UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA TRANSFORMADORES ELABORADO POR: Prof. Adalton Lima de Aguiar Prof. José Roberto Camacho

2 INTRODUÇÃO Ao corpo discente, A disciplina TRANSFORMADORES, obrigatória no currículo do curso de Engenharia Elétrica da, é uma disciplina e caráter específico e parte de um conjunto de disciplinas que compõem juntamente com Conversão de Energia, Máquinas Elétricas, Máquinas Síncronas e Projeto de Máquinas, o leque de disciplinas básicas para a formação de um profissional competente, com ênfase em Sistemas de Potência. Às aulas de Laboratório ficam reservadas as discussões de aspecto prático dos transformadores tais como: ensaios de rotina, de tipo e cuidados específicos desde a manutenção de transformadores de distribuição. Serão enfocados até os cuidados especiais com sofisticados transformadores hoje utilizados nas mais modernas instalações em Extra-Alta Tensão. O nosso intuito é fornecer a você, nosso estudante, uma ferramenta para aprimorar a sua capacidade de crítica construtiva, sua iniciativa e sua criatividade, virtudes sem as quais não existe o profissional de qualidade em Engenharia Elétrica. É nosso desejo que trabalhando em conjunto de forma cooperativa nesta disciplina, possamos todos aprender muito e estimular a criação de um profissional competente, desenvolvendo um curso de qualidade e construindo uma Universidade que prima pela seriedade e pelo trabalho. Uberlândia, março de 2000 Prof. Adalton Lima de Aguiar Prof. José Roberto Camacho 2

3 AULA N O 1 COMPONENTES DO TRANSFORMADOR (TRAFO) VERIFICAÇÃO DA FORMA DE ONDA DA CORRENTE A VAZIO E DA CORRENTE TRANSITÓRIA (INRUSH) 1. Introdução A corrente a vazio é um parâmetro importante, pois define a energia consumida pelo trafo quando opera sem carga e ainda fornece a energia necessária para a magnetização do seu circuito magnético. A forma de onda da corrente em vazio também indica o nível de saturação do núcleo magnético do trafo. Já a corrente transitória (de inrush) pode ser qualificada como um fator na qualidade de fabricação de um determinado transformador. A corrente transitória pode inviabilizar a aplicação de um determinado esquema de proteção do circuito elétrico ao qual pertence o trafo. 2. Preparação Será utilizado um transformador monofásico, para a visualização da forma de onda da corrente em vazio do transformador. Prepare portanto o seguinte material: 1 transformador monofásico; 1 varivolt monofásico; 1 osciloscópio com memória; 1 reostato. 3. Componentes do Trafo As principais partes componentes de um trafo de distribuição típicos são: tanque com aletas de refrigeração; óleo isolante e refrigerante (óleo mineral); as buchas de alta e baixa tensão; núcleo magnético; taps das bobinas do transformador (manual ou automático);

4 os enrolamentos de alta e baixa tensão; papel isolante envolvendo os condutores (bobinas) e as cabeças das bobinas. 4. Esquema 5. Montagem da Experiência Neste estágio não se preocupe com valores medidos, mas sim em entender o porque das formas de onda obtidas. Execute a montagem da aula de laboratório seguindo o esquema do ítem 4. De acordo com o esquema o transformador deverá estar operando em vazio. 5.1 Obtenção da corrente em vazio a) Ligue o osciloscópio de acordo com as instruções abaixo: - sinal em real com sweep time de 1; - position para fora, - input AC, - pen speed em 10, - triggering INT, - clock INT, - pen para fora, b) Responda as perguntas a seguir: b.1) Aumente gradualmente a tensão a partir de zero no varivolt e observe a forma de onda registrada no osciloscópio. 4

5 b.2) O que se pode observar na forma de onda para as tensões de excitação mais baixas? E para as mais altas? Em que situação a onda é mais distorcida? b.3) Desenhe as formas de onda observadas, para uma excitação mais baixa e mais alta, respectivamente. O que representa esta onda de tensão observada no osciloscópio? b.4) Após estas observações desligue o circuito do transformador (chave em OFF) com o varivolt em um valor que forneça uma corrente em vazio razoável. 5.2 Obtenção (registro) da corrente transitória (de inrush) a) Para registrar a corrente transitória aperte a tecla START no osciloscópio, a lâmpada WRITE se acenderá, ligue o circuito do trafo (chave em ON). Coloque em MEMORY e a forma de onda da corrente transitória poderá ser observada. b) Responda as seguintes perguntas: b.1) O que pode se observar a respeito da corrente transitória, no instante em que o trafo foi ligado em vazio e alguns ciclos após seu chaveamento? b.2) Repetindo o processo de energização do trafo por várias vezes, o que se pode concluir a respeito da influência do instante de energização sobre a corrente transitória? Não se esqueça que a tensão aplicada ao trafo é senoidal e de frequência igual a 60 Hz. b.3) Desenhe formas de onda típicas de corrente transitória. Por que entre dois processos de obtenção da corrente transitória, a forma de onda registrada no osciloscópio nunca se repete? 6. Conclusão: Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a corrente em vazio, a corrente transitória (de inrush) do trafo monofásico observado em laboratório e sobre os componentes típicos dos transformadores trifásicos de distribuição. 5

