VX2-X1

VH1-H2

ação das polaridades dos transformadores monofási

bancos trifásicos a partir de transformadores monofásicos. Os dois métodos consagrados para determinar a polaridade são: método do golpe indutivo e método dos três voltímetros CA.

20


Ensaio III - Teste de Polaridade Objetivo: Determinação da polaridade de trafos monofásicos. Instrumentos: Transformador monofásico; Pilha 1,5V ou fonte CC; Milivoltímetro; Voltímetro. Finalidade O conhecimento da polaridade de trafos monofásicos se faz necessário para a conexão de transformadores em série ou em paralelo ou em bancos trifásicos; Condições de Ensaio O transformador dever estar desenergizado. Procedimento: 1) Golpe Indutivo - Monte o esquema a seguir, considerando que o transformador possui polaridade adjacente.

S

1,5 V Vc

H1

H2

X1

X2

- Observar que no voltímetro CC a polaridade importa no deslocamento do ponteiro;

neste caso, o ponteiro deve desloca-se para o fim da escala, quando a chave S for fechada; caso contrário, significa que a polaridade assumida como adjacente não se confirmou; sendo assim, a polaridade só pode ser invertida.

21


2) Método da Corrente Alternada (três voltímetros) - Ajustar a fonte de tensão para zero Volts; - Ligar entre si os bornes adjacentes, um de tensão superior e outro de tensão inferior; os de baixo, por exemplo. Ver Figura a seguir:

H1

H2

V2 V1

V3 - Ajustar a fonte de tensão para 70 Volts e anotar as tensões nos voltímetros V2 e V3 ;

X2

X1 H1

H2

V3 = V1 - V2

V2

V3

Polarida Adjacente: V1- Caso a tensão V2= V1 - V3 Neste caso, a ligação é subtrativa.

V2

X1

X2

H2

H1

V1

V3

Polarida Invertida: - Caso a tensão V2=V1+V3 Neste caso, a ligação é aditiva.

V3 = V1 + V2

22


7 - Transformação Trifásica As transformações trifásicas podem ser feitas com um transformador trifásico ou com um banco de três transformadores monofásicos. As vantagens do transformador trifásico em relação ao banco de três transformadores monofásicos podem assim ser resumidas: - Menor espaço ocupado na instalação (mais compacto); - Menor peso; - Menor custo. As desvantagens do transformador trifásico em relação ao banco de três transformadores monofásicos podem assim ser resumidas: - Reserva mais cara; - Maior peso por unidade; - Transporte mais difícil;

- Defeito em uma fase pode comunicar às outras fases. Os fenômenos da indução eletromagnética que regem o funcionamento de um transformador trifásico são mesmos que para um transformador monofásico. A diferença reside no fato de se ter tensões aplicadas entre as bobinas defasadas de 120o , fluxos produzidos no núcleo defasados de 120o e tensões induzidas também defasadas de 120o.

2.7.1 Transformador Trifásico Tipo Núcleo Envolvido A Fig.11 mostra a forma de um núcleo de um transformador trifásico, tipo envolvido, onde a resultante dos fluxos em duas colunas quaisquer é exatamente igual e oposta ao fluxo na terceira coluna. Isto quer dizer que, em um instante qualquer, a soma dos fluxos para cima em duas colunas é igual ao fluxo para baixo na terceira coluna.

Fig. 11 - Núcleo trifásico tipo envolvido

2.7.2-Transformador Trifásico Tipo Núcleo Envolvente A Fig.12 mostra a forma de um núcleo de um transformador trifásico, tipo

envolvente. Os valores do fluxo no núcleo com todos os enrolamentos conectados da mesma forma (primário e secundário com mesma polaridade) são:

φA CB φφ

23


- As partes D e E possuem metade das partes A, B, C, e as partes F e G possuem 0,866 d

As três fases d igadas a um sistema trifásico de

polaridade de cada enrolamento, isto é, o princípio e o fim de ada bobina, a conexão em estrela consiste em ligar os fins de cada fase a um ponto

c, às linhas do sistema trifásico, conforme Fig.13.

A conexão em triângulo ou delta é feita ligando-se o fim do enrolamento de uma se com o início do enrolamento da fase seguinte, conforme Fig.14.

A conexão em zig-zag ou Z é uma derivação da conexão em estrela, com a iferença que o enrolamento de cada fase é dividido em duas metades, dispostas sobre

as em série entre si, em sentido contrário uma em relação outra e a conexão entre os seis enrolamentos assim obtidos é feita como indica o

as partes A, B, C. E para os enrolamento primário e secundário do núcleo B invertidos: -As partes D, E, F e G possuem metade das partes A, B, C.

Fig. 12 - Núcleo trifásico tipo envolvente

2.7.3 Conexões a um Sistema Trifásico

A

D E FA G

CB

D E F G

e um transformador trifásico podem ser l

três maneiras distintas. a) Conexão em Estrela ou Y Conhecendo-se accomum N, e os princípios a,b, b) Conexão em Triângulo ou Delta ( ∆ ) fa c) Conexão em Zig-Zag ou Z dduas colunas distintas, agrupadadiagrama da fig.15.

