Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica. Roteiro para Laboratório de: Transformadores. Aulas Práticas e Ensaios

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1 Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Elétrica Roteiro para Laboratório de: Transformadores Aulas Práticas e Ensaios Prof.: Adalton Lima de Aguiar Prof.: José Roberto Camacho Prof.: Elvio Prado da Silva 10 de agosto de 2010 Terceira Edição

2 Sumário Sumário ii 1 Ensaio para Determinação da Rigidez Dielétrica do Óleo Isolante Coleta da amostra Preparação do ensaio Realização do Ensaio Questões Conclusão Verificação da Corrente a Vazio e da Corrente Transitória (INRUSH) Componentes do Transformador Preparação Esquema de Montagem Obtenção da Corrente a Vazio Questões Referentes a Obtenção da Corrente a Vazio Obtenção da Corrente Transitória (INRUSH) Questões Referentes a Obtenção da Corrente Transitória Conclusão Ensaio em Vazio de um Transformador Trifásico Preparação Esquema de Montagem Levantamento de Dados Questões Conclusão Ensaio em Curto-Circuito de um Transformador Trifásico Preparação Esquema de Montagem ii

3 SUMÁRIO iii 4.3 Levantamento de Dados Efetuando Ensaio com Corrente Reduzida Questões Conclusão Anexo Ensaio para a Determinação do Rendimento e Regulação do Transformador Rendimento do Transformador Rendimento em Energia Regulação de Tensão em Transformadores Preparação do Ensaio Execução do Ensaio Questões Conclusões Determinação da Polaridade e Defasamento Angular de Transformadores Trifásicos Preparação Determinação da Polaridade Determinação do Defasamento Angular Defasamento Angular: Comparação das Tensões Defasamento Angular: Método do Golpe Indutivo Questões Conclusões Operação em Paralelo de Transformadores Preparação Ensaios Paralelismo Questões Conclusão

4 Apresentação Ao corpo discente A disciplina TRANSFORMADORES, obrigatória no currículo do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia, 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, 10 de agosto de 2010 prof.: Adalton Lima de Aguiar prof.: José Roberto Camacho 1

5 Roteiro para Elaboração de Relatórios Durante as aulas de laboratório, realizaremos uma série de procedimentos e ensaios em transformadores de potência. Nos capítulos seguintes encontram-se os procedimentos, materiais e ferramentas para os ensaios. Caberá ao professor discursar a respeito do referido ensaio e do manuseio das ferramentas. Ao aluno, caberá realizar o ensaio conforme os procedimentos zelando de sua segurança e dos demais colegas afim de evitar acidentes, bem como zelar para com os materiais e ferramentas disponíveis para a realização do ensaio. Cabe também ao aluno a confecção de um relatório completo referente a aula. Ao fazer os relatórios o aluno deve proceder como se estivesse fazendo um relatório para seu chefe na empresa em que trabalha. Logo, é de se supor que os mesmos deverão ter coerência, aparência, capricho, e o mais importante, devem estar corretos. Cada relatório deverá conter obrigatoriamente estes ítens nesta sequência: 0. Capa (cabeçalho, número e nome do ensaio, nome do aluno, matrícula, data); 1. Título; 2. Objetivos; (0,1 pontos) 3. Introdução Teórica; (0,4 pontos) 4. Preparação: (a) Materiais e ferramentas; (b) Montagem; (0,1 pontos) (0,1 pontos) 5. Análise de Segurança; (0,1 pontos) 6. Cálculos e análise dos Resultados; (0,2 pontos) 7. Questões; (0,8 pontos) 8. Conclusão. (no mínimo 10 linhas) (0,2 pontos) 9. Referências Bibliográficas. 2

