Transformador Trifásico [de isolamento]

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1 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Transformador Trifásico [de isolamento] Ligações do transformador trifásico de isolamento. Objectivos * Conhecer as possibilidades para a transformação de tensão trifásica; * Enumerar as vantagens e desvantagens dos métodos individuais e aplicações; * Aprender como é que os tipos de transformadores trifásicos foram desenvolvidos; * Enumerar as vantagens e desvantagens dos tipos de transformadores trifásicos; * Ser capaz de explicar a disposição e o significado dos grupos de ligações; * Ser capaz de calcular o desfasamento entre a tensão de entrada e de saída do transformador, utilizando o índice horário; * Ser capaz de enumerar as vantagens e desvantagens do circuito Yy e as suas possíveis aplicações;. Equipamento fonte de alimentação trifásica; transformador de isolamento trifásico; 4 aparelhos de medida; 3. Informação Generalidades Por várias razões, das quais não se irão falar aqui, o sistema trifásico encontrou aceitação para a geração e distribuição de energia eléctrica. Este sistema é frequentemente descrito como o sistema rotacional de corrente, porque as três correntes estão desfasadas de 0º, gerando um campo magnético rotativo nos enrolamentos de um motor trifásico. Os vários níveis de tensão do fornecimento de energia trifásica de uma rede, devem ser acoplados uns aos outros - ver fig.. Página

2 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Fig. - nidade de fornecimento com redes de tensão trifásica. A transformação da tensão trifásica pode basicamente ser conseguida com três transformadores monofásicos idênticos. Os enrolamentos de entrada e saída dos três transformadores individuais devem ser conectados uns aos outros em estrela ou em triângulo. Estes transformadores interligados são então chamados um Grupo de transformadores ou um Banco de transformadores - ver fig.. 0K 3~ 50Hz L L L3 L L L3 400/30 3/ ~ 50Hz Fig. - Banco de transformadores Enrolamento de maior tensão Enrolamento de menor tensão Página

3 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA A corrente trifásica pode também ser transformada usando dois transformadores monofásicos numa configuração de circuito especial, o circuito em - ver fig. 3. 0K 3~ 50Hz L L L3 Enrolamento de maior tensão Enrolamento de menor tensão L L L ~ 50Hz Fig. 3 - Transformação de tensão trifásica, usando dois transformadores monofásicos, na montagem em. Mas, com este circuito não é possível a ligação do condutor de neutro. Em adição a isto, os enrolamentos de primário dos dois transformadores colocam uma carga desequilibrada na rede - a corrente do condutor central é maior que a dos outros dois condutores. Sendo assim, a aplicação da montagem em, para a transformação da tensão trifásica é completamente restrita à área da transformação de tensão. Para a transformação da tensão trifásica é mais prático o uso do transformador trifásico, em vez de transformadores individuais. É menos caro que o banco de transformadores, e hoje pode ser fabricado para grandes potências, da ordem dos Enrolamento de maior tensão Enrolamento de menor tensão Y L L L3 L L L3 000 MA a 00 MA, para transporte e comboios - ver fig. 4. 0K 3~50Hz 400/30 3/~50Hz Fig. 4 - Transformador trifásico não couraçado; Enrolamento de maior tensão em triângulo; Enrolamento de menor tensão em estrela Página 3

4 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Ao passar de três transformadores monofásicos para um transformador trifásico, os circuitos magnéticos dos três transformadores individuais devem ser dispostos com cuidado. o caso de transformadores couraçados, uma culatra ou uma das colunas centrais de dois transformadores são usadas em comum - ver fig. 5. Ambos os métodos providenciam duas culatras para o caminho magnético em adição às colunas ou núcleo. Em transformadores trifásicos de grande potência, que são submetidos a uma carga desequilibrada, o caminho magnético de retorno é definitivamente necessário para os fluxos magnéticos que ocorrem, de forma a manter o desequilíbrio da rede trifásica. Transformadores trifásicos de distribuição de grande potência, também são designados por cinco colunas não couraçado ou transformador trifásico couraçado. a) úcleo cinco colunas b) Transformador trifásico couraçado I, II, III... divisão de núcleos... entrada,... saída Fig. 5 - Circuitos magnéticos do núcleo de ferro de transformadores trifásicos Se três transformadores monofásicos individuais, não couraçados, estão combinados num transformador trifásico, então as três colunas são usadas em comum. Isto é o chamado transformador em templo com coluna central. Inspirado nas muito favoráveis propriedades magnéticas, este tipo não é mais fabricado, por causa do seu desenho complexo e caro. Se a coluna central do transformador tipo templo for retirada e se as restantes colunas forem arranjadas num plano, então teremos o mais comum e usado transformador de três colunas - ver fig. 6. a) b) c) a)transformador tipo templo com coluna central; b)transformador tipo templo sem coluna central; c)transformador não couraçado de três colunas. Fig. 6 - Circuitos magnéticos de transformadores trifásicos Página 4