24


Fig. 13 - Conexão em estrela - Y

V

V

V

3 VV

V

V

-V

V

V

-V

- V

- V

- V

V

V-V

CA

CA

CA

fL

CN

CN

BN

3060

oo

f

AN

AN

CN

CN

AN

BN

BN

BNAN

N

V

V

V

BC

BC

BC

V

VV

AB

=

=

=

=

AB

I ICN CN

I

I

I

I

I

I

BN

f

BN

=L

3

VAB

II

AN

AN

25


V

-I

-I

- I

- I

- I

CA

CA

CA

f

f

L

C BN

60o

A

A

A

C

C

C B

B

B A

BC

BC

BC

V

I I I

I

I

I

I

I

I

I I

I

I

I

I

AB

AB

=

=

=

=

AB

I I

V

V V

V V

A AB

AB

BCCA

f = L

3

3

B I

C I CA I

BC I

V

30o

-I

Fig.14 - Conexão em Delta - ∆

26


1 3 5X X X

Fig.15 - Conexão em Zig-Zag

'''

V

VV

V

V

V

-V

V

-V

-V

A

1

1

1

3

3

3

5

5

5

A

X

X

X

C

A

C

B

B

''

'

A

N

V

C

C

X

X

VVV

V V V

V

B

B

X

27


8 - O Transformador Real e Circuitos Equivalentes

r Real

Num transformador real deve-se considerar as perdas no núcleo, os fluxos as dos fios dos

nrolamentos.

de um transformador de potência. Este modelo matemático denomina- circu

Fig. 16 - Circuito equivalente completo de um transformador real

R1

R2 Resistência ôhmica do enrolamento secundário; to primário;

secundário;

e pelo primário;

;

rmador.

8.1 - Circuito Equivalente completo de um transformado

dispersos no primário e secundário, bem como as resistêncie Na análise e resolução de certos problemas encontrados no cotidiano é de muita valia um modelo matemático que descreva com razoável aproximação e clareza o comportamentose ito equivalente. Através da técnica do circuito equivalente baseada no raciocínio físico foi desenvolvido o circuito equivalente do transformador real, cuja representação é dada abaixo na fig. 16:

,r 1 r 2 x L1 x L2 I1I 1 2I

V 1 r p lm

1

2

LZxImI p

NN

2V

0 I

TRANSFORMADOR IDEAL

E1 E2

Resistência ôhmica do enrolamento primário; XL1 Reatância indutiva de dispersão do enrolamen XL2 Reatância indutiva de dispersão do enrolamento Rp Resistência relativa as perdas no núcleo; Xlm Reatância indutiva relativa a magnetização do núcleo; Ip Corrente relativa as perdas no núcleo; Im Corrente relativa a magnetização do núcleo; Io Corrente de excitação; I1' Componente primária da corrente de carga; I1 Corrente drenada da red I2 Corrente fornecida a carga pelo secundário; E1 Tensão induzida no enrolamento primário E2 Tensão induzida no enrolamento secundário; V1 Tensão da rede aplicada ao primário; V2 Tensão nos terminais do secundário do transfo

28


A determinação dos parâmetros do circuito equivalente de um transformador é de ensaios de medição da resistência dos enrolamentos, ensaio a vazio e

.2 - Circuitos Equivalentes para Transformador de Potência

Fig. 18 - Circuito equivalente aproximprimário

despreza a queda de tensão na impedância do primário devido a corrente de

Fig. 19- Circuito equivalente sim

obtido através de curto-circuito.

8

,r x 2 αx L2α2r 2

Fig. 17 - Circuito equivalente de um transformador de potência referido ao primário (satisfaz as condições a vazio e carregado, modelo mais completo)

V1 r p

x lm LZ2V

ImIp

0I

2αα

1 L1 I1I1

ado de um transformador de potência referido ao

r p xlm

ImIp

0I

V1

X1E R 1E

LZ2V

2αα

I1

(satisfaz as condições a vazio e carregado, modelo aproximado, facilita o trabalho de cálculo,

excitação)

plificado de um transformador de potência referido ao primário

(satisfaz a condição carregado, despreza a corrente de excitação, útil na solução de

V1

X1E

Z1E

R 1E

LZ2V

2αα

+xL1

2x L2α r 1+2r 2α

+xL1

x L2α r 1+2r 2α2

I1

problemas de regulação de tensão, e cálculo de curto-circuito)

29


I1

Fig. 20 - Circuito equivalente sim dor de potência de várias

equivalente referida ao primário(RE1

04-Um transformador abaixador de 500 KVA, 60 Hz, 2300/230 V, tem os seguintes parâmetros: R1=0,1 Ω , XL1=0,3 Ω , R2=0,001 Ω , XL2=0,003 Ω. Quando o

r é usado como abaixador e está com carga nominal, calcule: ntes primária e secundária; (I =217,5 A , I = 2175 A)

I2Z2=6,88 )

d)Fem induzidas primária e secundária, imaginando-se que as tensões nos rmina

ões terminais.

exercício

de carga; (ZL=0,1055 Ω) ância primária de entrada; (Z =10,55 Ω)

L 2 P 1âncias do item (c).