6 Laboratório: Aula 1 Ensaio para Determinação da Rigidez Dielétrica do Óleo Isolante Uma das principais funções do óleo em transformadores está relacionada com a sua rigidez dielétrica 1. Para a execução deste ensaio são necessários: Analisador portátil de rigidez dielétrica; Amostras do óleo isolante do transformador; 1.1 Coleta da amostra Alguns cuidados devem ser tomados para a coleta da amostra do óleo a ser testado, afim de evitar a contaminação do mesmo, e são definidos pela Norma Brasileira intitulada: NBR-7037 Recebimento, Instalação e Manutenção de Transformadores, a saber: 1. Usar um recipiente de vidro transparente com capacidade de aproximadamente 1 litro, que deve ser previamente lavado com álcool e benzina. 2. Esse recipiente deve ser seco eemseguida enxaguadocomopróprioóleoaser testado. 3. Recomenda-se que a rolha do mesmo seja de vidro esmerilhado e que após a lavagem com álcool e benzina, seja levada à estufa para secagem de 100 o C. 4. De preferência, deve-se mergulhar a rolha em parafina. 1 Capacidade de isolamento 3

7 1.2 Preparação do ensaio 4 5. 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. 6. Limpar cuidadosamente a válvula de drenagem evitando o uso de panos e estopas. 7. Abrir a válvula de drenagem existente no fundo do tanque do transformador, deixando escorrer aproximadamente 1 litro pela mesma antes de coletar a amostra. Isto 2 permitirá a limpeza do sistema de drenagem propriamente dito. 8. Encher devidamente o recipiente com óleo, sem usar jato forte, para evitar a formação de espumas e bolhas. 9. Não deve ser permitida também, a entrada de qualquer impureza. 10. 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. 11. Antes do ensaio o óleo deve ser suavemente agitado, afim de que o conteúdo seja homogeneizado. 12. 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. 13. Não colocar o dedo no receptáculo e nem deixar cair nele suor, respingos ou corpos estranhos. 1.2 Preparação do ensaio Atentando aos cuidados para a coleta da amostra citados na seção 1, o procedimento para a realização do ensaio vem a seguir: 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).

8 1.3 Realização do Ensaio 5 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 3minutos,paraqueelafiqueisenta debolhaseigualesuatemperaturaàdoambiente. 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. 1.3 Realização 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 a tabela abaixo com as 15 leituras aguardando 3 minutos entre cada medição:

9 1.3 Realização do Ensaio 6 Leitura Porção 1 Porção 2 Porção 3 Média 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) Acime 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, recomendado a filtragem Regeitado, indispensável a filtragem 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. Rigidez Dielétrica Óleo Ensaiado Ar (kv/0, 1pol) (kv/0, 1pol)

10 1.4 Questões Questões 1. Comparar o óleo das amostrar e o ar, quanto à sua capacidade de isolamento elétrico. 2. O ar poderia substituir o óleo nos tanques dos transformadores? Por que isto não é feito nos transformadores de médio e grande porte? 3. Justificar as grandes divergências entre os diversos valores de rigidez dielétrica para uma mesma amostra, caso existam. 4. Efetuar o diagnóstico do óleo com base nos resultados finais. 5. Explique a razão da observância de intervalo de tempo entre as diversas medidas de rigidez dielétrica do óleo. 6. 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? 7. 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? 8. Qual a forma dos eletrodos recomendada pelas normas? Haveria diferença dos valores obtidos se os eletrodos fossem pontiagudos? Por que? 9. Quais as vantagens e desvantagens do Askarel em relação aos óleos minerais? 10. Explicar o princípio e a aplicação do Relé Buchholz. 1.5 Conclusão Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio para a determinação da rigidez dielétrica do óleo executado em laboratório e sobre a importância dos parâmetros obtidos durante o teste.

11 Laboratório: Aula 2 Verificação da Corrente a Vazio e da Corrente Transitória (INRUSH) A corrente a vazio é um parâmetro importante, pois define a energia consumida pelo transformador 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 transformador. 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 transformador. 2.1 Componentes do Transformador As principais partes componentes de um transformador 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); os enrolamentos de alta e baixa tensão; papel isolante envolvendo os condutores (bobinas) e as cabeças das bobinas. 8

12 2.2 Preparação 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; 1 chave on-off. 2.3 Esquema de Montagem Osciloscópio Varivolt 1 Resistor H1 X1 H2 X2 Transformador 1 Figura 2.1: Montagem para obtenção da Corrente a Vazio 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 da figura 2.1. De acordo com o esquema o transformador deverá estar operando em vazio. Observe que na figura 2.1 temos um resistor em série com o circuito, e as ponteiras do osciloscópio medindo seus terminais. Devemos proceder desta forma pois sabemos que as ponteiras comuns dos osciloscópios medem tensão, logo para conseguirmos uma forma de onda de corrente proporcional a tensão (lei de Ohm), devemos medir os terminais de um resistor.