6 AULA N O 2 ENSAIO EM VAZIO DE UM TRANSFORAMDOR TRIFÁSICO 1. Introdução Os objetivos do teste em vazio do transformador trifásico são; 1.1 Determinar as perdas no núcleo por histerese e Foulcault (perdas no ferro) 1.2 Determinar a corrente em vazio I o. 1.3 Determinar a relação de transformação de placa (K) e a relação do número de espiras (K n ) Determinar os parâmetros do ramo magnetizante. 2. Preparação 2.1 Será utilizado, para a realização do teste em vazio, um transformador trifásico com as seguintes características: Potência nominal (P n ): Frequência (f): Hz Tensão (AT): Volts Ligação: Tensão (BT): Volts Ligação: 2.2 Prepare portanto o seguinte material: 1 transformador trifásico; 3 amperímetros com escalas apropriadas; 1 voltímetro com escala apropriada; 2 wattímetros de escalas apropriadas; 1 varivolt trifásico. 3. Realização prática do ensaio Efetuar a montagem a seguir: 6

7 4. Levantamento dos dados de ensaio Neste estágio os valores medidos são muito importantes, todo cuidado deve ser tomado durante a leitura de tensões, correntes e potências. Execute a montagem da aula de laboratório seguindo o esquema do ítem 3. De acordo com o esquema, o transformador trifásico deverá estar operando todo o tempo em vazio. 4.1 Aplicando tensão nominal ao enrolamento de baixa tensão, efetuar as medições abaixo: V 1n (V) I 01 (A) I 02 (A) I 03 (A) W 1 (W) W 2 (W) W 0 (W) 4.2 A fim de determinar a relação de transformação do trafo sob teste, aplicar uma tensão reduzida ao enrolamento de alta tensão, anotando os valores. V AT V BT 5. Guia para Análise: Com os valores obtidos em 4.1, calcule a corrente de magnetização I o (na linha e na fase), a potência perdida a vazio por fase e a tensão de alimentação na fase, obedecendo a conexão do enrolamento de baixa tensão. BT I o linha I o fase W o - fase V 1 fase 7

8 I o linha = (I 01 + I 02 + I 03 )/3 W 0 fase = W 0 /3 5.2 Com os dados obtidos no ítem anterior, calcular os parâmetros do ramo magnetizante por fase para as representações série e paralela do circuito equivalente, o fator de potência a vazio e as correntes I 0p e I 0q. cosφ 0 I 0p I 0q Z m R ms X ms R mp X mp W 0 fase = V fase * I 0 * cosφ 0 I 0p = (W 0-fase /V 2-fase ) I 0-fase 2 = I 0p 2 + I 0q 2 R ms = (W 0-fase /I 0-fase 2 ) Z m = (V fase /I o-fase ) R mp = (W 0-fase /I 0p 2 ) Z m 2 = R ms 2 + X ms 2 X mp = (V fae /I 0p ) 5.3 Determinar a porcentagem da corrente de magnetização em relação à corrente nominal do transformador. I n-linha = W n / 3V n I n fase I 0 fase I 0 % de I n fase 5.4 Com os dados obtidos no ítem 4.2, determinar os valores abaixo: K placa K ensaiado K n 6. Questões: 6.1 Por que uma das correntes obtidas em 4.1 não apresenta o mesmo valor das outras duas? 6.2 Por que o ensaio em vazio deve ser realizado alimentando-se o enrolamento de baixa tensão? 6.3 Com os dados do ítem 5.4, justificar a diferença entre os três valores de K e definir cada um deles. 6.4 Com base nos dados do teste em vazio e na sua capacidade de julgar os resultados o que é melhor para o sistema de energia elétrica equipado com muitos trafos: - trafos operando sempre com muita 8

9 folga (superdimensionados) ou transformadores operando no limite de sua capacidade? 6.5 Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a importância e necessidade do teste de transformador em vazio. 9