6-Par

rida ao primário; (RE1=0,2 Ω) Ω)

rimário; (ZE1=0,632 Ω) a) referida

plificado para transformacentenas de KVA referido ao primário

(satisfaz a condição carregado, despreza a corrente de excitação e a resistência ), útil para cálculo de regulação de tensão e curto

V1LZ

2V2

αα

circuito)

Exercícios:

transformado a)Corre 1 2 b)Impedâncias internas primária e secundária; (Z1=0,316 Ω e Z2=0,00316 Ω) c)Quedas internas de tensão primária e secundária; ( I1Z1=68,8 V e V

te is e induzidas estão em fase; (E =2.231,2 V e E =236,88 V) 1 2 e)Relação entre as fem induzidas primária e secundária, e entre as respectivas tens 05-Apartir das tensões terminais e correntes primárias e secundárias doanterior, calcule: a)Impedância b)Imped P c)Compare Z com Z e Z com Z ; d)Estabeleça as diferenças entre as imped

0 a o transformador dado no exercício 04, calcule: a)A resistência interna equivalente refe b)A reatância interna equivalente referida ao primário; (XE1=0,6 c)A impedância interna equivalente referida ao p d)A impedância secundária equivalente a uma carga de 0,1 Ω(resistivao primário; (10 Ω) e)A corrente primária de carga se a fonte é de 2300 V. (225 A)

X1E

30


E io IV - Medição da Resistência dos Enrolamentnsa os e eterminação das Perdas Jóulicas de Trafos Trifásicos

bjetivo: Este ensaio visa medir a resistência ôhmica dos enrolamentos e calcular as Perdas

os: Transformador Y-∆

Esquema de Ligação Interna:

Onde: Rcua - Resistência efetiva dos enrolamentos de alta tensão Rcub - Resistência efetiva dos enrolamentos de baixa tensão Procedimento - Antes de começar a medir as resistências, verifique se o transformador está

energizado.

o valor lido para as sistências dos enrolamentos.

contar a resistência dos cabos de ligação e anotar na tabela a seguir:

os s sim as dos terminais acessíveis.

D O

Jóulicas de Transformadores Trifásicos Instrument Ponte de Wheathstone

Vista Externa do Trafo Trif.:

X1 X2 X3 X0

X1 X2 X3 X0

Rcu

Rcu

H1 H2 H3

H1 H2 H3 a

b

des -Medir as resistências dos cabos de medição para descontar dre -Medir as resistências ôhmica entre os terminais de alta tensão ( H1, H2, H3), des

Obs.: Observar que essas medidas não são as resistências efetivas dos enrolament(internas) do transformador, ma

31


Terminais Resistência (m Ω) H1-H2 H2-H3 H1-H3

- Determine a resistência efetiva dos enrolamentos de alta tensão. R 1,5 . ( R 1-H2 + R H2-H3 + R H1-H3)cu =a H

[m Ω]

3

( X1, X2, X3), escontar a resistência dos cabos de medição e anotar na tabela a seguir:

Terminais Resi ência

- Medir as resistências ôhmicas entre os terminais de baixa tensão d

st (m Ω)X1-X2 X2-X3 X1-X3

Rcub = 0,5 . ( R X1- -X3 +X2 + R X2 R X1-X3) [m Ω] 3 - Calcular as corrent e da alta fa) e baixa tensão (Ifb), usando os dados de placa

o transformador

= Pn /(3 . V a) [A Ifb = Pn /(3 . Vfnb) [A] nde:

ão nominal do transformador de fase (lado de alta); Vfnb - Tensão nominal (fase-neutro) do transformador (lado de baixa);

lar as perdas jóulicas no lado de alta e baixa do transformador, com os dados

obtidos

]

Pt = Pja + Pjb [ W ]

Preencher a Tabela a seguir:

Rcub =

es de fas (Id

Ifa fn ] O

Pn - Potência nominal do transformador; Vfna - Tens

- Calcu anteriormente:

Pja= 3. Rcua . (Ifa)2 [ W ] Pjb= 3. Rcub . (Ifb)2 [ W - Calcular a perda jóulica total do trafo:

-

Rcua = Alta Ifa = Baixa Ifb = Total Pja = Pjb = Pt =

Verifique o percentual que representam estas perdas em relação à potência nominal.

32


9 - Dete ção arâm tros do C o Eq lente aseado noEnsaios à Vazio e em Curto-circuito.

Quando não se tem em mãos os valores dos parâmetros cedidos pelo fabricante, nos

ensaios à vazio e em curto-circuito.

.1-Ensaio à Vazio

- Perdas no núcleo (histerese e foucault); - Corrente a vazio;

nsformação teórica; - Parâmetros do ramo magnetizante;

- Rendimento.

e

é submetido a uma intensidade de campo agné iedade de resistir ao movimento imposto aos seus

na orientação dos mesmos (histerese). Todo movimento os domínios é acompanhado de fricção, que produz calor no núcleo do material rrom ipação de energia sob forma de calor.

Para reduzir as perdas por histerese usa-se materiais doces com baixa

= Co

= Freqüência

te Parasitas (foucault)

po induz uma força eletromotriz no núcleo (material condutor de alta resistividade), consequentemente aparecem

orrentes induzidas circulares no núcleo ferromagnético que dissipam energia sob forma e calor, originando perdas. Estas perdas são acentuadas quanto mais livre for o

caminho deixado para circulação da corrente. Se a peça é volumosa e única o caminho ode ser longo e as perdas acentuadas. Por isso, utilizam-se pacotes de lâminas de

rmina dos P e ircuit uiva B s

pode-se obtê-los através da manipulação matemática dos resultados colhidos

9 Com este ensaio pode-se determinar:

- Relação de tra - Impedância equivalente; Perdas por Histeres Quando um material ferromagnéticom tico, ele possui uma proprdomínios causando um atrasodfe agnético ou seja há diss coercitividade com introdução de certa percentagem de silício no ferro.