13 2.4 Obtenção da Corrente a Vazio Obtenção da Corrente a Vazio Sabemos que as ponteiras de medição de osciloscópios comuns medem tensão, logo, para obtenção da corrente, devemos fazer uso da lei de ohm (V = R i). Com as ponteiras do osciloscópio medindo a diferença de potencial nos terminais do resistor, veremos na tela do osciloscópio uma forma de onda idêntica 1 a forma de onda de corrente Questões Referentes a Obtenção da Corrente a Vazio Aumente gradualmente a tensão a partir de zero no varivolt e observe a forma de onda registrada no osciloscópio. 1. 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? 2. 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? 2.5 Obtenção da Corrente Transitória (INRUSH) Desligue a alimentação do circuito do transformador (chave em OFF), com o varivolt em um valor que forneça uma corrente em vazio razoável. Prepare o recurso de gravação e memória do osciloscópio para que possamos obter a corrente transitória. Ligue a chave on-off e verifique a forma de onda capturada pelo osciloscópio no momento em que o circuito foi ligado. Esta corrente é denominada Corrente Transitória (INRUSH), pois ocorre somente no momento de chaveamento do circuito Questões Referentes a Obtenção da Corrente Transitória 1. O que pode se observar a respeito da corrente transitória no instante em que o transformador foi ligado em vazio? 2. O que pode se observar a respeito da corrente transitória alguns ciclos após seu chaveamento? 1 Podemos dizer que a forma de onda de corrente que passa por um resistor é idêntica a forma de onda de tensão desde que consideremos o resistor como sendo puramente resistivo.

14 2.6 Conclusão Repetindo o processo de energização do transformador 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 transformador é senoidal e de frequência igual a 60 Hz. 4. Desenhe formas de onda típicas de corrente transitória em transformadores. 5. Por que entre dois processos de obtenção da corrente transitória, a forma de onda registrada no osciloscópio nunca se repete? 2.6 Conclusão Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a corrente em vazio, a corrente transitória (de inrush) do transformador monofásico observado em laboratório e sobre os componentes típicos dos transformadores trifásicos de distribuição.

15 Laboratório: Aula 3 Ensaio em Vazio de um Transformador Trifásico Em um ensaio em vazio 1, como o próprio nome diz, o transformador é ensaiado sem carga. Os objetivos do teste em vazio do transformador trifásico são: Determinar as perdas no núcleo por histerese e Foulcault (perdas no ferro); Determinar a corrente em vazio Io; Determinar a relação de transformação de placa (K) e a relação do número de espiras (Kn); Determinar os parâmetros do ramo magnetizante. 3.1 Preparação 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. 1 Não confunda este ensaio com o experimento da aula 2. Nesta aula 3, realizaremosum ensaio em vazio do transformador, e na aula 2, foram realizadas apenas medições e oscilografias. 12

16 3.2 Esquema de Montagem Esquema de Montagem V Volt A A Amp Watt X1 H1 B X2 H2 C N Varivolt 3 Amp X3 H3 Transformador 3 V A Amp Watt Figura 3.1: Montagem para obtenção do Ensaio em Vazio Lembre-se que a notação H1, H2 e H3 refere-se aos terminais da alta tensão e que X1, X2 e X3 referem-se aos terminais da baixa tensão. Veja que os terminais H1, H2 e H3 estão em vazio (sem carga) neste ensaio. 3.3 Levantamento de Dados Será utilizado para a realização do teste em vazio, um transformador trifásico com as seguintes características: Potência Nominal Tensão Tensão Frequência Ligação Ligação (P n ) (AT) (BT) (Hz) (AT) (BT) 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 da figura 3.1. De acordo com o esquema, o transformador trifásico deverá estar operando todo o tempo em vazio.

