TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO NOVEMBRO/2015 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA GERADOR 120 HZ BASEADO EM MÁQUINA DE INDUÇÃO ROTOR BOBINADO, PARA APLICAÇÃO EM ENSAIOS DE TENSÃO INDUZIDA DE TRANSFORMADORES. Lucas Roman Orientador: Prof. Dr. Angelo José Junqueira Rezek Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE) Resumo - Este Trabalho Final de Graduação trata de ensaio de tensão induzida em transformadores. Este ensaio utiliza um gerador especial de no mínimo 120 Hz. Máquinas síncronas, para esta finalidade, são de fabricação especial e, portanto, de custo muito elevado. Pode-se utilizar como opção e que foi proposto neste trabalho um conversor rotativo do tipo motor de indução rotor bobinado, com o rotor sendo girado em velocidade oposta ao do campo girante do estator. Este sistema é de custo muito inferior, comparativamente à utilização da máquina síncrona, se constituindo, portanto, numa contribuição muito positiva que se pretende conseguir com o emprego deste sistema conversor, a ser avaliado para a finalidade proposta, de se conseguir tensões com frequência de 120 [Hz], para ensaio em transformador. Palavras-Chave: Ensaio de tensão induzida, Motor de indução trifásico, frequência de 120 [Hz]. I INTRODUÇÃO O ensaio de tensão induzida é amplamente usado para averiguar o isolamento entre as espiras dos enrolamentos dos transformadores, neste trabalho tenta-se reproduzir este teste por meio da associação de um motor de indução trifásico (MIT) rotor bobinado com uma máquina de corrente contínua (MCC). O Motor de indução trifásico é um tipo de máquina CA constituída por um enrolamento do estator e um rotor, sendo o último do tipo gaiola de esquilo ou do tipo bobinado. O rotor do tipo gaiola de esquilo consiste em barras condutoras encaixadas em ranhuras no ferro do rotor e curto-circuitadas em cada lado por anéis condutores. O rotor do tipo bobinado é construído por um enrolamento polifásico semelhante ao estator tendo o mesmo número de polos, escovas de carvão permitem o acesso aos terminais do rotor. As correntes alternadas são aplicadas diretamente aos enrolamentos do estator e por meio de indução são produzidas correntes no rotor. A diferença de velocidade do campo girante produzido pelo estator e a do rotor é chamado de escorregamento e é representado pela letra s. O movimento relativo entre o fluxo do estator e os condutores do rotor induz tensões de frequência (f Rotor) dada pela formula (1): f Rotor = s f Estator [Hz] (1) Tem-se que uma máquina é de corrente contínua quando em todos os seus terminais as grandezas que a caracterizam (tensões e correntes) são unidirecionais. A máquina de corrente continua (MCC) é constituída por enrolamentos na armadura, localizada no rotor e o enrolamento de campo no qual está o estator que é excitado por corrente contínua. Tanto a MCC quanto o MIT podem operar como geradores e motores. Transformadores são máquinas elétricas, destinadas a transmissão de tensão por meio de indução eletromagnética. Realizam o controle do valor da tensão aumentando, diminuindo ou mantendo-as constante, sem nenhuma alteração na frequência e potência original. São constituídas basicamente de: duas bobinas, interligadas por um material ferro magnético, na qual possuem um núcleo com alta permeabilidade magnética. Utilizando-se os princípios da indução magnética é possível realizar a indução de tensão entre bobinas, sem que haja contato direto entre as mesmas, por intermédio do núcleo, alterando, assim, os valores da tensão. Formalmente, essas máquinas elétricas são constituídas de um enrolamento primário, um enrolamento secundário e o núcleo ferromagnético. E podem ser classificadas de acordo com: a aplicação a qual se destinam o tipo de núcleo, ou em relação ao número de fases. [1] A fim de verificar se os transformadores apresentam um correto funcionamento são realizados ensaios de tipo e de rotina. Os ensaios de rotina são ensaios realizados em todas as unidades de produção, ao contrário dos ensaios de tipo que são realizados em um transformador que representa os outros transformadores, com objetivo de demonstrar que atendem as condições especificadas não cobertas pelos ensaios de rotina. 1