10 AULA N O 3 ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO DE UM TRANSFORMADOR TRIFÁSICO 1. Introdução: Os objetivos do ensaio em curto-circuito do transformador trifásico são: 1.1 Determinar as perdas no cobre (nos condutores que compõem as bobinas) Determinar a impedância, resistência e reatância percentuais. 1.3 Determinar a queda de tensão interna. 2. Preparação 2.1 Será utilizado para a realização do teste em curto-circuito, um transformador trifásico com as seguintes características: Potência nominal (P n ): Watts Frequência (f): Hz Voltagem (AT): Volts Ligação: Voltagem (BT): Volts Ligação: 2.2 Prepare portanto o seguinte material: 1 transformador trifásico; 3 amperímetros com escalas apropriadas; 2 voltímetros com escalas apropriadas; 2 wattímetros de escalas apropriadas; 1 varivolt trifásico 3. Realização prática do ensaio 10

11 Efetuar a montagem que se segue: 3.1 Para a freqüência de 60 Hz e diversas tensões de alimentação, registrar na tabela a média das correntes nas três fases. V 1-cc (V) I 1-cc (A) 3.2 Caso não seja possível fazer circular pelos enrolamentos do transformador, a sua corrente nominal obtenha os valores abaixo, para um valor reduzido de corrente. I 1n (A) I 1cc (A) W 1 W 2 W cc 3.3 Efetue as devidas correções (se não foi possível fazer circular a corrente nominal) e obtenha os valores nominais da tensão e da potência de curto-circuito: 11

12 I 1cc-e V 1cc-n W cc-n I 1n = P n / 3.V in V 1cc-n = (V 1cc. I 1n )/I 1cc W cc-n = (I 2 1n/I 2 1cc). W cc 4. Guia para a Análise 4.1 Construa a curva característica de curto-circuito V 1cc = f(i cc ). 4.2 Faça um comentário sobre a curva obtida. Qual a sua aplicação no ensaio em curto-circuito? 4.3 Calcule a porcentagem da tensão primária de curto-circuito, relativamente à tensão primária nominal. V 1n (V) V 1cc (V) V 1cc % de V 1n 4.4 Calcule o valor da impedância Z, da resistência R e da reatância X percentuais, efetuando as devidas correções para 75 o C. R Z X R (75 o C) Z (75 o C) R% = (W cc /W n ). 100% Z% = (V cc /V n ). 100% 2 2 X% = (Z%) (R%) R% θ = K θ. R% a onde: K θ = [1 + α (T θ - T a )] * * O valor de α para o cobre pode ser encontrado no apêndice. 4.5 Determine para o transformador ensaiado, as perdas adicionais e as perdas no enrolamentos. 12

13 W o W ad = 20% dew o W cc W enrol 4.6 Compare as perdas nos enrolamentos com as a vazio e tire suas conclusões sobre o transformador sob teste. 5. Questões: 5.1 Enumere as vantagens e desvantagens de um transformador que tenha um valor muito alto de V 1cc. 5.2 Segundo a ABNT, quais são os valores normais de V 1cc %? 5.3 Analisar a diferença dos resultados desprezando-se ou não as perdas adicionais. 5.4 Durante o ensaio em curto, o que acontece com a indução no núcleo do transformador? Por que? 6. Conclusão Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio em curto-circuito de um transformador trifásico executado em laboratório e sobre a importância dos parâmetros obtidos durante o teste. 7. Apêndice Propriedades Elétricas dos Metais Metal Condutividade Relativa Resistividade a 20 o C Ω.m(10-8 ) α - Coeficiente da variação de R/ o C Cobre 100 1,724 0,0039 (anelado) Cobre 97 1,717 0,0039 (extrusão) Alumínio 61 2,826 0,0040 Aço 12 13,80 0,0045 Chumbo 8 21,40 0,

14 AULA N O 4 DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ DIELÉTRICA DO ÓLEO ISOLANTE E ENSAIO DE AQUECIMENTO DE TRANSFORMADORES 1. Ensaio para determinação da rigidez dielétrica do óleo isolante 1.1 Preparação Para a execução deste ensaio são necessários: Analisador portátil de rigidez dielétrica Amostras do óleo isolante do transformador 1.2 Coleta da amostra Alguns cuidados devem ser tomados para a coleta da amostra do óleo a ser testado e são definidos pela Norma Brasileira intitulada: - Recebimento, Instalação e Manutenção de Transformadores, a saber: - Usar um recipiente de vidro transparente com capacidade de aproximadamente 1 litro, que deve ser previamente lavado com álcool e benzina. Esse recipiente deve ser seco e em seguida enxaguado com o próprio óleo a ser testado. Recomenda-se que a rolha do mesmo seja de vidro esmerilado e que após a lavagem com álcool e benzina, seja levada à estufa para secagem de 100 o C. Os demais recipientes copos, funis, tubos e depósitos se possível, devem ser de vidro e devem ser submetidos ao mesmo processo de limpeza e secagem.] - Limpar cuidadosamente a válvula de drenagem evitando o uso de panos e estopas. - Abrir a válvula de drenagem existente no fundo do tanque do transformador, deixando escorrer aproximadamente ½ litro pela 14