17 3.4 Questões 14 Aplicando tensão nominal ao enrolamento de baixa tensão, efetuar as medições abaixo: Vn I 01 I 02 I 03 W 01 W 02 (V) (A) (A) (A) (W) (W) Sabemos que W 0 = W 02 +W 01, mas fique atento ao valor lido nos wattímetros e conserve o sinal positivo ou negativo medido. A fim de determinar a relação de transformação do transformador sob teste, aplicar uma tensão reduzida ao enrolamento de alta tensão, anotando os valores: V AT (V) V BT (V) 3.4 Questões 1. Com os dados de V AT e V BT, determine os valores de K: K Placa ( Kn ) ( K Ensaiado ) (Fornecido na Placa) Kn = N 1 N 2 K Ensaiado = V AT V BT 2. Com os valores obtidos na seção 3.3, calcule a corrente de magnetização I 0 (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. I 0 Linha = I 01 +I 02 +I 03 3 W 0 Fase = W 0 3 I 0 Linha I 0 Fase W 0 Fase V Fase (A) (A) (W) (V)

18 3.4 Questões 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. W 0 Fase = V Fase I 0 Fase cos(φ 0 ) I 0p = W 0 Fase V Fase I 2 0 Fase = I2 0p +I2 0q Para circuito equivalente série: Rm s = W 0 Fase I 2 0 Fase Zm = V Fase I 0 Fase Zm 2 = Rm 2 s +Xm2 s Para circuito equivalente paralelo: Zm = V Fase I 0 Fase Rm p = W 0 Fase I 2 0p Xm p = V Fase I 0q cos(φ 0 ) I 0p I 0q Zm Rm s Xm s Rm p Xm p (A) (A) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) 4. Determinar a porcentagem da corrente de magnetização em relação à corrente nominal do transformador: Corrente Nominal do Transformador In Linha = Wn 3 VnLinha In Linha In Fase I 0 Fase I 0 % de In Fase (A) (A) (A) (%)

19 3.5 Conclusão Por que uma das correntes obtidas pelos amperímetros não apresenta o mesmo valor das outras duas? 6. Por que o ensaio em vazio deve ser realizado alimentando-se o enrolamento de baixa tensão? 7. Justificar a diferença entre os três valores de K (Kn,K Placa,K Ensaiado ) e definir cada um deles. 8. 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 transformadors: transformadors operando sempre com muita folga (superdimensionados) ou transformadores operando no limite de sua capacidade? Explique. 9. Desenhe o circuito equivalente do transformador (ramo série e ramo paralelo), considerando somente a parte magnética. Inserir nos desenhos os valores calculados. 3.5 Conclusão Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio em vazio, e sobre as importâncias deste ensaio.

20 Laboratório: Aula 4 Ensaio em Curto-Circuito de um Transformador Trifásico Em um ensaio em curto-circuito, o transformador é submetido a curto-circuito trifásico, e aumenta-se a tensão gradativamente até atingir a corrente nominal. Logo, este ensaio simula transformador com carga máxima. Os objetivos do ensaio em curto-circuito do transformador trifásico são: Determinar as perdas no cobre (nos condutores que compõem as bobinas). Determinar a impedância, resistência e reatância percentuais. Determinar a queda de tensão interna. 4.1 Preparação 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. 17

21 4.2 Esquema de Montagem Esquema de Montagem V Volt A A Amp Watt H1 X1 B H2 X2 C N Varivolt 3 Amp H3 X3 Transformador 3 V A Amp Watt Figura 4.1: Montagem para obtenção do Ensaio em Curto-Circuito Lembre-se que a notação H1, H2 e H3 refere-se aos terminais da alta tensão e que X1, X2 e X3 referem-se aos terminais da baixa tensão. Veja que os terminais X1, X2 e X3 estão em curto-circuito neste ensaio. 4.3 Levantamento de Dados Será utilizado para a realização do teste em curto-circuito, um transformador trifásico com as seguintes características: Potência Nominal Corrente Nominal Tensão Tensão Frequência Ligação Ligação (P n ) (In) (AT) (BT) (Hz) (AT) (BT) 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 da figura 4.1. Após calculada a corrente nominal do transformador, aumente a tensão gradativamente, e anote tensão e corrente até atingir a corrente nominal.