5 simplificada. ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Claro que, um forte campo magnético desequilibrado é produzido, devido à construção A figura 7 mostra o fluxo magnético do sistema trifásico. sando três valores instantâneos do fluxo magnético é fácil reconhecer que a linha de campo magnético central - valor instantâneo - é menor que as outras duas. O enrolamento central precisa de menor permeabilidade para gerar o campo magnético. A corrente de magnetização é aproximadamente 0% a 30% mais baixa que a dos outros enrolamentos. a) Fluxo magnético b) Distribuição de fluxo em três pontos diferentes Fig. 7 - Sistema trifásico com núcleo de três colunas O caminho magnético de retorno está ausente no núcleo de três colunas; está presente no tipo templo com coluna central. Portanto, a condição seguinte: φ +φ +φ 3 =0 deve ser cumprida em todos os estados de operação. É o caso da carga equilibrada. o caso de cargas desequilibradas, campos magnéticos adicionais de dispersão entre as culatras seriam produzidos, que se fechariam de culatra para culatra pelo ar ou pelo alojamento do transformador. Perdas adicionais e quedas de tensão iriam ocorrer no transformador. As consequências seriam de tensões assimétricas nas redes trifásicas. De forma a garantir uma operação mais "macia" do transformador trifásico não couraçado, existe uma série de condições a serem observadas. Estas condições estão discutidas nas próximas secções. Página 5

6 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Grupos de ligações (vectores) Os enrolamentos de alta e baixa tensão do transformador trifásico podem ser ligados através das seguintes ligações básicas: Abreviatura Circuito Enrolamento de maior tensão Enrolamento de menor tensão Ligação em Estrela Y y Ligação em Triângulo ou também D d d Circuito aberto I i Ligação em Zig-zag Z z Isto significa que há um total de doze combinações diferentes para a ligação dos enrolamentos de alta e baixa tensão - ver fig. 8. As quatro mais importantes são descritas graficamente na fig. 8. Desfasamentos podem ocorrer entre as tensões do lado de maior tensão e as do lado de menor tensão. Se ambos os lados estão ligados na mesma configuração, resultarão desfasamentos de 50º ou 330º. O desfasamento é designado com um índice horário (número de fase) depois das abreviaturas do circuito; este índice é tirado da divisão horária do relógio. ma divisão corresponde a um ângulo de 30º. Multiplicando o índice horário por 30º, obtem-se o desfasamento entre o lado de maior e o lado de menor tensão - ver fig. 9. Se, no caso da configuração em estrela, o ponto neutro for utilizado, então este é designado adicionando ou n à abreviação do circuito. As letras e número na designação do grupo de vectores descreve as ligações e desfasamento. Exemplo: Grupo vectorial Dy n 5 D = Enrolamento de maior tensão ligado em triângulo; y = Enrolamento de menor tensão ligado em estrela; n = Ligação do ponto neutro disponível no enrolamento de menor tensão; 5 = Índice horário; desfasamento entre os lados de maior e menor tensão: ângulo de desfasamento ϕ = 5.30º ϕ = 50º Página 6

7 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Índice de desfasa -mento ou horário Simbolo da ligação Tensão mais elevada Diagrama vectorial Tensão menos elevada Esquema de ligações Tensão mais elevada Tensão menos elevada Relação global de transformação Dd 0 0 (0º) Yy 0 Dz (50º) Dy 5 Yd 5 Yz (80º) Dd 6 Yy 6 Dz 6 3 (330º) (-30º) Dy Yd Yz Fig. 8 - Ligações do transformador Página 7