15 mesma antes de coletar a amostra. Isto permitirá a limpeza do sistema de drenagem propriamente dito. - Encher devidamente o recipiente com óleo, sem usar jato forte, para evitar a formação de espumas e bolhas. Não deve ser permitida também, a entrada de qualquer impureza. - Se o ensaio não puder ser feito no próprio local, a amostra deverá ser guardada em vidro especialmente preparado, evitando o máximo possível o contato com o ar. De preferência, deve-se mergulhar a rolha em parafina. Antes do ensaio o óleo deve ser suavemente agitado, afim de que o conteúdo seja homogeneizado. Além dos cuidados acima, a coleta do óleo não deverá ser efetuada quando a temperatura ambiente for superior à do óleo, para evitar-se a absorção de umidade pelo óleo, já que esta tende a condensar-se em superfície mais fria, nem tampouco com o ar ambiente agitado ou empoeirado. 1.3 Preparação do ensaio A tensão máxima do ensaio depende do equipamento. Seu valor mínimo deve ser de 35 kv. O analisador deve possuir dispositivos de segurança adequados. Retirar a cuba de prova do analisador portátil e lavá-la, juntamente com os eletrodos, com uma parte do óleo de amostra. Neste momento verifique se o espaçamento entre as placas é o tabelado pelas normas (0,1 polegada). Encher a cuba de óleo, até cerca de 1 cm acima dos eletrodos. Evitar que o óleo borbulhe. Dar uma movimentação branda de vaivém no óleo da cuba, para facilitar a saída de eventuais bolhas de ar. Colocar a cuba de volta no analisador e deixá-la repousar por aproximadamente 3 minutos, para que ela fique isenta de bolhas e iguale sua temperatura à do ambiente. 15

16 Não colocar o dedo no receptáculo e nem deixar cair nele suor, respingos ou corpos estranhos. Após estas providências, o ensaio estará pronto para ser realizado. Abaixar a tampa de segurança, sem o que o ensaio não poderá ser feito. 1.4 Execução do Ensaio Verificar se a tensão de suprimento coincide com a indicada na placa do analisador. Ligar a tomada do analisador, girando o potenciômetro (reostato), para a posição mínima. Poderá existir uma lâmpada piloto que deverá estar acesa indicando que o circuito está pronto para operação. Girar o potenciômetro, caso o analisador seja manual, na direção aumentar, de maneira a obter uma variação gradual da tensão de ensaio, da ordem de 3 kv/segundo. Alguns analisadores possuem dispositivo automático que efetuam esta operação sem intervenção do operador. Observar no voltímetro, a tensão de interrupção quando houver o arco e, consequentemente, ocorrer abertura do disjuntor elétrico instantâneo automático. Este deverá ser o valor anotado para o ensaio. Se houver um miliamperímetro, anotar a corrente de fuga através do dielétrico. Voltar o reostato para a posição mínima e aguardar 3 minutos para a repetição do ensaio. Repetir o ensaio 5 vezes, anotando as respectivas leituras. Esvaziar a cuba, lavá-la com óleo e enchê-la com nova porção da mesma amostra e repetir as operações. Preencher com as leituras, a tabela abaixo: 16

17 Leitura Porção 1 Porção 2 Porção 3 Média (kv) 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a Média A média geral (última coluna à direita) será a rigidez dielétrica do óleo ensaiado. Este valor deve ser comparado com os da tabela a seguir para sua classificação (esta tabela é somente uma indicação da qualidade do óleo). Algumas empresas consideram o óleo aceitável somente com rigidez dielétrica acima de 35 kv/0,1 pol. Rigidez Dielétrica (kv/0,1 pol) Acima de 35 De 30 a 35 De 25 a 30 De 20 a 25 De 15 a 20 Abaixo de 15 Situação do óleo isolante Excelente Muito bom Bom Satisfatório Duvidoso recomenda-se a filtragem Rejeitado filtragem indispensável Após o ensaio com o óleo, esvaziar a cuba e, usando o ar como dielétrico entre as placas, medir a rigidez dielétrica do mesmo e comparar o resultado obtido com o do óleo ensaiado. Ambiente Óleo Ar Rigidez Dielétrica 1.5 Análise Após a execução do ensaio, deve-se analisar os resultados do mesmo. Sugere-se o seguinte guia: - Comparar o óleo das amostrar e o ar, quanto à sua capacidade de isolamento elétrico. - O ar poderia substituir o óleo nos tanques dos transformadores? Por que isto não é feito nos transformadores de médio e grande porte? 17