W/kg10fBP 81,6h

−×××=η P = Perdas por histerese h

η eficiente de Syemmetz ( depende do tipo de material utilizado) = Indução máxima ( densidade de fluxo ) B

f

Perdas por Corren

A variação do fluxo magnético no temferromagnético cd

ppequena espessura isoladas entre si por vernizes e ou óxidos na construção dos núcleos de transformadores, para diminuir o caminho disponível para corrente.

33


W/kg10Bf22,2P 1121,62f

−××××= α

Pf = Perda por corrente de Foucault f = freqüência

= Densidade de fluxo Bα = Espessura do material condutivo

inal do enrolame que o voltím 3-Lê-se a pot rrente de excitação (Io), nos respectivos instrumentos.

tensão muito alta, é usual e mais seguro, executar-se o ensaio a vazio t

pelas correntes parasitas, tomadas em conjunto, onstituem o que se denomina perdas no núcleo (ferro), supondo que a voltagem

p quena, bem como a resistência do

h fPCo Perdas no cobre a vazio (despreza-se)

Procedimento do Ensaio

Fig. 21 - Ligação Típica para o ensaio a vazio

1- Monta-se o circuito conforme a Fig.21. 2-Ajusta-se a fonte CA regulável desde zero até a tensão nom

nto em etro está ligado.

1 2

22N

X HN

ência a vazio (Po), a tensão nominal (Vo), e a co

Como a maioria dos transformadores de potência possuem um ou mais enrolamentos de utilizando-se o enrolamento de mais baixa tensão existen e, tomando-se cuidado de isolar os terminais do enrolamento de alta tensão. As perdas por histerese ecaplicada (V1) ao transformador permanece constante, o fluxo de magnetização (φm) será praticamente constante, independente da carga, desta forma as perdas no núcleo são constantes para todos os valores de cargas. Como a corrente a vazio é relativamente eenrolamento de baixa tensão, é usual tomar-se a leitura do wattímetro como o valor das perdas no núcleo, sem subtrair as pequenas perdas no cobre produzido pela corrente a vazio. Po= PN + PCo Po Perdas a vazio PN Perdas no núcleo (P + P )

1 1I0

*

0

0

2

X

V

IH

V

*0P

Fonte CAVariável

34


Como não há corrente no circuito de alta tensão (transformador a vazio), são

re e fluxo disperso devido a corrente de magnetização. O io a vazio pode ser simplificado conforme

desprezíveis as perdas no cobcircuito equivalente do transformador no ensaFig.22.

Fig.22 - Circuito Equivalente do Transformador no Ensaio à Vazio

Os parâmetros podem ser determinados a partir das medições realizadas, utilizando as seguintes equações:

Φm

pIV0

pR = (15)

0V

mlm I

X = (16)

ϕcosII 0p ×=

00 IV ×

(17)

ϕsenII 0m ×= (18)

0Pcos =ϕ (19)

9.2 - Ensaio em Curto Circuito Com este ensaio pode-se determinar:

- Perdas no cobre; - Queda de tensão interna;

pedância percentuais; - Regulação de tensão.

pxlmr

Ip

0I

Im Im

cos ϕIp

0I0

V0

VI0

- Resistência, reatância e im - Rendimento

35


Procedimento de Ensaio

tensão, I1

3-Lê-se a potência de curto-circuito, P , A tensão de curto-circuito, VCC , e a corrente primá CC 1

entes nominais é bem inferior ao correspondente sária para a realização do ensaio apresenta valores,

eralm

Sendo VCC a décima parte da tensão nominal, a indução do núcleo será reduzida

potência perdida por efeito joule nos dois enrolamentos.

P Perdas no núcleo (P + P ), despreza-se

i ivalente simplificado para o ensaio em curto-circuito pode ser s os parâmetros que correspondem às perdas e à

Fig.23 - Ligação Típica para o Ensaio em Curto-Circuito

1- Monta-se o circuito conforme a Fig.23. 2-Ajusta-se a fonte CA regulável até que a corrente nominal do lado de alta

, seja lida no amperímetro.

1 2N2X2H

N

CCria de curto-circuito, I = I nominal.

Pode-se observar que estando o lado de baixa tensão curto-circuitado, a tensão

necessária para a circulação de corrvalor nominal. Assim, a tensão necesg ente em torno de 10 % do valor nominal.

10 vezes. Com isto, as perdas por histerese ficarão reduzidas de (10)1,6 = 40 vezes, e , as

perdas por correntes parasitas de (10)2 = 100 vezes, o que leva a concluir que as perdas

no núcleo são desprezíveis face as perdas no cobre, no ensaio em curto-circuito. Portanto fazendo circular as correntes nominais, o wattímetro inserido registra a

PCC = PN + PJ

PCC Perdas de curto-circuito N h f PJ Perdas no cobre devido a corrente nominal

O circu to equvisto na Fig. 24, onde foram desprezadomagnetização do núcleo.

I2 nom.cc

ccc1X

V

I1H

*

I1 nom.Fonte CA

*cP

Variável

36


s parâme edições realizadas, utilizando as seguintes equações:

Fig. 24 - Circuito Equivalente do Transformador no Ensaio de Curto-Circuito

tros podem ser determinados a partir das m

Vcc

Xcc R cc

1 nom.I

Icc+x

L12x L2α r +

2r 2α1

O

cc

P2

cccc I

R = (20)

cccc I

Z = ccV (21)

2

cc2

cccc RZX −=

X

(22)

Nas raras vezes em que é utilizado o circuito equivalente completo, os valores proximados das resistências e reatâncias de dispersão individuais de primário e

secundários podem ser obtidos supondo que a

2XXe2RR cc

l22

l1cc

22

1 ==== αα

IMPEDÂNCIA PERCENTUAL:

to-circuito, Z , dada em valores percentuais. OBS. Esta impedân

R quando todas as impedâncias

stão referidas ao mesmo lado.

