COMPARAÇÃO DE TRANSFORMADORES COM FATOR K E CONVENCIONAIS ALIMENTANDO CARGAS NÃO LINEARES

COMPARAÇÃO DE TRANSFORMADORES COM FATOR K E CONVENCIONAIS ALIMENTANDO CARGAS NÃO LINEARES CECATO, Luiz Phelipe Denardin Estudante de Engenharia Elétrica: UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR Tel. (41) 2101-4837 phelipececato@hotmail.com MINATO, Raphael Ferreira Estudante de Engenharia Elétrica: UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR Tel. (43) 3524-2172 raphaminato@gmail.com ROCHA, Joaquim Eloir Professor Doutor Engenheiro Eletricista: UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR Tel. (41) 3310-4629 jerocha@utfpr.edu.br RESUMO O presente tem como objetivo a comparação dos ensaios de elevação de temperatura de dois transformadores de 25kVA, sendo um destes preparado para suportar distorções harmônicas (Fator K) enquanto que o outro um transformador convencional. Ambos os equipamentos foram ensaiados tanto com carga senoidal como com carga não linear e os resultados serão mostrados neste artigo. Palavras-chave: Transformador, harmônicas, carga não linear, elevação de temperatura, fator K. 1 Introdução No ambiente de trabalho atual, o aumento do número de equipamentos eletrônicos como reatores, conversores eletrônicos, equipamentos de comunicação e outras cargas que utilizam chaves semicondutoras têm criado um grande problema para engenheiros e proprietários de instalações devido à característica não senoidal de suas cargas. A natureza não linear da alimentação de energia necessária a estes equipamentos gera harmônicos de corrente que causam sobreaquecimento e perda de potência em transformadores, torques oscilatórios em motores de indução, desgaste de isolamentos, e várias outras anomalias nocivas ao sistema elétrico, conforme exposto por PHIPPS (1994). Com todos estes problemas gerados pelas distorções harmônicas, diversos estudos foram realizados com o intuito de quantificá-los. A entidade denominada Underwriters Laboratory - UL criou uma forma de mensurar estes harmônicos conforme sua intensidade em um sistema, obtendo um parâmetro denominado fator K. Através deste valor é possível preparar os equipamentos sensíveis à presença de distorções em uma rede elétrica, sobredimensionando-os, instalando-se filtros, ou mesmo isolando-os do resto do sistema, caso não suporte a quantidade de harmônicos presentes na rede. O fator K, ou fator de perdas harmônicas, conforme a generalização feita pela recomendação C57.110-1998 do Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE, também se tornou útil como forma de caracterizar um equipamento especialmente voltado para suportar as tensões e correntes não senoidais presentes em um circuito elétrico. Os transformadores convencionais, pela mesma recomendação da IEEE, têm sua potência reduzida para que possam operar sem problemas sob um determinado fator K, ou como é mencionado na recomendação, são desclassificados em sua potência, visto que estes não dependem apenas do seu design mas também da operação efetiva da carga, de acordo com TACI e DOMIJAN (2004). A diminuição de sua potência nominal, para tal aplicação onde está presente a distorção de tensão e corrente, permite que o transformador suporte o aquecimento causado devido às perdas induzidas pelos harmônicos. Mas essa solução não é financeiramente benéfica, pois se perde uma parte da capacidade do transformador. A indústria moderna, preocupada com o aumento da utilização de equipamentos geradores de harmônicos, criou o conceito de transformador de fator K como mostra FRANK (1997). Ele é um equipamento que possui características construtivas que permite utilizar toda a potência nominal, sem necessidade de desclassificação, sob um determinado volume de harmônicos na rede. O transformador com fator K e seu novo conceito de projeto é algo muito recente no mercado internacional, gerando muitas discussões sobre seus resultados e aplicabilidade. No Brasil, vêm sendo realizadas várias pesquisas sobre tal tecnologia, com a finalidade de fabricar um produto que atenda as necessidades das instalações elétricas nacionais de uma forma mais barata e segura.