18 - Justificar as grandes divergências entre os diversos valores de rigidez dielétrica para uma mesma amostra, caso existam. - Efetuar o diagnóstico do óleo com base nos resultados finais. - Explique a razão da observância de intervalo de tempo entre as diversas medidas de rigidez dielétrica do óleo. - O que ocorreria se a distância entre os eletrodos fosse reduzida pela metade? Os valores assim medidos, poderiam ser usados para análise do óleo sob a luz da teoria vista? - A rigidez dielétrica do óleo isolante é afetada pela ocorrência de uma faísca no mesmo? No instante da faísca, qual é o valor da rigidez? O que acontece com ela após a extinção da faísca? Em que condições isso não ocorre? - Qual a forma dos eletrodos recomendada pelas normas? Haveria diferença dos valores obtidos se os eletrodos fossem pontiagudos? Por que? - Quais as vantagens e desvantagens do Askarel em relação aos óleos minerais? - Explicar o princípio e a aplicação do Relé Buchholz. 2. Ensaio de Aquecimento de Transformadores 2.1 Introdução O Ensaio de Aquecimento tem como objetivo a verificação das condições térmicas de operação dos transformadores, isto é, verificar se as temperaturas atingidas sob funcionamento normal em virtude das perdas, são suportáveis pelos seus componentes, sem deterioração ou perda das suas características. As temperaturas máximas que o transformador pode suportar dependem da classe do material isolante usado na sua construção. Os valores são fixados por normas. No Brasil a norma que fixa tais valores é a NBR Vide tabela na página 46 do livro texto. 18

19 2.2 Métodos de Ensaio - Método da Carga Efetiva É o método que fornece a melhor precisão e como o próprio nome sugere, deve ser realizado colocando-se o transformador em funcionamento com carga nominal e fazendo-se as medições de temperatura nesta condição. Óbviamente é de difícil execução, sendo raramente utilizado. - Método da Oposição Exige o uso de dois transformadores iguais aos quais são ligadas fontes uma num transformador e outra no outro, para a produção das perdas em curto. É também pouco usado por razões óbvias. - Método do Circuito Aberto De forma análoga ao teste de circuito aberto, aplica-se em um dos enrolamentos uma tensão que faça circular no mesmo uma corrente suficiente para produzir perdas no ferro iguais às perdas totais do transformador, isto é, perdas iguais à soma das perdas em vazio mais as perdas no cobre. - Método do Curto-Circuito De forma análoga ao teste de curtocircuito, coloca-se um dos enrolamentos em curto e aplica-se ao outro uma tensão suficiente para fazer circular uma corrente capaz de produzir nos dois enrolamentos, perdas iguais às perdas totais no trafo. A escolha do método a usar entre os dois últimos depende da proporção das perdas no cobre em relação àquelas no ferro. Se as perdas no cobre são maiores do que as perdas no ferro, o método indicado é o do curtocircuito. Caso contrário, deve-se adotar o método do circuito aberto. 2.3 Determinação estatística da resistência ôhmica do enrolamento no instante do desligamento O método para determinação da resistência ôhmica do enrolamento no instante do desligamento consiste na regressão linear de uma variável X pelo método dos Mínimos Quadrados, como abaixo: y = ax + b a = n (x.y) x. y n x ( x)

20 b = y a x n r= a. ( ) ( ) 2 n. (x ) x 2 n. (y ) y 2 2 onde: n número de pares de leituras de resistência ôhmica e tempo; r coeficiente de correlação entre as variáveis x e y. Quanto mais próximo de 1 for o valor de r mais perfeito será o ajustamento dos pontos x e y à reta y = ax + b. Os valores anteriores de x e y são relacionados com a resistência ôhmica R e o tempo T, respectivamente, como abaixo: Regressão Valores Linear Exponencial x R log R y T T R o b 10 b R o representa a resistência ôhmica no instante do desligamento. Deve ser adotada a regressão que apresentar maior valor de r. Esse método só é aceito para valores de r maiores ou iguais a 0, Preparação do Ensaio - Registrar os seguintes dados de placa do transformador a ser ensaiado potência, tensões, conexões, freqüência, tap para o qual está ligado e temperatura de operação. - Calcular e registrar as correntes nominais de operação. - Escolher a instrumentação adequada. 2.5 Execução do Ensaio 20