Os ensaios de rotina são: - medição da resistência dos enrolamentos - medição da relação de transformação e polaridade e verificação do deslocamento angular e sequência de fases - medição da impedância de curto-circuito e das perdas em carga - medição das perdas em vazio e corrente de excitação - ensaios dielétricos de rotina - ensaios de comutador de derivações em carga - medição da resistência de isolamento - estanqueidade a resistência à pressão - verificação do funcionamento dos acessórios - ensaios de óleo isolante para transformadores de tensão nominal > 72,5 kv - verificação da espessura e aderência da pintura da parte externa do transformador Os ensaios de tipo são os seguintes: - ensaio de elevação de temperatura - ensaios dielétricos de tipo - ensaios de óleo isolante para transformadores de tensão nominal < 72,5 kv [2] temperatura dos enrolamentos podendo causar danos no próprio isolamento. Como a tensão induzida é descrita de maneira simplificada pela seguinte formula (2): V = k B f. [V] (2) Observamos que devido essa limitação temos um problema, pois ao aplicar o dobro da tensão nominal no lado de baixa mantendo a frequência da rede 60 Hz constante ocorreria o aparecimento de uma corrente de excitação com valor maior que o permitido. A figura 2 mostra a obtenção do dobro da tensão nominal pelo o aumento da indução magnética. II REFERENCIAL TEÓRICO A classificação quanto ao tipo de ensaio é dada pela tabela 1 da norma ABNT NBR 5356-3:2007 página 6 localizada no anexo. [3] Sendo classificado como ensaio de rotina, pois os transformadores possuem tensões nominais menores que 72,5 [KV]. Para a realização do ensaio utiliza-se o transformador á vazio, aplicando-se entre os terminais, pelo lado da baixa, uma tensão igual ao dobro da nominal durante um tempo correspondente a 7200 ciclos. No lado de alta tensão, haverá o dobro da nominal e com isso o gradiente de potencial entre as espiras também duplicaria, de tal modo que, se houver um defeito em sua isolação, o mesmo se revelaria dentro do tempo implicitamente fixado em termos do número de ciclos citado. A figura 1 ilustra o gradiente de potencial que aparece nas espiras. Figura 1 - Transformadores: teoria e ensaios, Edgar Bluncher, 1984. Um importante ponto a ser observado a respeito do ensaio é que a corrente de excitação não pode exceder 30% do valor da corrente nominal do enrolamento ao qual se aplica a fonte pois, um alto valor de corrente aumentaria a Figura 2 Transformadores: teoria e ensaios, Edgar Bluncher, 1984. Para a solução deste problema então é feito um ajuste de frequência. Em muitos casos, o aumento chega ao dobro da frequência nominal e, nesses casos, a indução continua igual àquela de funcionamento nominal assim como a corrente a vazio. Conhecida a frequência, para o cálculo da duração do ensaio em segundos, da formula (3) obtemos: T = 7200 / f [segundos] (3) Que, no caso de f = 120 Hz, vem ser igual a 1 minuto. Em relação ao esquema, é o mesmo utilizado no ensaio a vazio, e o problema da detecção dos defeitos seria efetuado mais segundo a prática do encarregado do teste, sendo que as características para um defeito grosseiro seria alteração da relação de transformação, os menores, por fumaça ou mesmo bolhas na superfície do óleo. Em ambos os casos ocorre o aparecimento de um alto valor de corrente em relação à de excitação devido a um curto entre os enrolamentos. [4] Para o ensaio em transformadores com tensão nominal menor que 75 kv é de suma importância ressaltar que durante o ensaio não é necessário executar medições de descargas parciais. Transformadores os quais já estiveram em operação e foram recondicionados ou sofreram algum tipo de serviço de manutenção, o ensaio de tensão induzida deve ser efetuado com 1,8 pu ao invés do dobro da tensão nominal. [5] Será utilizado um gerador de indução, com o campo girante do estator contrário ao movimento do rotor. Sendo assim, uma tensão de 120 Hz gerada no rotor em anéis do 2
