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

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

Sumário Sumário ii 1 Ensaio para Determinação da Rigidez Dielétrica do Óleo Isolante 3 1.1 Coleta da amostra............................... 3 1.2 Preparação do ensaio.............................. 4 1.3 Realização do Ensaio.............................. 5 1.4 Questões..................................... 7 1.5 Conclusão.................................... 7 2 Verificação da Corrente a Vazio e da Corrente Transitória (INRUSH) 8 2.1 Componentes do Transformador........................ 8 2.2 Preparação................................... 9 2.3 Esquema de Montagem............................. 9 2.4 Obtenção da Corrente a Vazio......................... 10 2.4.1 Questões Referentes a Obtenção da Corrente a Vazio........ 10 2.5 Obtenção da Corrente Transitória (INRUSH)................. 10 2.5.1 Questões Referentes a Obtenção da Corrente Transitória...... 10 2.6 Conclusão.................................... 11 3 Ensaio em Vazio de um Transformador Trifásico 12 3.1 Preparação................................... 12 3.2 Esquema de Montagem............................. 13 3.3 Levantamento de Dados............................ 13 3.4 Questões..................................... 14 3.5 Conclusão.................................... 16 4 Ensaio em Curto-Circuito de um Transformador Trifásico 17 4.1 Preparação................................... 17 4.2 Esquema de Montagem............................. 18 ii

SUMÁRIO iii 4.3 Levantamento de Dados............................ 18 4.3.1 Efetuando Ensaio com Corrente Reduzida.............. 19 4.4 Questões..................................... 20 4.5 Conclusão.................................... 21 4.6 Anexo...................................... 21 5 Ensaio para a Determinação do Rendimento e Regulação do Transformador 22 5.1 Rendimento do Transformador......................... 22 5.1.1 Rendimento em Energia........................ 23 5.2 Regulação de Tensão em Transformadores.................. 24 5.3 Preparação do Ensaio.............................. 24 5.3.1 Execução do Ensaio........................... 25 5.4 Questões..................................... 26 5.5 Conclusões.................................... 27 6 Determinação da Polaridade e Defasamento Angular de Transformadores Trifásicos 28 6.1 Preparação................................... 28 6.2 Determinação da Polaridade.......................... 29 6.3 Determinação do Defasamento Angular.................... 30 6.3.1 Defasamento Angular: Comparação das Tensões........... 30 6.3.2 Defasamento Angular: Método do Golpe Indutivo.......... 32 6.4 Questões..................................... 33 6.5 Conclusões.................................... 33 7 Operação em Paralelo de Transformadores 34 7.1 Preparação................................... 34 7.2 Ensaios..................................... 35 7.3 Paralelismo................................... 37 7.4 Questões..................................... 38 7.5 Conclusão.................................... 39

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

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

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

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).

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:

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)

1.4 Questões 7 1.4 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.

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

2.2 Preparação 9 2.2 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.

2.4 Obtenção da Corrente a Vazio 10 2.4 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. 2.4.1 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. 2.5.1 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.

2.6 Conclusão 11 3. 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.

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

3.2 Esquema de Montagem 13 3.2 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.

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)

3.4 Questões 15 3. 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) (%)

3.5 Conclusão 16 5. 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.

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

4.2 Esquema de Montagem 18 4.2 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.

4.3 Levantamento de Dados 19 Vcc Icc 1 Icc 2 Icc 3 (V) (A) (A) (A) 4.3.1 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

4.4 Questões 20 4.4 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.

4.5 Conclusão 21 7. 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

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

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. 5.1.1 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.

5.2 Regulação de Tensão em Transformadores 24 5.2 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;

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 5.3.1 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 5.1. 5. Calcular o Rendimento e a Regulação para cada valor de I 2.

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

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.

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

6.2 Determinação da Polaridade 29 6.2 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

6.3 Determinação do Defasamento Angular 30 6.3 Determinação do Defasamento Angular 6.3.1 Defasamento Angular: Comparação das Tensões Efetue a ligação mostrada na figura 6.2. 100V 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.

Tabela 6.2: Obtenção do ângulo de defasamento

6.3 Determinação do Defasamento Angular 32 6.3.2 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.

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 + - + - - + 0 o + - 0 0 - + 30 o - + - + + - 180 o - + 0 0 + - 210 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.

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

7.2 Ensaios 35 7.2 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%

7.2 Ensaios 36 3. 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

7.3 Paralelismo 37 7.3 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

7.4 Questões 38 7.4 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)

7.5 Conclusão 39 7.5 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.