21 2.5.1 Medir a temperatura ambiente e o valor da resistência do enrolamento de TS (tensão superior) para esta temperatura. Registrar na tabela Executar a montagem conforme o método escolhido Ajustar o valor da tensão da fonte para que o wattímetro marque um valor igual à perda total determinada nos ensaios a vazio e em curto-circuito Anotar numa tabela os diversos tempos e as temperaturas correspondentes do óleo, até que a variação de temperatura não supere 1 o C em 3 horas de funcionamento O gradiente máximo permitido pode ser visto na tabela da página 46 do livro texto A próxima etapa compreende a medição da temperatura dos enrolamentos. Deve-se deixar o transformador funcionar durante aproximadamente uma hora com um dos enrolamentos em curto e o outro percorrido pela corrente nominal, de maneira análoga ao teste de curto Em seguida mede-se os valores da resistência dos enrolamentos em vários tempos desde o desligamento. 2.6 Análise Após o ensaio, construir a curva temperatura x tempo. Da curva resultante, obter a temperatura máxima atingida pelo óleo isolante, em seguida calcular o gradiente máximo óleo-ambiente. Compará-lo com o da tabela da página Construir o gráfico para a correção da resistência no instante do desligamento Com os valores da resistência a frio, da temperatura ambiente correspondente e da resistência a quente do enrolamento, calcular a temperatura atingida pelos enrolamentos, com a fórmula: 21

22 R θ θ= (K +θo ) K R o onde θ é a temperatura desejada, θ o é a temperatura ambiente, R o é a resistência em ohms do enrolamento à temperatura ambiente, R θ é a resistência em ohms do enrolamento à quente e K = 234,5 para o cobre e 225 para o alumínio Em seguida, calcular o gradiente de temperatura atingido pelo enrolamento e compará-lo com os valores da tabela da página 46 do livro texto Enumerar suas conclusões sobre o trago em questão em relação aos testes efetuados No caso de um transformador se aquecer acima do estabelecido, qual o recurso a ser adotado para a sua utilização? Qual o meio usado para aumento da potência fornecida por um transformador? Qual o aumento máximo normalmente conseguido? O processo é automático? 3 Conclusão: Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a importância dos ensaios de rigidez dielétrica do óleo isolante e de aquecimento dos transformadores trifásicos. Dados obtidos: TRANSFORMADORES ENSAIO DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA - Trafo 3φ - Resfriamento a óleo - Potência 5 kva Ligação: Y-Y - Tensão: V - Elevação máxima de temperatura: 55 O C enrolamento a 40 o C o óleo 22

23 - Dados de ensaios: curto-circuito P cc = 160 watts e em vazio P o = 50 watts - Potência a ser aplicada ao trafo: 210 watts Dados de aquecimento do óleo: θ amb = 27 o C Tempo θ óleo 30 m 35 o C 1 h 41,5 o C 1,5 h 45 o C 2 h 49 o C 2,5 h 53 o C 3 h 56 o C 3,5 h 59,5 o C 4 h 61 o C 4,5h 62 o C 5 h 62,8 o C 5,5 h 63,5 o C 6 h 64,1 o C 6,5 h 64,5 o C 7 h 64,8 o C 7,5 h 65 o C Dados de aquecimento dos enrolamentos: θ amb = 27 o C e R θamb = R o = 0,0248. Tempo de desligamento R θ 1 min 0, min 0, min 0, min 0,

24 AULA N O 5 ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DO RENDIMENTO E REGULAÇÃO 1. Introdução 1.1 Rendimento de transformadores Por definição, Rendimento é a relação entre a potência de saída P 2 e a potência de entrada P 1, normalmente expressa em porcentagem. P η = P 2 %.100% 1 O cálculo do rendimento pode ser feito usando-se as medidas das duas potências. Entretanto, nos transformadores, os valores dos rendimentos, são muito altos, fazendo com que os valores medidos sejam muito próximos e sua diferença supera freqüentemente a classe de precisão dos instrumentos de medida. Nestes casos, é comum utilizar-se um processo indireto. O rendimento depende óbviamente, dos valores da carga e do seu fator de potência. O rendimento fornecido pelo fabricante, segundo a ABNT, deve ser referente à sua carga nominal com fator de potência unitário. A fórmula que permite o cálculo do rendimento pelo processo indireto, é a seguinte: η = VIcosϕ 2 2 % x100 2 VIcos 2 2 ϕ+ RI ,2P0 V 2 I 2 cosϕ = P 2 Potência de Saída R 2 I 2 2 = P cc do ensaio em curto P o = perdas em vazio 24

