Transformadores Para Instrumentos. Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.

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1 Transformadores Para Instrumentos Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.

2 Sumário 1. Tipos de Transformadores. 2. Transformadores de Corrente - TCs. 3. Transformadores de Potencial TPs. 4. Ligação para Medição de Energia. 5. Considerações finais. 6. Exemplo de aplicação de medição de energia.

3 Introdução

4 Introdução

5 Introdução

6 Tipos de Transformadores Transformador de alimentação; Transformador de áudio; Transformador de distribuição; Transformador de potencial; Transformador de corrente; Transformador de rádio freqüência; Transformadores de pulso; Autotransformadores.

7 Transformador Industrial

8 Transformadores

9 Transformadores

10 Transformadores

11 Transformadores

12 Transformadores

13 Transformador Ideal

14 Transformadores

15 Histerese

16 Transformadores

17 Transformadores

18 Transformadores

19 Transformadores

20 Bobinas BT e AT

21 Transformadores

22 Transformador de Distribuição

23 Transformadores

24 Transformadores

25 Transformadores

26 Transformadores para Instrumentos São dispositivos utilizados de modo a tornar compatível as faixas (escalas) de atuação dos instrumentos de medição, controle e fornecer a devida proteção dos mesmos. Função importante dos transformadores é a isolação, permitindo a atuação com nível de tensão diferente do circuito com o dispositivo.

27 Transformadores de Corrente Definição: São transformadores destinados a operar com seus secundários sobre cargas com impedância reduzidíssima, como bobinas de amperímetros, bobinas de corrente de relés, etc (SIMONE, 1998).

28 Transformadores de Corrente

29 Transformadores de Corrente

30 Transformadores de Corrente Aspectos Construtivos: Consiste em poucas espiras no primário e com uma bitola apropriada para a corrente do circuito de força, conectado em série com este enrolamento, fazendo com que a corrente que flui para a carga circule pelo enrolamento primário.

31 Transformadores de Corrente Aspectos Construtivos: O secundário contém várias espiras de fio relativamente fino, adequado ao equipamento de medição conectado a ele. A impedância interna do equipamento conectado ao secundário do TC é pequena, de modo a fazer com que o secundário esteja praticamente em curto-circuito. Isto significa que um TC opera como se fosse um transformador com o secundário em curto-circuito.

32 Transformadores de Corrente

33 Transformadores de Corrente Aspectos Construtivos: As bobinas dos instrumentos são conectadas em série e a impedância total deve ser a menor possível (menor que 1 Ω). A tensão do secundário do TC é aplicada sobre a pequena impedância do(s) instrumento(s) de medida e dos condutores que fazem conexão com ele é da ordem de alguns Volts.

34 Transformadores de Corrente Aspectos Construtivos: Como um pequeno valor de tensão corresponde a um pequeno valor de FEM (E2), isto leva a um pequeno fluxo magnético mútuo. Neste caso pode-se desprezar as perdas no ferro, corrente de excitação e de magnetização e a corrente do primário tende a ser proporcional a corrente do secundário.

35 Transformadores de Corrente

36 Transformadores de Corrente Aspectos Construtivos: Como foi desprezadas as perdas, a constante (k) de proporção entre a corrente do primário em ralação a corrente do secundário do TC é a própria relação de transformação. Neste caso, temos:

37 Transformadores de Corrente Aspectos Construtivos: Portanto, a relação de transformação é constante se for desprezada a corrente de magnetização. Na prática, em função das propriedades dos materiais magnéticos usados para a construção dos TCs, ocorrem algumas imprecisões (erros) de medição que devem ser considerados.

38 Transformadores de Corrente Aspectos Construtivos: Estas peculiaridades dos TCs faz com que o enrolamento primário tenha poucas espiras e no caso de grandes correntes, o enrolamento primário não passa de uma barra ou um condutor cilíndrico que passa por uma janela do núcleo de aço-silício. A tensão do primário de um TC é da ordem de milivolts, enquanto o secundário é da ordem de alguns Volts.