2 Metodologia 2.1 Objetivos O objetivo geral do projeto é comparar a elevação de temperatura de dois transformadores sobre a mesma situação de carga não linear. Para que tudo isso pudesse ser realizado foram estipulados os seguintes objetivos específicos: Estudar os métodos de ensaio de transformadores convencionais; Estudar de forma detalhada as recomendações propostas pela IEEE C57.110 1998; Desenvolver uma carga não linear; Adaptar ensaios de elevação de transformadores a seco para situações de carga não linear; Ensaiar um protótipo de um transformador a seco com fator K de potência nominal de 25kVA e um transformador a seco convencional de mesma potência, ambos fornecidos pela empresa COMTRAFO Indústria e Comércio de Transformadores LTDA, nos laboratórios da empresa cedente e nos laboratórios do LACTEC; Comparar os dados obtidos comprovando a eficácia do transformador com fator K em relação ao convencional. A equipe em parceria com a empresa COMTRAFO - Indústria e Comércio de Transformadores LTDA, desenvolveu os cálculos de dois protótipos, sendo um protótipo de um transformador convencional e um outro especial, o qual fora construído incluindo as conclusões que a equipe obteve nas pesquisas que esta realizou, no início do projeto, em livros e artigos sobre as influências das cargas não senoidais em transformadores. Além disso, como foi citado acima a equipe ainda construiu uma carga não linear e adaptou os ensaios de elevação de temperatura de transformadores convencionais para ensaios com carga não linear para a realização dos mesmos em dois laboratórios. 2.2 Projeto 2.2.1 Projeto dos Protótipos O projeto do transformador convencional foi feito com base na metodologia de cálculo da empresa que cedeu os transformadores. Foi tomado um projeto de 20kVA a seco de base e foram feitas as adequações necessárias (potência, bitola do condutor, número de espiras, etc) nas planilhas de cálculo da empresa. Já para o protótipo do transformador especial além dessas alterações foram feitas modificações especiais que as cargas não lineares exigem, já que estas causam: Aumento de perdas parasitas; Prováveis componentes de corrente contínua da carga; Harmônicos múltiplos de 3; Estas exigências caso não sejam consideradas podem causar os seguintes efeitos no transformador: Maior elevação de temperatura do transformador, degradando a isolação e diminuindo sua vida útil; Maiores perdas e aquecimento do núcleo; Maior corrente de neutro, aquecendo além do projetado o condutor as suas proximidades; Para minimizar os efeitos no transformador devido a estas características de carga não senoidal, a equipe tomou, com orientação da empresa e do que havia sido estudado, as seguintes decisões: Modificar geometria do transformador, de forma que os condutores sofram menor influência do campo magnético no sentido axial (vertical), para que as perdas parasitas sejam diminuídas, e que haja uma maior circulação e área de contato com o ar, diminuindo o aquecimento. Trabalhar com materiais de uma maior classe de isolação (classe H) que suportem maiores temperaturas Trabalhar com induções mais baixas, evitando a possibilidade de saturação do núcleo. Aumentar a bitola do condutor do neutro do transformador, para suportar as elevadas corrente causadas pelos harmônicos múltiplos de 3. Uma outra recomendação que foi vista nas referências bibliográficas foi a utilização de blindagem eletrostática, entretanto em transformadores de pequena potência como os protótipos deste projeto isto não é utilizado devido ao alto custo da mesma. Os fabricantes, então, dobram a isolação de cada uma das camadas do enrolamento, a fim de proteger o transformador dos picos de tensão gerados pelos harmônicos com um baixo custo. Todas essas alterações resultaram no chamado transformador com fator K, ou seja, estas mudanças tornaram o transformador apto a suportar certo conteúdo harmônico. Mas cabe ressaltar que estas mudanças implicam em outros fatores que devem ser trabalhados, que tornam o transformador mais competitivo e eficiente. Estes fatores são o diferencial da empresa, e, portanto serão abordados neste trabalho apenas de forma generalizada.