motor de indução rotor bobinado, disponível em laboratório, será obtida para a realização do teste proposto. Este motor (MIT bobinado) será acionado por intermédio de uma máquina de corrente contínua, para obtenção da velocidade necessária. III METODOLOGIA Primeiramente foi realizada a pesquisa bibliográfica com consultas em normas e livros para a execução do ensaio de tensão induzida. Após a pesquisa ocorreu à montagem da bancada didática que incluiu toda instrumentação necessária para a Máquina de Corrente Continua (MCC), os equipamentos utilizados foram: - Ponte tiristorizada - Circuito de disparo dos tiristores - Pontes de diodos - Fusíveis - Reostato e Reostato Demarrador - Amperímetros - Osciloscópio - Multímetro - Frequencímetro Com os equipamentos necessários, verificou-se o funcionamento do Motor de indução trifásico (MIT) e da Máquina de Corrente Continua (MCC) a última que atuaria como motor. Ambos os equipamentos não apresentaram o funcionamento adequado, entretanto a Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) possuía outro MIT e MCC acoplados entre si com as mesmas informações necessárias para a obtenção dos resultados esperados. Ocorreu então a verificação do outro equipamento e ambos estavam de acordo para que a pesquisa fosse iniciada. Dividiu-se o esquema de ligação em duas partes o primeiro esquema para MCC e o segundo para o MIT. O primeiro esquema de ligação utilizado nos testes consiste basicamente de uma ponte de diodos e uma ponte tiristorizada alimentada por uma rede trifásica, essa ponte tiristorizada é primeiramente ligada a um fusível em série com um indutor e um reostato demarrador, sendo que este reostato tem como função de proteção mecânica caso haja algum disparo do motor de corrente contínua, sendo esses Componentes colocados no circuito da armadura do MCC. Quanto ao campo do MCC se utilizou uma ponte de diodos para retificação em série com uma bobina de retenção, o reostato de campo e o miliamperímetro. Este esquema de ligação é mostrado na figura 3 Figura 3 Circuito de acionamento do motor de corrente continua. O segundo esquema de ligação consiste da alimentação do estator do MIT que foi feita diretamente da rede, sendo assim o campo girante gerado pela alimentação foi referenciado em um sentido de rotação com a MCC desligada. O MCC foi então ligado de tal forma que o eixo comum do MCC e do MIT girasse no sentido oposto ao campo girante referenciado, com isso instalou-se um osciloscópio ao rotor do MIT averiguando a frequência ob- tida. A onda constatada apresentava uma frequência de 120 Hz conforme o previsto, entretanto a sua amplitude e seu valor RMS não eram suficientes para ensaios em alguns transformadores monofásicos e trifásicos, com isso então ocorreu à implantação de um varivolt. Após a implantação do varivolt efetuou-se a comparação da distorção harmônica da onda obtida e da onda CEMIG (rede utilizada), tornando possível a realização do ensaio. 3
IV. RESULTADOS E DISCUSSÕES A primeira tentativa de medicação da distorção harmônica não foi satisfatória, pois se utilizou o equipamento FLUKE 435 POWER QUALITY ANALYZER, entretanto esse equipamento fazia apenas medições de harmônicos com frequência de 50 Hz e 60 Hz fornecendo um resultado totalmente errôneo do previsto, visto que a onda em estudo era de 120 Hz. A alternativa utilizada foi à utilização da Fast Fourier Transform (FFT) por meio do Osciloscópio Minipa MO- 2060. A figura 4 a seguir, mostra o espectro harmônico, nota-se apenas a componente fundamental. Figura 4 Espectro harmônico do rotor do MIT e da rede CEMIG respectivamente, obtido por meio da FFT disponível no osciloscópio MINIPA MO-2060. Após a análise da distorção harmônica efetuou-se o ensaio em um transformador de força monofásico com sua potência nominal de 15 kva. O transformador foi conectado a saída do varivolt e seu chaveamento de tensão constituiu-se por meio de um disjuntor, possibilitando o ajuste da onda antes que ela fosse aplicada em seus terminais de baixa. A imagem que mostra o esquema prático de ligação da obtenção da onda com frequência de 120 Hz é mostrada na figura 5. Figura 5 Esquema prático de ligação. 4