39 Transformadores de Corrente

40 Transformadores de Corrente

41 Transformadores de Corrente

42 Transformadores de Corrente

43 Transformadores de Corrente

44 Transformadores de Corrente

45 Transformadores de Corrente

46 Transformadores de Corrente

47 Transformadores de Corrente

48 TC Correntes Nominais As correntes nominais primárias e as relações devem ser compatíveis com a corrente de carga do circuito primário. As correntes nominais primárias podem ser de 5 A a 8000 A e a corrente secundária via de regra é 5 A, podendo em alguns casos ser de valor 1 A, 500mA, 300mA e 100 ma ou menos, dependendo do emprego do TC.

49 TC Correntes Nominais A NBR6856 adota as seguintes simbologias para definir as relações de corrente. Dois pontos(:) é usado para exprimir relações nominais. Ex.: 300:1; Hífen(-) é usado para separar correntes nominais de enrolamentos diferentes. Ex.: 300-5A, (dois enrolamentos primários) e (dois enrolamentos secundários);

50 TC Correntes Nominais O x é usado para separar correntes primárias nominais, ou relações nominais duplas, como 300x600-5A, correntes primárias nominais, cujos enrolamentos podem ser ligados em série ou paralelo; Barra (/) é usada para separar correntes primárias nominais ou relações nominais obtidas por meio de derivações, efetuadas tanto nos enrolamentos primários como nos secundários. Ex.: 300/400-5A, ou 300-5/5.

51 TC Polaridade Os TCs destinados ao serviço de medição de energia, relés de potência, fasímetros, etc. são identificados nos terminais de ligação primário e secundário por letras que indicam a polaridade para a qual foram construídos e que pode ser positiva ou negativa. São empregados as letras com seus índices, P1, P2, e S1, S2.

52 TC Polaridade Um TC tem polaridade subtrativa, quando a onda de corrente, num determinado instante, percorre o circuito primário de P1 para P2 e a onda de corrente correspondente no secundário assume a trajetória de S1 para S2. Caso contrário, diz-se que o TC tem polaridade aditiva.

53 TC Polaridade A maioria dos TCs tem polaridade subtrativa, sendo inclusive indicada pela NBR6856. Somente sob encomenda são fabricados transformadores de corrente com polaridade aditiva.

54 TC Classe de Exatidão De acordo com os instrumentos a serem ligados aos terminais secundários do TC, devem ser as seguintes as classes de exatidão deste equipamento: Para ajuste e calibração dos instrumentos de medidas de laboratórios: 0,1%; Alimentação de medidores de demanda e consumo ativo e reativo para fins de faturamento, 0,3%;

55 TC Classe de Exatidão Alimentação de medidores para fins de acompanhamento de custos industriais, 0,6%; Alimentação de amperímetros indicadores, registradores gráficos, relés de impedância, relés diferenciais, relés de distância, relés direcionais, 1,2%; Alimentação de relés de ação direta, por exemplo, aplicado em disjuntores primários de subestações de consumidores, 3,0%.

56 Transformadores de Potencial Definição: São transformadores desenvolvidos para operar com os terminais do secundário com cargas de elevadas impedâncias, como é o caso da bobina de voltímetros, bobinas voltimétricas dos relés, etc (SIMONE, 1998).

57 Transformadores de Potencial

58 Transformadores de Potencial

59 Transformadores de Potencial

60 Transformadores de Potencial

61 Transformadores de Potencial

62 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: O enrolamento primário de um TP consiste de um número elevado de espiras adequado a tensão operacional da rede à qual será conectado. O enrolamento secundário, entretanto, possui um número de espiras menor, adapta-se a tensão do equipamento ou dispositivo que será conectado ao enrolamento secundário.