2.2.2 Projeto da carga A carga não linear que foi desenvolvida para o projeto, deveria conseguir dissipar os 25kVA que seriam utilizados nos ensaios, já que as recomendações da IEEE C57.110-1998 exigem que os ensaios de elevação de temperatura de transformadores que alimentam cargas não lineares devem ser feitos sob condições normais de operação. Para realizar o chaveamento das formas de onda de tensão e corrente a equipe utilizou um circuito com TRIACs chamado de circuito por controle de fase. Este permite que seja controlado o instante em que o pulso no gate é aplicado, controlando assim o início da condução do TRIAC e consequentemente a porcentagem do ciclo da onda que estará alimentando a carga. No circuito de potência a equipe precisou utilizar 3 TRIACs em paralelo por fase para conseguir realizar todos os ensaios que desejava, já que cada TRIAC era capaz de suportar até 40A e alguns ensaios poderiam exigir correntes de até 120A. Para dissipar a potência a equipe utilizou reostatos líquidos, estes são formados por uma cuba, eletrodos e solução eletrolítica (neste trabalho a equipe utilizou a mistura de água e sal como eletrólito). Teoricamente, os reostatos líquidos podem dissipar qualquer potência, basta apenas que haja solução eletrolítica em quantidade suficiente para que a convecção do líquido mantenha um ciclo de troca de calor constante. O grande inconveniente de se trabalhar com reostatos líquidos é que devido a evaporação do solvente da solução eletrolítica a concentração da mesma vai aumentando e a resistência do mesmo tende a diminuir o que fazia com que a corrente variasse ao longo do ensaio, desta forma um grande cuidado era necessário para que o valor da corrente no ensaio não fosse alterado. 2.2.3 Adequação dos ensaios Analisando o conceito e metodologia do ensaio de elevação de temperatura, vê-se que este pode ser facilmente adaptado para ensaio com uma carga não linear. Para o ensaio a vazio, pode-se manter o mesmo procedimento, visto que a temperatura do núcleo não tem influência significante nos enrolamentos do transformador. Ou pode-se usar uma adaptação para tentar atingir as condições reais do núcleo com cargas não lineares. Esta adaptação seria na verdade a alimentação de um circuito chaveador pela rede, e a alimentação do transformador com o secundário aberto por este circuito, tendo assim chaveamento da tensão no transformador. A modificação proposta pelo grupo para o ensaio de elevação com carga pode e deve ser feita de forma que os enrolamentos do transformador tenham a corrente não senoidal que simule uma situação real, sem necessidade de uma tensão plena aplicada. Nesta adaptação, o curto circuito do secundário é trocado por uma carga não linear que produza as distorções na forma de onda da corrente, e que possa manter esta no valor mais próximo do real, sem necessidade de manter uma tensão em um valor estável. Além disso, ainda são utilizadas várias sondas de temperatura em diversos pontos do transformador para que sejam monitorados os pontos mais quentes do mesmo e vistos se estes pontos estão dentro da classe de isolação do material que foi utilizado. No ensaio que foi realizado na LACTEC a equipe teve ainda a possibilidade de utilizar termovisores que como mostrado na figura abaixo, indicam quais os pontos mais quentes do equipamento durante vários momentos do ensaio. Figura 1 - Temperatura no transfomador com fator K durante ensaio com carga não linear

3 Resultados Experimentais Como dito anteriormente os protótipo foram ensaiados em dois laboratórios diferentes, primeiramente nos laboratórios da empresa fabricante dos transformadores e posteriormente no LACTEC. Os resultados que serão apresentados aqui são referentes ao ensaio realizado no LACTEC. Já que como os ensaios de elevação de temperatura são ensaios de tipo e a empresa realiza geralmente ensaios de rotina, a mesma não possuí um ambiente adequado para a realização deste ensaio. Como o LACTEC é especializado neste tipo de ensaio e possuía um ambiente adequado, os resultados provenientes destes apresentam maior confiabilidade. O ensaio de elevação de temperatura de transformadores a seco é realizado em duas etapas, na primeira etapa o transformador é ligado a vazio enquanto que na segunda etapa é realizado com carga. A segunda etapa inicia-se logo após o término da primeira. Nos ensaios convencionais o ensaio com carga é feito curto-circuitando o secundário do transformador e aplicando corrente nominal no mesmo. Já no ensaio