25 Nesta aula, usaremos o processo direto para a medição do rendimento, utilizando como cargas três resistores. 1.2 Rendimento em energia As empresas de energia elétrica calculam o rendimento em energia diário dos transformadores, consideram o rendimento em n intervalos de tempo de potência aproximadamente constante (no intervalo de tempo n), sendo que h é medido em horas (rendimento diário) para cada intervalo. A expressão para o rendimento diário em energia será dada por: VIcos ϕ.h 2 2 n % x100 2 VIcos 2 2 ϕ.h+ RI.h ,2P.24 0 n n η = sendo: E = V.I.cos ϕ.h Energia de Saída no intervalo de tempo n. 2h 2 2 n 2 cc 2 2 n E = R.I.h = E cc - energia do ensaio em curto (P cc ) para o intervalo de tempo n. P o = perdas em vazio, que ocorrem durante as 24 horas do dia. 1.3 Regulação de Tensão de Transformadores A Regulação de Tensão é a variação da tensão na saída do transformador quando a carga nominal é retirada. Ela indica portanto, a capacidade do transformador de manter tensão estável com a variação da carga desde vazio até plena carga. Normalmente, seu valor é fornecido em porcentagem da tensão nominal de saída. E2 V 2 Reg% =.100 V E 2 é a tensão a vazio e V 2 é a tensão com carga nominal. 2 25

26 Da teoria vista em sala, sabe-se que a regulação depende também do valor da carga (corrente) e do tipo de carga (indutivo ou capacitivo) e do valor do seu fator de potência. A regulação fornecida pelos fabricantes refere-se às condições nominais de carga com fator de potência unitário. 2. Preparação do Ensaio 2.1 Registrar os dados de placa do transformador a ser ensaiado 2.2 Calcular as correntes nominais do mesmo Efetuar a montagem conforme diagrama abaixo: 3. Execução do Ensaio 3.1 Colocar uma carga variável no secundário do transformador e alimentá-lo com tensão nominal no primário. 3.2 Registrar a tensão no secundário com carga zero. 3.3 Variar a carga com fator de potência constante, com valores de I 2 medidos de 0,5 em 0,5 Ampére, até atingir I 2n. 3.4 Para cada valor de I 2 lido, registrar as diversas leituras dos instrumentos, preenchendo o quadro a seguir: 26

27 I 2 V 1 I 1 V 2 W 1 W 2 P 1 W 3 W 4 P 2 Reg % η% 4. Análise: 4.1 Com os dados obtidos do ensaio, traçar para o transformador em questão a curva do rendimento em função da carga (η% x I 2 ou η% x f c ). 4.2 Classificar o transformador pela curva obtida (força ou distribuição) Desenhe uma curva de carga diária hipotética de um transformador. Faça a análise de rendimento com base nesta curva e na expressão para o rendimento diário em energia fornecida pelo transformador. (Não se esqueça que o carregamento do transformador se altera ao longo de um dia de funcionamento e que as perdas a vazio são constantes). 4.4 Utilizando a mesma montagem, determinar os valores de R 2 e X 2 do transformador em uso. Utilize estes valores para o cálculo da regulação pelos métodos gráfico e analítico. 5. Conclusão: Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a importância do ensaio para determinação do rendimento e regulação de transformadores trifásicos. 27

28 AULA N o 6 DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE E DEFASAMENTO ANGULAR DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS 1. Preparação: - Registrar os dados de placa do transformador a ser ensaiado. - Material necessário: - 1 fonte CC - 2 voltímetros CA - 2 voltímetros CC - 1 amperímetro CC de ponteiro central - 1 varivolt trifásico - 1 transformador trifásico 2. Execução: 2.1 Determinação da Polaridade Determinar pelo método do golpe indutivo, a polaridade de cada coluna do transformador, usando a montagem abaixo: Realizar a ligação sucessivamente para cada uma das fases. Ao ligar, se V 1 defletir positivamente, observar a deflexão de V 2 ao desligar. - Se V 2 defletir negativamente, a polaridade é subtrativa. - Se V 2 defletir positivamente, a polaridade é aditiva. 28

29 2.2 Defasamento Angular Efetuar a montagem abaixo para os ítens e Fechar um curto entre H 1 e X 1 e alimentar o lado de TS com tensão trifásica reduzida. V ts = Volts Efetuar as seguintes medidas, para a determinação do defasamento angular do trago pelo método da comparação das tensões: V H1-H3 = Volts V H2-X2 = Volts V H2-X3 = Volts V H3-X2 = Volts V H3-X3 = Volts Efetuar as seguintes medidas, para a determinação do defasamento angular do trafo pelo método gráfico. V X1-X2 = Volts V H1-H2 = Volts V H2-X2 = Volts V H2-X3 = Volts V H3-X2 = Volts V H3-X3 = Volts Determinar o defasamento pelo método do golpe indutivo da seguinte maneira: 29