63 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: Por norma, a tensão secundária é de 115 V, nos TPs empregados em medição. As condições de operação normal de um TP correspondem a operação de um transformador em vazio. O TP é usado para conectar, voltímetros, freqüêncímetros, e bobinas de aparelhos eletrodinamométricos (como Wattímetros, Wattímetro integrador e Cossímetro).

64 Transformadores de Potencial

65 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: Os TPs são conectados diretamente a rede de alimentação e são fabricados para todas as Classes de Tensão de Isolamento previstas na norma NBR O TP é similar em construção a um pequeno transformador de potência, onde o primário com várias espiras, é conectado ao lado de alta tensão, enquanto o secundário é conectado ao voltímetro.

66 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: Os TPs tem enrolamentos concêntricos e o enrolamento de alta envolve o enrolamento de baixa, à semelhança dos transformadores de potência. Todos os instrumentos de medida são conectados em paralelo ao mesmo secundário, atuando sobre todos os instrumentos simultaneamente.

67 Transformadores de Potencial

68 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: As resistências dos voltímetros, em geral, são da ordem de milhares de Ohms, de modo que o TP opere em condições similares ao transformador de potência com o secundário em aberto.

69 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: Devido a isto, as quedas de tensão internas aos mesmos, dadas por suas resistências e suas reatâncias equivalentes, são relativamente pequenas, e pode-se considerar que:

70 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: Portanto a relação de transformação é a própria constante de proporção entre o primário e o secundário do TP. A tensão do secundário tem fase oposta a tensão do primário e a polaridade do enrolamento deve ser avaliada quando se necessita da fase do sinal.

71 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: A correta transmissão da fase do sinal de primário é de vital importância para instrumentos como um registrador integrador (Wattímetro hora). Se um voltímetro estiver permanentemente ligado, a escala do aparelho é projetada para aparecer no visor a tensão de alta tensão, sem a necessidade de conhecer a relação de transformação.

72 Transformadores de Potencial Aspectos Construtivos: Por segurança, um dos terminais do secundário do TP, a carcaça e principalmente o núcleo magnético devem ser aterrados no mesmo ponto. Isto evita que uma fuga de corrente pela isolação dos enrolamentos, ou um transitório de sinal, que gere um pulso de alta tensão, venha a danificar o equipamento ou alcançar o operador.

73 TPs Indutivos Os TP indutivos são construídos segundo três grupos: Grupo 1 - são aqueles projetados para ligação entre fases. São basicamente os do tipo utilizados nos sistemas de até 34,5 kv. Os transformadores enquadrados neste grupo devem suportar continuamente 10% de sobrecarga;

74 TPs Indutivos Grupo 2 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistema diretamente aterrados, isto é: onde Rz é a resistência de seqüência zero do sistema; e Xp é a reatância de seqüência positiva do sistema. Grupo 3 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garante a eficácia do aterramento.

75 TPs Indutivos

76 TPs Capacitivos Os transformadores capacitivos basicamente utilizam-se de dois conjuntos de capacitores que servem para fornecer um divisor de tensão e permitir a comunicação através do sistema carrier. São construídos normalmente para tensões iguais ou superiores a 138 kv.

77 TPs Capacitivos O esquema básico do TP, onde se vê que o primário constituído por um conjunto C1 e C2 de elementos capacitivos em série. É ligado entre fase e terra, havendo uma derivação intermediária B, correspondente a uma tensão V da ordem de 5 kv a 15 kv, para alimentar o enrolamento primário de um TP tipo indução intermediário, o qual fornecerá a tensão V2 aos instrumentos de medição e de proteção ali instalados.