com carga não linear, o secundário era conectado a carga não linear e aplicava-se também corrente nominal no equipamento. Ambos os protótipos foram ensaiados com carga senoidal e com carga não linear e os resultados serão mostrados aqui. Para a comparação será analisado apenas os enrolamentos de baixa tensão, já que estes são os que sofrem um maior aquecimento por se encontrarem embaixo do enrolamento de alta tensão, ou seja a bobinagem do enrolamento de alta tensão é feita sobre o de baixa tensão. A medição da elevação de temperatura é feita pelo método de variação de resistência que analisa a diferença de temperatura do enrolamento a frio e quando o transformador já atingiu a estabilização térmica. Através, então, das fórmulas que se encontram na norma referente a ensaio de elevação de transformadores a seco (NBR 10295), é possível calcular a elevação real do mesmo. Figura 2 - Elevação de temperatura - Fator K - carga senoidal Figura 3 - Elevação de temperatura - Fator K - carga não linear

Figura 4 - Elevação de temperatura - transformador convencional - carga senoidal Figura 5 - Elevação de temperatura - transformador convencional - carga não linear 4 Conclusões Através da comparação dos resultados obtidos nos dois protótipos, pode-se ver que as adaptações que foram feitas no transformador com fator K surtiram efeito já que a diferença de temperatura entre ambos para o ensaio com carga não linear foi de aproximadamente 13 C. Além do que o comportamento do transformador com Fator K foi bem similar em ambos os ensaios, tanto com carga senoidal como no ensaio com carga não linear, tendo uma variação de aproximadamente 0,5 C nesses, enquanto que o transformador convencional aqueceu 6,5 C a mais no ensaio com carga não linear do que no ensaio convencional. Um outro mérito da equipe é que as adaptações que foram feitas no transformador com Fator K não causaram um grande aumento no custo do protótipo. Este era um objetivo já que caso o custo fosse muito alto seria mais fácil sobredimensionar o equipamento, pois desta forma o transformador conseguiria suportar as distorções harmônicas sem necessidade de investimento em pesquisa e desenvolvimento. O custo adicional foi de apenas 8,3% o que pode ser considerado baixo já que o preço de venda deste transformador especial pode ser, em alguns casos, até 40% maior do que o preço do transformador convencional. 5 Referências Bibliográficas [1] PHIPPS, James K.; NELSON, John P.; SEN, Pankaj K. Power Quality and Harmonic Distortion on Distribution Systems. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 30, Nº. 2, 1994. [2] TACI, M. Salih; DOMIJAN, Jr. Alexander. The effects of linear and non-linear operation modes in transformers. In: 11 th INTERNATIONAL CONFERENCE ON HARMONICS AND QUALITY OF POWER, 2004. [3] FRANK, Jerome. M. Origin, Development, and design of K-factor transformers. IEE Industry Applications Magazine, September / October 1997.

[4] INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE C57.110: recommended practice for establishing transformer capability when supplying nonsinundal load currents. Nova York, 1998. [5] BISHOP, M. T., and GILKER, C. Harmonic caused transformer heating evaluated by a portable PC-controlled meter. In: 37 th ANNUAL RURAL ELETRIC POWER CONFERENCE, 1993. [6] BLUME, L. F., et al. Transformer engineering, 2nd Ed., pp. 56-65, New York: John Wiley & Sons, Inc., 1951. [7] Cox, M. D., and Galli, A. W. Temperature rise of small oil-filled distribution transformers supplying nonsinusoidal load currents. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, no. 1, Jan. 1996. [8] Crepaz, S. Eddy current losses in rectifer transformers. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-89, no. 7, Sept./Oct. 1970. [9] UNDERWRITERS LABORATORY. UL 1561: dry-type general purpose and power transformers. 1994. [10] UNDERWRITERS LABORATORY. UL 1562: transformers, distribution, dry-type - over 600 volts. 1994 [11] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10295: transformadores de potência secos. Rio de Janeiro, 1988. [12] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5380: transformadores de potência. Rio de Janeiro, 1993. [13] DUGAN, R. C.; MCGRANAGHAN, M.F.; BEATY, H. W. Electrical power systems quality. New York, McGraw-Hill, 1996. [14] PERETTO, L.; SASDELLI, R.; SERRA, G. Measurement of harmonic losses in transformers supplying nonsinusoidal load currents. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 49, no. 2, Apr. 2000.