22 4.3 Levantamento de Dados 19 Vcc Icc 1 Icc 2 Icc 3 (V) (A) (A) (A) Efetuando Ensaio com Corrente Reduzida Caso não seja possível fazer circular pelos enrolamentos do transformador, a sua corrente nominal obtenha os valores abaixo, para um valor reduzido de corrente: In Icc Wcc 1 Wcc 2 Wcc (A) (A) (W) (W) (W) Efetue as devidas correções e obtenha os valores nominais da tensão e da potência de curto-circuito: Icc Vcc Vcc n Wcc n (A) (V) (V) (W) In = Pn 3 Vn Vcc n = Vcc In Icc Wcc n = In2 Icc 2 Wcc

23 4.4 Questões Questões 1. Construa a curva característica de curto-circuito V cc = f(icc). 2. Faça um comentário sobre a curva obtida. Qual a sua aplicação no ensaio em curtocircuito? 3. Calcule a porcentagem da tensão primária de curto-circuito, relativamente à tensão primária nominal: Vn Vcc Vcc% de Vn (V) (V) 4. Calcule o valor da impedância Z, da resistência R e da reatância X percentuais, efetuando as devidas correções para 75 o C. R X Z R 75 o C Z 75 o C (%) (%) (%) (%) (%) R% = Wcc Wn 100% Z% = Vcc Vn 100% X% = Z% 2 R% 2 ( 1 α R 75 o C = R +θ ) 75 o C 1 α +θ amb 1 α cobre = 234,5 5. Determine para o transformador ensaiado, as perdas adicionais e as perdas nos enrolamentos. W 0 W ad = 20% de W 0 Wcc n W enrolamento (W) (W) (W) (W) 6. Compare as perdas nos enrolamentos com as a vazio e tire suas conclusões sobre o transformador sob teste.

24 4.5 Conclusão Enumere as vantagens e desvantagens de um transformador que tenha um valor muito alto de V1cc. 8. Segundo a ABNT, quais são os valores normais de V1cc 9. Analisar a diferença dos resultados desprezando-se ou não as perdas adicionais. 10. Durante o ensaio em curto, o que acontece com a indução no núcleo do transformador? Por que? 4.5 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. 4.6 Anexo Figura 4.2: Propriedades dos Materiais

25 Laboratório: Aula 5 Ensaio para a Determinação do Rendimento e Regulação do Transformador 5.1 Rendimento do Transformador Por definição, Rendimento é a relação entre a potência de saída P 2 e a potência de entrada P 1, normalmente expressa em porcentagem, como mostra a equação 5.1. η% = P 2 P 1 100% (5.1) 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 obviamente, 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 equação 5.2 permite o cálculo do rendimento pelo processo indireto. η% = V 2 I 2 cos(φ) V 2 I 2 cos(φ)+r 2 I 2 2 +P 0 +P ad 100% (5.2) 22

26 5.1 Rendimento do Transformador 23 Onde: V 2 I 2 cos(φ) é a potência P 2 de saída; R 2 I 2 corresponde as perdas em curto-circuito; P 0 corresponde as perdas em vazio; P ad são perdas adicionais diversas além das citadas, que correspondem a aproximadamente 20% de P 0, logo: P 0 +P ad = 1,2 P 0. Nesta aula, usaremos o processo direto para a medição do rendimento, utilizando como cargas três resistores 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 pela equação 5.3. n V2 I 2 cos(φ) h η% = n V2 I 2 cos(φ) h+ n 100% (5.3) R2 I2 2 h+1,2 P 0 24 Sendo: E 2h = n V2 I 2 cos(φ) h Energia de saída no intervalo de tempo n; E cc = n R2 I 2 2 h Energia do ensaio em curto-circuito (P cc) para o intervalo de tempo n; P 0 perdas em vazio, que ocorrem durante as 24 horas do dia.