É a impedância equivalente obtida do ensaio de cur cc

cia equivalente é calculada referida ao lado AT, onde i realizado o ensaio de curto-circuito.

e

fo

100×=••Z CCZ

(23) baseZ

onde,

37


1

2ATf

base PnVn

Z =

RTO-CIRCUITO

obs - Em valores percentuais a impedância pode ser utilizada tanto no lado AT, como no lado BT. CORRENTE DE CU

(24)

Qual seria o valor da corrente no transformador, caso fosse aplicado um curto-circuito em seus terminais, para o mesmo operando com tensão nominal ?

CC

ATfVn

(26)

ATf ZIcurto = (25)

Fórmula prática para cálculo de corrente de curto-circuito:

100InZ1Icurto ××=

••

Transformadores Trifásicos A realização dos ensaios a vazio e de curto-circuito em transformadores trifásicos é feito de modo análogo ao monofásico. As seguintes adaptações são necessárias:

a vazio

ão dos Parâmetros RP , XLm

Os cálculos utilizados são os mesmos que para os transformadores monofásicos, tomand

- Quando se determina Rp e XLm , deve-se fazê-los por fase; a fornecida ao transformador deve ser dividida

por 3 para que se tenha o valor de apenas uma fase;

- Determinação dos Parâmetros RCC e XCC

2.9.3 Adaptação dos Ensaios à vazio e em Curto-Circuito para

- Corrente à vazio

A Corrente à vazio (I0) é dada pela média aritmética das correntes medidas em cada fase. Determinaç-

o-se os seguintes cuidados:

- A potência total (trifásic )

- Na utilização das fórmulas deve-se utilizar os valores por fase das tensões e correntes.

38


tomand

a total (trifásica) fornecida ao transformador deve ser dividida por 3 para que se tenha o valor de apenas uma fase;

07-Um ensaiado à vazio e em curequiva .

P0 = 180 W PCC = 637,7 W vazio V0 = 230 V em curto VCC = 103 V

I0 = 6,4 A ICC = I1 nominal BT (secundário) AT (primário)

ensaios, determine o circuito

m curto

127 V ( ∆ -Y ) , 60 Hz, foi cu o. Co base a obtidas nos ensaios,

feri lta tensão. P 480 W PC 1200 W

V m curto 0 CC

BT (secundário) AT (primário)

s ensaios, ro imado referido ao lado de baixa tensão.

m curto

T (secundário) AT (primário)

Os cálculos utilizados são os mesmos que para os transformadores monofásicos, o-se os seguintes cuidados: - Quando se determina RCC e XCC , deve-se fazê-los por fase; - A potênci

Exercícios:

transformador monofásico, 30 KVA, 2300/230 V, 60 Hz, foi to-circuito. Com base nas medidas obtidas nos ensaios, determine o circuito

lente aproximado referido ao lado de alta tensão a

08-Um transformador monofásico, 150 KVA, 2400/240 V, 60 Hz, foi ensaiado à vazio e em curto-circuito. Com base nas medidas obtidas nosequivalente aproximado referido ao lado de alta tensão. P0 = 558 W PCC = 1851 Wa vazio V0 = 240 V e VCC = 240 V

I0 = 5 A ICC = I1 nominal

BT (secundário) AT (primário) 09-Um transformador trifásico, 100 KVA, 11400/220-ensaiado à vazio e em curto-cir it m n s medidas

aodetermine o circuito equivalente aproximado re do lado de a = =0 C

a vazio V = 220 e V = 600 V 0 CCI = 8,5 A I = I1 nominal

10-Um transformador trifásico, 50 KVA, 11400/220-127 V ,( ∆ -Y ) 60 Hz, foi ensaiado à vazio e em curto-circuito. Com base nas medidas obtidas nodetermine o circuito equivalente ap x P0 = 558 W PCC = 1851 Wa vazio V0 = 220 V e VCC = 650 V

I = 5 A ICC = I1 nominal 0B

39


Ensaio V - Ensaio a a V zio

bjetivo: Det ação do trafo ifásico.

strumentos: Transformador Y-∆

1 Fonte Trifásica ca variável; 3 Voltímetro ( 0 - 250 Vca); 3 Amperímetro 15 A; 3 ou 2 Wattímetros.

Esquema de Ligação

- Certificar se a fonte variável de tensão está em zero volts; - Energizar os bornes de baixa tensão e ajustar a tensão nominal, no lado de baixa, do trafo; OBS.: Cuidado! Alta Tensão - Faça a leitura das correntes, tensões e potências e anote na Tabela a seguir: Corrente (A)

Otr

erminação das perdas no núcleo e a corrente de excit

In

A3 W2

V3

T

H1 H2

X1 X2 X

R

A1 W1

V1 S

A2

V2

Cuidado! Alta Tensão

40

Tensão (V) Potência (W) I01 = V01 = Wo1 = I02 = V02 = Wo2 = I03 = V03 = I0(média)= V0(média)= W0(total) =


a vazio em relação a corrente nominal;

Compare os valores de potência total e da corrente de excitação (I0%) com os valores icad na Tabela a seguir, que estão de acordo com as normas da

ABNT EB-91

Potên ia do(KVA)

15 30

45

75

112,5

150

- Calcular a percentagem da corrente I0% = 100 . I0(média)/In - máximos especif os

e MB-128:

c transformador 10

(W)

90

120

200

260

390

520

640 Perdas no ferro

Perdas totais a 75oC W 340

460

770

1040

1530

1070

2550

Corrente de excitação (%) 5,6

5,

4,3

3,9

3,4

2,9 0 3,1

Impedância a 75oC (%) 3,5

3,5

3

3,5

3,5

3,5

3,5 ,5

- Calcule os parâmetros do circuito equivalente para o ensaio a vazio do

transformador; - Verifique em valores percentuais quanto representa as perdas no núcleo em relação

à potência nominal.