30 - Ligar uma fonte de CC através de uma chave à TS positivo em H 1 e negativo em H 2. - Ligar um amperímetro em três posições, aos terminais da TI, da seguinte forma: 1 a. posição X 1 X 2 positivo do instrumento em X 1. 2 a. posição X 1 X 3 positivo do instrumento em X 1. 3 a. posição X 2 X 3 positivo do instrumento em X 2. - Fechar o interruptor na TS, fazendo desta forma, H 1 positivo e H 2 negativo e verificar para as três posições, a polaridade dos terminais X 1 -X 2, X 1 X 3 e X 2 X Análise: 3.1 Utilizando-se as leituras do ítem 2.2.1, determinar o defasamento angular através da tabela que se segue. 30

31 3.2 Usando-se as leituras do ítem 2.2.2, determinar o defasamento angular através da construção gráfica. 3.3 Utilizando-se as leituras do ítem 2.2.3, determinar o defasamento angular através da tabela abaixo. 31

32 X 1 X 2 X 1 X 3 X 2 X 3 Defasamento o ou o ou o ou o ou Por que o ensaio da determinação do defasamento angular não permite conhecer o tipo de ligação das TS e TI do trafo? 4. Conclusão: Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a importância do ensaio para determinação do defasamento angular de transformadores trifásicos. 32

33 AULA N o 7 OPERAÇÃO EM PARALELO DE TRANSFORMADORES 1. Preparação: - Registrar os dados de placa dos transformadores a serem ensaiados. - Material necessário: - 1 voltímetro CA - 2 wattímetros CA - 3 amperímetros CA - 1 varivolt trifásico - 2 transformadores trifásicos 2. Execução: Para que os dois transformadores possam ser conectados em paralelo, eles devem satisfazer as seguintes condições: - devem possuir a mesma relação de transformação, - devem ter o mesmo grupo de defasamento, - deve apresentar a mesma impedância percentual, - e mesma relação entre resistência e reatância equivalentes. Portanto, antes de se executar a ligação em paralelo dos transformadores, as condições enumeradas devem ser verificadas através de testes. 2.1 Teste da Relação de Transformação Alimentar o primário de cada um dos 2 transformadores com a tensão primária de 220 Volts e medir a tensão secundária resultante, no tap de 110 volts. Transformador 1 K 1 = 220/V 2 Transformador 2 K 2 = 220/V 2 33

34 2.2 Determinação dos Parâmetros Fazer o ensaio em curto dos trafos de acordo com a figura acima para a determinação de: V cc1 = V P cc1 = W V cc2 = V P cc2 = W Z 1% = % Z 2% = % R 1% = % R 2% = % X 1% = % X 2% = % 2.3 Defasamento Angular Determinar por um dos métodos aprendidos o defasamento angular dos dois transformadores. Sugere-se o método da comparação das tensões da ABNT. Para isso, pode-se aproveitar a montagem do circuito acima do ensaio em curto, bastando apenas retirar o curto do secundário, ligar H 1 e X 1 e medir as tensões abaixo e compará-las, conforme tabela do ítem 3.1 da aula de laboratório anterior. V H1-H2 = Volts V H2-X2 = Volts V H1-H2 = Volts V H2-X2 = Volts 34

35 V H2-X3 = Volts V H2-X3 = Volts V H3-X2 = Volts DA 1 = V H3-X2 = Volts DA 2 = 2.4 Paralelismo De posse dos dados dos ensaios, concluir se já condições de ligação em paralelo dos dois transformadores. Se for possível, após ligá-los, verifique as condições de operação, fazendo medidas das correntes de circulação nas conexões secundárias e da tensão secundária correspondente. Uma vez os trafos ligados em paralelo meça a corrente circulante entre os dois transformadores com os neutros interligados e com os neutros no secundário isolados. Baseado neste fato responda as seguintes perguntas: a) Em qual das duas situações a corrente circulante é menor? Por que? b) Qual é a situação real de operação em paralelo? Com os neutros interligados ou isolados? Por que? 35

36 3. Análise: A operação satisfatória do circuito em paralelo composto pelos dos transformadores é concluída após análise das leituras da corrente circulante I cir e da tensão secundária V sec. Na situação ideal, a corrente I cir deve ser nula e a tensão V sec deve ser exatamente igual à nominal secundária dos dois transformadores. Justifique o por que. Demonstre que, no caso do paralelismo, a relação abaixo é verdadeira: S% 1 Z% 2 = S% Z% Conclusão: Escreva em um mínimo de dez linhas suas conclusões sobre a importância de um estudo detalhado dos dois transformadores quando da sua conexão em paralelo. 36