78 TPs Capacitivos

79 TPs Capacitivos Notação adotada pela NBR6855: Dois pontos(:) é usado para representar relações nominais como por exemplo 120:1 (13800 para 115 V); Hífen (-) é usado para separar relações nominais de enrolamentos diferentes, como por exemplo volts;

80 TPs Capacitivos Sinal x é usado para separar tensões primárias nominais e relações nominais de enrolamentos destinados a serem ligados em série ou paralelo, como por exemplo 69000x volts; A barra (/) é usada para separar tensões primárias nominais e relações nominais obtidas por meio de derivações, seja no enrolamento primário ou no secundário, por exemplo, TP grupo 2:

81 TPs Capacitivos Condições de Instalação: Queda de tensão no circuito de não deve ultrapassar a 5%, em regime intermitente; Carga a ser computada para o dimensionamento do transformador de potencial deve levar em consideração a potência das lâmpadas de sinalização, a carga consumida continuamente pelas bobinas e a sua potência de operação;

82 TPs Capacitivos Condições de Instalação: No cálculo da carga total deve-se levar em consideração tanto as cargas ativas como as cargas reativas das bobinas em regime contínuo e em regime de operação.

83 Ligação

84 Dados de Especificação Destinação: medição, proteção ou automação; Uso: interior, exterior, conjunto de manobra; Carga instalada (especificação dos instrumentos e dispositivos) (Potência nominal); Não empregar como fonte de carga auxiliar Classe de exatidão (finalidade); Classe de tensão (nível de isolamento);

85 Dados de Especificação Números de enrolamentos secundários ou derivações; Relação de transformação; Valor nominal das correntes e tensões (primárias e secundárias); Grupo de ligação (TP); Fator térmico; Tensão aplicada (Suportáveis e impulso) Tipo de encapsulamento (epóxi, imerso, seco).

86 Considerações Finais Os TPs e TCs servem também como elementos de isolamento entre os instrumentos ligados no secundário e o circuito de alta tensão, reduzindo assim o perigo para o operador e tornando desnecessário uma isolação especial para tais instrumentos. Assim, é que há TCs de 5-5 A, mas com nível de isolamento para alta tensão;

87 Considerações Finais Um mesmo instrumento elétrico, utilizado com TCs ou TPs de diferentes relações nominais, podem servir para um campo muito largo de medições graças à padronização dos valores secundários deles, 5A para os TCs e 115 volts para os TPs. Deve-se ter o cuidado de ligar à terra o secundário e o núcleo dos TCs e TPs por medida de segurança.

88 Considerações Finais Além disso, os TCs para alta tensão são construídos normalmente com camadas de material condutor envolvendo o enrolamento primário para uniformização da distribuição dos potenciais. Estas camadas são ligadas entre si e também a um terminal externo, o qual deve ser ligado ao terra. Os TCs e TPs têm todos os terminais primários e secundários providos de marcas indeléveis.

89 Considerações Finais Estas marcas permitem ao instalador a rápida identificação dos terminais de mesma polaridade. O instalador somente precisa se preocupar com a polaridade no momento em que for ligar ao secundário dos TCs ou TPs os instrumentos elétricos que têm bobinas providas de polaridades relativa, tais como wattímetros, medidores de energia elétrica, fasímetros, etc.

90 Considerações Finais A entrada das bobinas destes instrumentos deve ser ligada ao terminal secundário do TC ou TP que corresponde ao terminal primário que foi utilizado como entrada. É aconselhável, antes de instalar os TCs e TPs verificar pelo menos a "relação de transformação nominal" e a polaridade.

91 Considerações Finais O núcleo dos TPs e TCs é feito de chapas de ferro silício. Para os de melhor qualidade, emprega -se ferro silício de grãos orientados, laminado a frio, conseguindo-se bons resultados quanto à permeabilidade magnética e menores perdas.

92 Considerações Finais Os TCs especiais, os que serão utilizados como padrão por exemplo, para os quais se exige excelente classe de exatidão, tem o núcleo feito de chapas de ligas especiais de ferro níquel. Estas ligas têm alta permeabilidade magnética e perdas reduzidas, mas o seu custo é bem maior.

93 BIBLIOGRAFIA Simone, Gilio Aluísio. Transformadores. São Paulo: Érica, WEG. Catálogo de Transformadores

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