41


Ensaio VI - Ensaio de Curto-Circuito

bjetivo: Determinação das perdas totais produzidas nos enrolamentos do

ásica ca variável; 3 Voltímetro ( 0 - 250 Vca);

3 Amperímetro 15 A; t c) Esquema de Ligação

Certificar se a fonte variável de tensão está em zero volts;

Curto-circuitar os bornes de baixa tensão do transformador;

Energizar os bornes de alta tensão e ajustar uma tensão que faça circular a corrente nominal, no lado de alta, do trafo; (CUIDADO: como o transformador esta em curto as tensões aplicadas no lado AT são pequenas para fornecer a corrente nominal - portanto ajuste a tensão vagarosamente)

Faça a leitura das correntes, tensões e potências e anote na Tabela a seguir:

Otransformador trifásico. Instrumentos: Transformador Y-∆

1 Fonte Trif

3 ou 2 Wattíme ros.

H

1

W1

T V2

2

2

W2

1

H

X

X

X

R

A1

V1

A3

V3

S

A2

- - -

- Corrente (A) Tensão (V) Potência (W) ICC1 = VCC1 = WCC1 = ICC2 = VCC2 = WCC2 = ICC3 = VCC3 = ICC(média)= VCC(média)= WCC(total) =

42


- Calcular a percentagem da tensão de curto-circuito em relação a tensão nominal;

% = 100 . V (médiVCC CC a)/Vn

uanto representa as perdas nos enrolamentos em

prezadas?

Calc e os ito equivalente para o ensaio em curto-circuito o transformador);

Calcule a corrente que circularia no transformador caso o curto fosse aplicado e a nsão de alimentação fosse a nominal.

- Verifique em valores percentuais qrelação à potência nominal.

ser des- Por quê as perdas no núcleo podem

ul parâmetros do circu- (impedância equivalente d - te

43


10 - Rendimento dos Transformadores

Definição: O rendimento de um transformador é definido pela relação entre lo secundário e a potência elétrica correspondente

bsorvida pelo circuito primário do transformador.

potência elétrica fornecida pea

P ( )( )WattsSAIDA=ηWattsPENTRADA

(27)

ϕcos3 22 ×××= llSAIDA IVP (28)

PerdasPP SAIDAENTRADA += (29) Os transformadores comuns apresentam um rendimento bem elevado (acima de 95%). O rendimento, por conseguinte, não pode ser determinado com muita precisão por meio de medições diretas de potência entregue e recebida, visto que as perdas são da ordem de 1 a 3%. A diferença entre as leituras dos instrumentos registradores de potências entregue e recebida é tão pequena que um desvio de instrumento não maior que 0,5% causará um erro de aproximadamente de 15% nas perdas. É mais correto e exato calcular o rendimento por meio das perdas, que são obtidas dos ensaios a vazio de de curto-circuito. Então:

( )NucleofCCll

ll

PIRIVIV

+××+×××

×××= 2

2222

22

3cos3cos3

ϕϕ

η (30)

O numerador da equação acima representa a potência útil transferida do primário

ao secundário e à carga. O termo entre parênteses do denominador, representa as perdas que ocorrem durante esta transferência. A potência útil de saída e as perdas equivalentes no cobre são ambas função de I2 (corrente secundária).

Com cargas relativamente leves, as perdas fixas (PNúcleo) são elevadas em relação a saída e o rendimento é baixo. Para cargas relativamente pesadas as perdas variáveis (Penrolamentos) são elevadas e o rendimento é novamente baixo. O rendimento máximo ocorre quando as perdas fixas e variáveis são iguais. Logo o valor de corrente secundária para qual ocorre o máximo rendimento é

2

2 3 CC

Nucleof R

PI

×= (31)

44


Para um mesmo valor de corrente I2 , se o fator de potência diminuir, o

500 KVA, 2300/208 V, 60 Hz teve us testes de aceitação constando de um ensaio a vazio e um de curto-circuito, antes de

ser colocado em serviço como transformador abaixador. A partir dos dados obtidos dos ensaios, calcule: P0 = 1.800W PCC = 8.200 W a vazio 0 = 208 V em curto V = 95 V I0 = 85 A

T (secundário) AT (primário)

)A resistência equivalente referida ao lado de baixa; (RE2= 0,001417 Ω)

rmador quando este é carregado por uma carga resistiva pura ator de potência unitário) correspondendo a 1/4 , 1/2 , 3/4 , 1 , 5/4 da carga nominal.

Tabele todas as perdas, potência de saída e potência de entrada em função da carga; (98,18% , 98,47% , 98,25% , 98,1% , 97,8%) g)Repita (f) para as mesmas condições de carga, mas sendo o fator de potência 0,8 em

, 98,25% , 97,9% , 97,6% , 97,25%)

potênci ra fator de potência unitário. η = 98,48%

z, 2400/240 V , foi ensaiado à vazio e em curto-circuito.