8 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Selecção do grupo de vectores O grupo vectorial de um transformador é determinado de acordo com a amplitude de tensões e de acordo com a amplitude e tipo de carga. Este critério de selecção será dividido com detalhe durante os ensaios com o respectivo grupo de vectores. Fig. 9 - Determinando o índice horário do grupo vectorial Lado de maior tensão,, em ligação Lado de menor tensão,, em ligação Y Desfasamento entre as tensões do lado de maior tensão e o lado de menor tensão é 330º. Grupo vectorial Dy ota O transformador trifásico consiste no princípio de três transformadores monofásicos, cujos enrolamentos são ligados em estrela, triângulo ou zig-zag. Portanto, nos seguintes ensaios dispensaremos as medições que já foram realizadas nos transformadores monofásicos, e que não contribuem com significante conhecimento nesse caso. As medições são por exemplo: - Medição da transformação de corrente; - Medição da resposta em carga, e de vários tipos de carga (óhmica, indutiva e capacitiva); - Medições com respeito a curto-circuito (tensão de curto-circuito) Grupos de vectores Yy 0 ou Yy 6 o caso da ligação em estrela dos três enrolamentos do transformador, uma fase não recebe a tensão do condutor exterior total, mas apenas / 3 desse valor: = Fase 3 = 058,. o caso de transformadores de alta tensão o isolamento entre os enrolamentos e o núcleo de ferro, em montagem Y, apenas tem de ser dimensionado para a tensão de fase. Página 8

9 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA Para o mesmo isolamento um enrolamento trifásico ligado em estrela pode ser submetido a uma tensão que é maior por um factor de 3, que um ligado em triângulo. Transformadores em redes de alta tensão e muito alta tensão, 0 K, 0 K, 380 K têm sempre uma ligação em Yy. É também recomendável com respeito à carga que este circuito seja ligado sem fazer uso do ponto neutro. ma carga desequilibrada I entre os outros dois condutores externos invoca uma corrente correspondente I no lado de entrada. O enrolamento da fase sem carga permanece sem corrente no lado de entrada - ver figura 0. I I I I Z Fig. 0 - Transformador trifásico com montagem Yy com carga desequilibrada. m transformador com montagem Yy sem condutor de neutro pode, portanto, transformar cargas assimétricas sem problemas. A situação é diferente quando se usa este circuito em redes de distribuição standard. este caso, o ponto neutro é posto para fora no lado de saída, mas não no lado de entrada. ma carga assimétrica no lado de saída causa a corrente I a circular numa fase. Isto agora conduz à circulação de correntes no enrolamento da fase sem carga no lado de entrada e correspondente às forças magnetomotrizes. Mas, estas forças magnetomotrizes não têm os mesmos correspondentes ampére-espira - ver figura. Iu Iv Iw I Z Fig. - Transformador trifásico em ligação Yyn com carga monofásica. Devido à necessidade dos correspondentes ampére-espira, os fluxos magnéticos podem ser produzidos com fases desequilibradas. Isto ocorre de uma forma forte como fluxos Página 9

10 ISTITTO POLITÉCICO DE ISE ESCOLA SPERIOR DE TECOLOGIA de dispersão, que se fecham de culatra para culatra pelo ar ou outras partes da construção do transformador. Isto produz perdas adicionais, que tomam a forma de calor. Além disso, estes fluxos de dispersão induzem tensões adicionais nos enrolamentos de saída, que causam fortes assimetrias na tensão. a situação descrita na figura 0, a tensão, por exemplo, tornar-se-ia quase zero. e tornar-se-iam então muito grandes, que levariam a arcos-eléctricos e destruição do isolamento. Como resultado, uma forte carga desequilibrada não é permitida para transformadores trifásicos não couraçados em ligação Yy. O condutor neutro não deve ser sujeito a carga acima de 0%. Assim, o grupo de ligações Yyn não é possível nos transformadores de distribuição. Página 0