27 5.2 Regulação de Tensão em Transformadores Regulação de Tensão em 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. Sendo que: Reg% = E 2 V 2 V 2 100[%] (5.4) Reg% Regulação percentual; E 2 V 2 tensão a vazio; tensão com carga nominal. 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. Devemos saber que a melhor regulação deve ser próxima de zero. Quanto maior a regulação, pior é a variação de tensão no secundário do transformador, e esta variação não pode ser grande. 5.3 Preparação do Ensaio Será necessário para este ensaio os seguintes equipamentos: 1 Transformador Trifásico; 2 Voltímetros; 6 Amperímetros; 4 Wattímetros; 1 Varivolt Trifásico;

28 5.3 Preparação do Ensaio 25 3 Reostatos; Fios e cabos para as ligações. Registrar os dados de placa do transformador a ser ensaiado e calcular as correntes nominais do mesmo. Efetuar a montagem conforme diagrama 5.1. V V Volt A Amp A Watt H1 Volt X1 Amp A Watt Reostato B H2 X2 C N Varivolt 3 Amp H3 X3 Transformador 3 Amp Reostato V V Amp A Watt Amp A Watt Reostato Figura 5.1: Esquema de ligação para ensaio de Rendimento e Regulação Execução do Ensaio 1. Colocar uma carga variável no secundário do transformador e alimentá-lo com tensão nominal no primário. 2. Registrar a tensão no secundário com carga zero. 3. Variar a carga com fator de potência constante, com valores de I 2 medidos de 0,5 em 0,5 Ampère, até atingir a corrente nominal I 2n. 4. ParacadavalordeI 2 lido,registrarasdiversasleiturasdosinstrumentos, preenchendo a tabela Calcular o Rendimento e a Regulação para cada valor de I 2.

29 5.4 Questões 26 Tabela 5.1: Tabela a ser preenchida e calculada para obtenção do Rendimento e Regulação do transformador I 2 V 2 W 3 W 4 P 2 I 1 V 1 W 1 W 2 P 1 Reg% η% 5.4 Questões 1. Com os dados obtidos no ensaio(tabela 5.1), traçar para o transformador em questão a curva do rendimento em função da carga (η% x I 2 ou η% x f c ). 2. Analise o gráfico da questão anterior em relação a carga, verificando o comportamento do transformador em vazio, a meia carga e com carga máxima. 3. Se você fosse o engenheiro responsável, qual o regime de carga você recomendaria para este transformador trabalhar a maior parte do dia? 4. Classificar o transformador pela curva obtida (forca ou distribuição). 5. Desenhe uma curva de carga diária hipotética de um transformador. Faca a analise de rendimento com base nesta curva e na expressão para o rendimento diário em energia

30 5.5 Conclusões 27 fornecida pelo transformador. (Não se esqueça que o carregamento do transformador sealteraaolongodeumdiadefuncionamento equeasperdasavaziosãoconstantes). 6. Utilizando a mesma montagem, determinar os valores de R 2, X 2 e Z 2 do transformador em uso. 7. Utilize os valores de R 2, X 2 e Z 2, para o calculo da regulação pelos métodos: gráfico (Desenhe o diagrama de Kapp do transformador) e analítico (Calcule a regulação: Reg% = Z% f c cos(φ i φ c )). Lembre-se que o fator de potência para cargas resistivas é unitário. 5.5 Conclusões Escreva em no mínimo 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio para a determinação do Rendimento e da Regulação de um transformador trifásico.

31 Laboratório: Aula 6 Determinação da Polaridade e Defasamento Angular de Transformadores Trifásicos A polaridade de um transformador está relacionada ao sentido de enrolamento das bobinas, e esta pode ser aditiva ou subtrativa. Já o defasamento angular está relacionado ao tipo de ligação trifásica do transformador que pode ser, Y ou Z. 6.1 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; 1 chave liga-desliga. 28

32 6.2 Determinação da Polaridade Determinação da Polaridade Determinar pelo método do golpe indutivo, a polaridade de cada coluna do transformador, usando a montagem da figura 6.1. CH H1 X1 Fonte CC Volt Volt H0 X0 Figura 6.1: Montagem para determinação da Polaridade 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. Polaridade Encontrada

33 6.3 Determinação do Defasamento Angular Determinação do Defasamento Angular Defasamento Angular: Comparação das Tensões Efetue a ligação mostrada na figura V Volt A B C N Varivolt 3 H1 X1 H2 X2 H3 X3 Transformador 3 Figura 6.2: Esquema de ligação para determinação de Defasamento Angular Fechar um curto entre H 1 e X 1 e alimentar o lado de V TS com tensão trifásica reduzida. Medir as tensões especificadas na tabela 6.1 para a determinação do defasamento angular do transformador pelo método da comparação das tensões. Tabela 6.1: Medições para o Método da Comparação das Tensões V TS [V] V H1 H3 [V] V H3 X2 [V] V H2 X2 [V] V H3 X3 [V] V H2 X3 [V] Com os dados da tabela 6.1 em mãos, consulte a tabela 6.2 afim de obter o ângulo do defasamento angular. Observe que não é possível a determinação do tipo de ligação do transformador, pois vários tipos de ligação possuem o mesmo ângulo de defasamento.