T (primário)

a)Rendimento para corrente de plena carga e tensão nominal , com fator de potência 0,85 indutivo; c)O máximo rendimento para tensão terminal nominal e fator de potência

nitário.

rendimento também diminui e vice-versa. Exercícios 11-Um transformador monofásico de distribuição dese

V CCICC = I1 nominal

B a

b)A resistência do enrolamento do lado de baixa tensão apenas; (R2= 7,1x10-4 Ω) c)As perdas no cobre do enrolamento de baixa durante o ensaio à vazio; (PC0 =5,125W) d)As perdas no núcleo do transformador quando a tensão nominal é aplicada; (PNÚCLEO=1.794,9 W) e)Podem as perdas à vazio, obtidas do respectivo ensaio, serem usadas como perdas no núcleo? Explique; f)O rendimento do transfo(f

atraso; (97,7%h)A corrente de carga para qual ocorre o máximo rendimento, independente do fator de

a; I2 = 1.125 A i)A fração de carga para a qual ocorre o rendimento máximo; fc= 47% j)O máximo rendimento pa 12-Um transformador monofásico 20 KVA , 60H

P0 = 126,6W PCC = 284 W a vazio V0 = 240 V em curto VCC = 57,5 V I0 = 1,066 A ICC = I1 nominal

BT (secundário) A Determine:

b)A fração de carga para a qual ocorre o máximo rendimento;

u

45


11 - Regulação de Tensão dos Transformadores

Definição: gulação de tensão de um transformador é a variação na tensão terminal do

cundário, entre o circuito aberto e em plena carga, e é usualmente expressa como

A re

seporcentagem do valor da tensão em plena carga.

VER% 22 − 100%×=

V2 (31)

ão ecund ria à v zio

2

2 2

ativa , isto é, E2

2 .

rá tensão secundária V2 em carga, com a mesma tensão primária,

E2 Tens s á a

V Tensão secundária a plena carga (carga nominal) Para o estudo da regulação utiliza-se o circuito equivalente simplificado de umtransformador referido ao secundário, conforme Fig. 25. . I 2

X2E R 2E

E 2 L 2 V

Z

Fig. 25 - Circuito equivalente referido ao secundário para estudo de regulação de tensão

A queda de tensão absoluta será V - E . Esta queda será positiva , isto é ,

negE2 < V2 quando o fator de potência da carga for indutivo e pode ser V , quando o fator de potência da carga for capacitivo>

Pela fórmula da regulação de tensão , pode-se observar que quanto menor for a regulação, maior se aisto é , melhor será a regulação de tensão do transformador. Diagrama Vetorial - Carga resistiva ( Cosθ2=1)

E E2 2

I 2 V2

2IR

I X

E2

2

46


Diagrama Vetorial - Carga Indutiva ( Cosθ2 em atraso)

rial - Carga Capacitiva ( Cosθ2 adiantado)

Exercícios 13-Medidas feitas num transformador aos seguintes valores para reatância e resitência equivalentes referidas ao secundário (lado de baixa tensão); XE2 = 0,006 Ω e RE2 = 0,002 Ω. Calcule: e

ominal secundária a uma carga de fator de potência unitário;

a carga com cos θ2 = 0,6 em avanço;

leitura do wattímetro = 250 W

leitura do amperímetro = 8,7 A Calcule: a)A impedância , a reatância e a resistência equivalentes referidas ao lado de alta

nsão; b)A impedância , a reatância e a resistência equivalentes referidas ao lado de

aixa tensão;

d)A regulação de tensão a fator de potência 0,7 aso; e)A regulação de tensão a fator de potência 0,7 em avanço; f)Comente as diferenças na regulação de tensão.

E2

I2 I2RE2

V2

I X E2 2

Diagrama Veto

I2

E2

I2RE2V2

IXE2 2

de 500 KVA , 2300/230 V conduzirams

a)A fem induzida, E2 , quando o transformador estiver entregando a correntn b)Repita (a) para uma carga com cos θ2 = 0,8 em atraso; c)Repita (a) para um d)A regulação de tensão para (a) , (b) , (c) , respectivamente; e)Comente as diferenças na regulação de tensão. 14-Um transformador abaixador de 20 KVA , 2300/230 V , é submetido ao ensaio de curto-circuito com o lado de baixa tensão curto-circuitado. Os dados lidos no lado de alta tensão são: leitura do voltímetro = 50 V te b c)A regulação de tensão a fator de potência unitário. em atr

47


12 - Paralelismo de transformadores:

A ligação em paralelo de transformadores é uma das mais importantes operações om este equipamento, pois possibilita o aumento de carga instalada em um sistema, umento de confiabilidade e ainda facilita as paradas programadas de m ão.

ondições para operação em paralelo: Para a ligação em paralelo de dois ou mais transformadores deve-se atender as

ondições abaixo. O não atendimento às condições essenciais ocasiona circulação de rigosas entre os transformadores, pois estar-se-iam conectando dois pontos

ca anutenç

21

3 4

T T

C ccorrentes pede potenciais diferentes. Já as condições de otimização são responsáveis pelo equilíbrio da divisão de potência fornecida pelos transformadores. Condições Essenciais:

• Mesma Relação de Transformação • Mesmo Defasamento Angular

Condições de Otimização:

• Mesma Impedância Percentual Z % • Mesma relação R / X da Impedância Equivalente

Exemplo: Ligação em paralelo de dois secundários, com tensões diferentes:

ZE1

ZE2 Icirc. 21circ. ZZ

I+

=

Carga

1 V2 Obs: A máxima recomendada po

VV

V1 > V2;

E2E1

VV −

diferença entre as tensões r norma é de 0,5%

48


13 - Deslocamento angula nas conexões trifásicas:

deslocamento angular entre os bornes AT e BT é medido pelo ângulo entre os fasores VH1H2

Exemplo:

A seguir serão apresentados um estudo do deslocamento angular das diferentes ligações das conexões do transformador trifásico.

m transformador trifásico pode ser compreendido como uma associação de três enrolamentos primário e secundário de cada

), já as tensões de linha pelo ):

O

e VX1X2. O ângulo deve ser medido de BT para AT no sentido anti-horário de acordo com a ABNT.