A figura 6 mostra o Frequencímetro e a forma de onda na saída do rotor do MIT. A tabela 2 mostra os dados de placa do transformador ensaiado. Figura 6 Frequencímetro e onda senoidal indicando a frequência de 120 [Hz] obtida pelo o esquema de ligação proposto. Marca do transformador Nativa Frequência nominal 60 [Hz] Data de fabricação 06/1971 Tensão dos enrolamentos primários 7967 [V] Tensão dos enrolamentos secundários 240/120 [V] Potência 15 [kva] Impedância a 75 o C 4,03 [%] Volume de óleo 42 [l] Peso total 147 [Kgf] Norma ABNT 1967 Número de série 6094 Tabela 2 Dados de placa do transformador ensaiado Com a geração correta da forma de onda esperada, ocorreu uma convenção que a tensão aplicada para o ensaio seria de 1,5 pu devido sua idade e utilização em outros ensaios no Laboratório de Alta Tensão (LAT). Na primeira tentativa, ao ligar-se o transformador no varivolt e ajustar a onda com seus parâmetros necessários, verificou-se que ao ligar o disjuntor a tensão no transformador ia a zero. Após alguns testes notou-se que era possível a chegar o valor de 180 V (1,5 pu de 120 V) mesmo com a queda de tensão presente, sendo assim durante um minuto foi aplicado a tensão, realizando o ensaio desejado. Na tentativa de mitigar a queda de tensão retirou-se as formas de onda que se direcionavam para o transformador, entretanto tal investigação não teve um resultado satisfatório. A Figura 7 mostra as formas de ondas obtidas. 5
Figura 7 Forma de onda na saída do varivolt sem e com o transformador como carga respectivamente V. CONCLUSÃO Mesmo com determinados problemas ocorreu a realização do ensaio, entretanto ao tentar-se mitigar o problema da queda de tensão notou-se que a forma de onda que ia para o transformador de ensaio apresentava distorções, as mesmas causadas devido a saturação do varivolt, tornando-a inaplicável para a realização de ensaios. Existe a possibilidade que esta queda de tensão seja causada devido a reatância do varivolt, uma vez que ao dobrar-se a frequência a reatância também dobra. Uma maneira alternativa que pode ser utilizada como motivação para próximos trabalhos é a alimentação do rotor diretamente da rede e a saída da onda de 120 Hz pelo estator, neste caso não seria necessário a utilização do varivolt pois é possível obter tensões maiores que 220 V dependendo do esquema de ligação do MIT. REFERÊNCIAS Rio de Janeiro: ABNT, 1982. 0177 p. Esta Coletânea contém as seguintes Normas NBR 5356, NBR 5416, NBR 7036-7037. BIOGRAFIA: Lucas Roman Nasceu em São José dos Campos (SP) em 1992. Ingressou no curso de Engenharia Elétrica com ênfase em potência na UNIFEI no ano de 2011, universidade a qual teve a oportunidade de realizar pesquisa científica remunerada pelo CNPq e se tornar monitor de dúvidas da disciplina eletrotécnica. [1] UMANS, Stephen D. Máquinas elétricas de Fitzgeral e Kingsley / Stephen D. Umans; tradução: Anatólio Laschuk.- 7 ed. Porto Alegre: McGraw-Hill, 2014. 708 p. VI. ANEXOS [2] Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT; NBR 5356-1. [3] Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT; NBR 5356-3. [4] OLIVEIRA, José Carlos; COGO, João Roberto; ABREU, José Policarpo G. de. Transformadores: teoria e ensaios. São Paulo: Edgar Blücher, 1984. 174p. [5] Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT. Coletânea de Normas de Transformadores de Potência. 6
ANEXOS Tabela 1 Classificação quanto aos ensaios dielétrico Ensaios Tensão máxima do equipamento U m [kv] Impulso atmosférico (Seção 13 e 14) Onda plena (IA) Onda cortada (IAC) Impulso de manobra (IM) (Seção 15) Tensão induzida de longa duração (CALD) (12.4) Tensão induzida de curta duração (CACD) (Seção 12) Tensão suportável à frequência industrial (Seção 11) U m 72,5 Tipo Tipo Não aplicável Não aplicável 72,5<U m 170 Tipo Tipo Não aplicável Especial 170<U m<300 Tipo Tipo (ver nota) Especial (ver nota) U m 300 (ver nota) Especial (ver nota) NOTA: Se o ensaio de tensão induzida de curta duração for especificado, o ensaio de impulso de manobra não é necessário. Isto deve estar claramente definido nas especificações. 7