34 Tabela 6.2: Obtenção do ângulo de defasamento

35 6.3 Determinação do Defasamento Angular Defasamento Angular: Método do Golpe Indutivo Determinar o defasamento pelo método do golpe indutivo efetuando as ligações e efetuando as medições conforme a figura 6.3. CH CH H1 X1 H1 X1 H2 X2 Amp H2 X2 Amp Fonte CC H3 X3 Transformador 3 Fonte CC H3 X3 Transformador 3 CH H1 H2 X1 X2 Amp Fonte CC H3 X3 Transformador 3 Figura 6.3: Determinação de Defasamento Angular pelo método do Golpe Indutivo Ligar uma fonte de CC através de uma chave a TS, positivo em H1 e negativo em H2. Ligar um amperímetro em três posições, aos terminais da TI, da seguinte forma: 1 a posição - X1X2 - positivo do instrumento em X1. 2 a posição - X1X3 - positivo do instrumento em X1. 3 a posição - X2X3 - positivo do instrumento em X2. Fechar o interruptor na TS, fazendo desta forma, H1 positivo e H2 negativo e verificar para as três posições, a polaridade dos terminais X1-X2, X1-X3 e X2-X3, completando a tabela 6.3. Verificar se a polaridade das fases A, B e C está corretamente ligada aos terminais H1, H2 e H3 nesta ordem respectivamente. Caso alguma destas polaridades estiverem ligadas invertidas nos terminais, a verificação do defasamento angular através da tabela 6.4 será impossível. Através dos dados obtidos na tabela 6.3 podemos compará-los com a tabela 6.4 afim de obter o defasamento angular pelo método do golpe indutivo.

36 6.4 Questões 33 Tabela 6.3: Anote as polaridades encontradas X1 X2 X1 X3 X2 X3 Tabela 6.4: Tabela para verificação do Defasamento Angular pelo Golpe Indutivo X1 X2 X1 X3 X2 X3 Defasamento o o o o 6.4 Questões 1. Após a montagem da figura 6.2, e com os dados da tabela 6.1 em mãos, consulte a tabela 6.2 e obtenha o ângulo do defasamento angular pelo método da comparação das tensões. 2. Após a montagem da figura 6.3, e com os dados da tabela 6.3 em mãos, consulte a tabela 6.4 e obtenha o ângulo do defasamento angular pelo método do golpe indutivo. 3. Por que o ensaio da determinação do defasamento angular não permite conhecer o tipo de ligação das TS e TI do transformador? 4. Como o ensaio para determinação do defasamento angular não permite conhecer o tipo de ligação, há alguma forma de saber qual o tipo de ligação do transformador? 5. Por que é importante conhecer o defasamento angular do transformador? 6.5 Conclusões Escreva em um mínimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a importância do ensaio para determinação do defasamento angular de transformadores trifásicos.

37 Laboratório: Aula 7 Operação em Paralelo de Transformadores Para que transformadores possam ser conectados em paralelo, eles devem satisfazer as seguintes condições: possuir a mesma relação de transformação; possuir o mesmo grupo de defasamento angular; apresentar a mesma impedância percentual; apresentar mesma relação entre resistência e reatância equivalentes. Portanto, antes de se executar a ligação em paralelo dos transformadores, estas condições devem ser verificadas através de testes. 7.1 Preparação Prepare portanto os seguintes materiais: 2 voltímetros CA; 2 wattímetros CA; 3 amperímetros CA; 1 varivolt trifásico; 2 transformadores trifásicos; 34