VH1H2

VH1H2 VX1X2

φ VX1X2

φ

Utransformadores monofásicos, já que osfase são enrolados sobre a mesma “perna” do núcleo. Conclui-se então que as tensões entre cada conjunto de bobinas primária e secundária de uma mesma fase estão sempre em fase (deslocamento angular zero). Considerando um sistema trifásico com seqüência de fases 1,2,3. Este pode ser epresentado pelo diagrama fasorial abaixo (esquerdar

diagrama abaixo (direita

VH1H2

VH2

V

VH2H3

VH3H1

VH2H3

VH1H2

VH1

VH3H1

H3

49


13.1 - Conexão ∆ - Y , deslocamento angular : 330o

H H

VH1 H2 VH2 H3 VH3 H1

VX1 X0 V VX3 X0X2 X0

VX1X2

H1H2V

50

H3
2 1
VH2H3

VH3H1 VH1H2

VX1

X1X2

VX2

V

VX3

Deslocamento angular : 330o

Conexão: Dy11 D AT em triangulo (∆) Y BT em estrela (Y) 11 330o = 11 x 30o


13.2 - Conexão ∆ - Y, deslocamento angular 30o

H

V V V

VH1 H

VH2 H1 VH3 H2

X1 X0 X1 X0 X3 X0

3

VX1X2 VH1H2

51

3
H2 H1
VX1

VX2

VX3

VX1X2

VH3H2

VH1H 3 VH2H1


Conexão: Dy1

AT em triangulo (∆) D Y BT em estrela (Y) 1 30o = 1 x 30o


13.3 - Conexão ∆ – Y , deslocamento angular 150o H HH

2 VH2 H3 V HH3 1

VX1 X0 VX2 X0 VX3 X0

VH1 H

X1X2V

VH1H2

52

3
2 1
VX1

VX2

X3

VX1X2

V

1

VH2H3

VH3H VH1H2


) )

0o

Conexão: Dy5

D AT em triangulo (∆Y BT em estrela (Y 5 150o = 5 x 3


13.4 - Conexão ∆ – Y, deslocamento angular 210o H H1

V V V

VH1 H3 VH2 H1 VH3 H2

X1 X0 X2 X0 X3 X0

VX1X2

VH1H2

53

3
H2
VH3H2

VH1H3 VH2H1

VX1

VX2

VX3

VX1X2


Conexão: Dy7 D Y 7 210o = 7 x 30o

AT em triangulo (∆) BT em estrela (Y)


O mesmo estudo de deslocamento angular pode ser efetuado para outros tipos de onexões. Cabendo ressaltar que nas conexões ∆ - ∆ e Y - Y o deslocamento angular ntre as tensões X1X2 e H1H1 será de 0o ou 180o dependendo da polaridade do nrolamento primário em relação ao secundário. Já nas conexões Y - ∆ serão obtidos ngulos de 30o ou 330o para primário e secundário de mesma polaridade e 150o ou 210o ara enrolamentos de polaridades opostas, de forma semelhante apresentada acima.

ceeâp

54


55

strumento Utilizado: Medidor de deslocamento angular Este equipamento permite medir o deslocamento angular entre dois circuitos quaisquer de forma isolada. A medição pode ser feita entre tensões, entre correntes ou entre tensão e corrente. Procedimento: Conectar o transformador trifásico à fonte trifásica variável pelo lado AT, deixando o lado BT em aberto. No circuito 1 do medidor de deslocamento angular conectar os terminais X1-X2 e no circuito 2 do medidor os terminais H1-H2. Aumentar a tensão da fonte variável, ligar o medidor e fazer a leitura do deslocamento angular. Elaborar um diagrama fasorial das tensões, considerando que a medida é efetuado no sentido anti-horário, e determinar o tipo de conexão do transformador. 1. Verificar o funcionamento do medidor , levantando a sequência de fase disponível. Ou seja, meça o deslocamento angular entre as tensões de fase e monte o diagrama fasorial equivalente; 2. Deslocamento angular do transformador trifásico: Alimente o lado AT do transformador (delta- estrela); Ligue o circuito1 do medidor entre H1 e H2; Conecte sucessivamente os terminais do circuito 2 entre fase e neutro do lado BT, medindo o defasamento angular; Conecte sucessivamente os terminais do circuito 2 entre fases do lado BT, medindo o defasamento angular; Conclusões: Verifique o tipo de ligação do transformador através das medições realizadas, elaborando os diagramas fasoriais equivalentes.

ENSAIO VII - DESLOCAMENTO ANGULAR Objetivo: Verificar o deslocamento angular do transformador trifásico sob teste e definir o tipo de conexão. In

128639-apost transformador - ifes

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