38 7.2 Ensaios Ensaios Para a verificação das condições de paralelismo, proceda como se segue: 1. Verifique se os transformadores possuem a mesma relação de transformação medindo as tensões no primário e secundário e preencha a tabela 7.1. Tabela 7.1: Verifique a relação de transformação V 1 V 2 K n [V] [V] K n = V1 V 2 2. Verifique se os transformadores possuem a mesma impedância percentual realizando os ensaios do capítulo 4 na página 17 e preencha a tabela 7.2. Tabela 7.2: Verifique a impedância percentual ///// Transformador 1 Transformador 2 Potência V 1 V 2 V cc P cc Z% R% X%

39 7.2 Ensaios Verifique se os transformadores possuem a mesma relação entre resistência e reatância equivalentes utilizando os dados obtidos no ítem anterior, e preencha a tabela 7.3. Tabela 7.3: Verifique a relação entre resistência e reatância equivalentes R% ///////////////// X% T ransf ormador 1 R% X% T ransf ormador 2 4. Verifique se os transformadores possuem o mesmo defasamento angular realizando os ensaios do capítulo 6 na página 28, e preencha a tabela 7.4. Para tanto, sugere-se o método da comparação das tensões. Para isso, pode-se aproveitar a montagem do circuito do ensaio em curto-circuito, bastando apenas retirar o curto do secundário, ligar H1 e X1 e medir as tensões da tabela 7.4 e compará-las, conforme tabela 6.2 da página 31. Tabela 7.4: Medições para o Método da Comparação das Tensões V 1 [V] V H1 H3 [V] V H3 X2 [V] V H2 X2 [V] V H3 X3 [V] V H2 X3 [V] Defasamento Angular Transformador 1 Transformador 2

40 7.3 Paralelismo Paralelismo De posse dos dados dos ensaios, concluir se há condições de ligação em paralelo dos transformadores. Se for possível, após ligá-los conforme a figura 7.1, verifique as condições de operação, fazendo medidas das correntes de circulação nas conexões secundárias e da tensão secundária correspondente. Volt A B C N Varivolt 3 H1 H2 H3 Transformador 3 H1 H2 H3 Transformador 3 X1 X2 X3 X0 X1 X2 X3 X0 Volt Amp Carga Figura 7.1: Ensaio de Transformadores em Paralelo Uma vez os transformadores ligados em paralelo meça a corrente circulante entre os dois transformadores com os neutros interligados e com os neutros no secundário isolados e anote seus valores na tabela 7.5. Tabela 7.5: Verificação da Corrente circulante Neutros Interligados Neutros Isolados

41 7.4 Questões Questões 1. Sabemos que uma das condições de se ligar transformadores em paralelo é que eles possuam a mesma impedância interna. Explique por que. 2. Por que é necessário conhecer o defasamento angular dos transformadores para ligálos em paralelo? 3. Sabemos que transformadores com potências diferentes podem ser ligados em paralelo, mas um engenheiro sábio não projeta sistemas desta forma. Explique o que pode ocorrer ao se ligar em paralelo transformadores com potências diferentes. 4. Você já observou que os transformadores de distribuição estão ligados em paralelo apenas no primário? Por que é recomendado que os transformadores de distribuição não sejam ligados em paralelo também no secundário? 5. Muitas vezes opta-se por vários transformadores em paralelo ao invés de somente um transformador com potência suficiente para atender a carga. Você como engenheiro da empresa ou concessionária de energia, como justificaria tal procedimento? Quais as vantagens e desvantagens de se tomar esta decisão? 6. Considerando a corrente circulante com neutro interligado e com neutro isolado, em qual das duas situações a corrente circulante é menor? Por que? 7. Qual é a situação real de operação em paralelo? Com os neutros interligados ou isolados? Por que? 8. A operação satisfatória do circuito em paralelo composto pelos transformadores é concluída após análise das leituras da corrente circulante I circ e da tensão secundária V 2. Na situação ideal, a corrente I circ deve ser nula e a tensão V 2 deve ser exatamente igual à nominal secundária dos dois transformadores. Justifique o por que. 9. Demonstre que no caso do paralelismo entre os transformadores T1 e T2, a relação mostrada na equação 7.1 é verdadeira. S T1 % S T2 % = Z T2% Z T1 % (7.1)

42 7.5 Conclusão Conclusão Escreva em um mínimo de dez linhas suas conclusões sobre a importância de um estudo detalhado dos transformadores quando a sua conexão em paralelo.