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FME2425SI Transf NSDddddddddddddd (8).pdf

O documento aborda a máquina assíncrona e o funcionamento do transformador elétrico, incluindo sua definição, aplicação e princípios operacionais. Discorre sobre a teoria do magnetismo e as leis que regem a indução elétrica, além de detalhar a construção e as características dos transformadores. Também são discutidos as perdas em transformadores reais e a importância de ensaios para determinar seu desempenho.

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Nuno Alexandre Soares Domingues nndomingues@gmail.com A máquina assíncrona FME- Fundamentos de Máquinas Eléctricas
Nuno Alexandre Soares Domingues nndomingues@gmail.com A máquina assíncrona Transformador
Enquadramento
Transformador Magnetismo e campos magnéticos • A maioria das máquinas eléctricas depende directa ou indirectamente do magnetismo. • Todos os ímanes possuem um pólo norte e um pólo sul, com propriedades de atracção de pólos diferentes e de repulsão de pólos iguais. • A influência magnética pode ser visualizada pela experiência das limalhas de ferro (Arago, 1820). • Ao conjunto de todas as linhas de campo magnético que saem do pólo norte chama-se fluxo magnético. Nº 4
Transformador monofásico
Transformador Definição e constituição • É uma maquina eléctrica estática que consegue transferir energia elétrica de um circuito para outro, geralmente com tensões e correntes diferentes, mantendo a mesma frequência e aproximadamente a mesma potência. • É normalmente composto por uma bobina de enrolamento primário e uma bobina de enrolamento secundário, que envolvem um núcleo de material ferromagnético. • Contudo, existem alguns transformadores que possuem mais de um enrolamento secundário. Neste caso, o equipamento terá maiores dimensões e haverá um aumento considerável no preço devido à maior quantidade de material usado para o fabrico. • Para o seu funcionamento, a bobina do enrolamento primário é submetida a uma tensão eléctrica. Nº 6
Transformador Aplicação e utilização • A tensão eléctrica na bobina do enrolamento primário é transformada noutra tensão na bobina do enrolamento secundário, mantendo a potência elétrica praticamente constante. • Pode ser utilizado para: o alterar os valores de tensão e corrente; o alterar os valores de impedâncias em circuitos eléctricos; o aumentar o calibre dos aparelhos de medida; o fazer a separação eléctrica de circuitos (isolamento galvânico). Nº 7
Transformador Principio de funcionamento • Foi verificado que: o é possível criar um campo magnético a partir de uma corrente eléctrica (Oersted, 1820); o é possível criar uma corrente eléctrica num circuito através de um fluxo magnético variável, mas se o fluxo não for variável não existe corrente eléctrica (Faraday, 1821); o o sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético por ela criado é oposto à variação do fluxo magnético que lhe deu origem (Lenz, 1834). • O principio de funcionamento de um transformador baseia-se nas experiências supra e em: o Lei de Biot-Savart: uma corrente elétrica I produz um campo magnético B; o Lei de Ampère: calcula o campo magnético H a partir de uma distribuição de densidade de corrente elétrica J; o Leis de Maxwell: os campos magnéticos podem ser gerados através de correntes elétricas (lei de Ampère original) e por campos elétricos que variam no tempo. Nº 8
Transformador Principio de funcionamento • A alteração na corrente presente na bobina do circuito primário altera o fluxo magnético nesse circuito e também na bobina do circuito secundário. A bobina do circuito secundário encontra-se sob influência direta do campo magnético gerado no circuito primário. • A mudança no fluxo magnético na bobina secundária induz uma tensão elétrica na bobina secundária. • A tensão induzida é diretamente proporcional à taxa de variação do fluxo magnético no circuito. Nº 9
Transformador Simbologia Enrolamento primário Enrolamento secundário Núcleo magnético Nº 10 Enrolamento primário Enrolamento secundário Enrolamento primário Enrolamento secundário Enrolamento primário Enrolamento secundário
Transformador Caracterização Nº 11 • Grandezas magnéticas oForça magnetomotriz oRelutância magnética oFluxo oIndução • Características oPotência aparente nominal oTensão nominal do primário/ Tensão em vazio do secundário oFrequência oNº de fases oTensão de curto-circuito • Descrição oNúcleo (Tipo quanto ao Número de troços) oEnrolamentos Número de enrolamentos: primário e secundário(s) Numero de espiras em cada enrolamento • Grandezas eléctricas oCorrentes oTensões e f.e.m. oPotências
Transformador Relação entre as principais grandezas (rever EG) Nº 12 - força magnetomotriz em cada bobina: - relutância magnética do núcleo: - fluxo induzido que circula pelo núcleo: - densidade de fluxo em cada troço do núcleo: ∅ - força electromotriz induzida por espira: ∅ - força electromotriz induzida por bobina de n espiras: ∅
Transformador Transformador de potência Nº 13 • O transformador abaixador serve para reduzir a tensão existente no enrolamento primário do transformador. Para conseguir reduzir a tensão, o enrolamento secundário deve ter menor número de espiras do que o enrolamento primário, pois assim a indução magnética no secundário é menor. • O transformador elevador serve para elevar a tensão existente no enrolamento primário do transformador. Para conseguir elevar esta tensão, o enrolamento secundário deve ter maior número de espiras do que o enrolamento primário, pois assim a indução magnética no secundário é maior .
Transformador Transformador de potência Nº 14
Transformador Transformador de potência Nº 15 Central Eléctrica Transformador Elevador Transporte Consumo Transformador Abaixador Qual é a necessidade de se terem estes transformadores?
Transformador Transformador de potência: Exercícios de cálculo Nº 16 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha.
Transformador Transformador de potência: Exercícios de cálculo Nº 17 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha. 2-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Pretende-se que a queda de tensão máxima seja de 5%. Calcule a secção mínima dos condutores.
Transformador Transformador de potência: Exercícios de cálculo Nº 18 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha. 2-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Pretende-se que a queda de tensão máxima seja de 5%. Calcule a secção mínima dos condutores. 3-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230kV. Calcule as perdas de transporte na linha.
Transformador Calcule as perdas de transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 19
Transformador Calcule as perdas de transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 20
Transformador Calcule as perdas de transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 21
Transformador Calcule as perdas de transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 22
Transformador Calcule as perdas de transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 23
Transformador Calcule as perdas de transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 24
Transformador Calcule as perdas de transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 25
Transformador Transformador de potência: Exercícios de cálculo Nº 26 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha. 2-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Pretende-se que a queda de tensão máxima seja de 5%. Calcule a secção mínima dos condutores. 3-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230kV. Calcule as perdas de transporte na linha.
Transformador Caraterização das Redes de Distribuição a 31 de dezembro 2018 em Portugal (fora do âmbito de FME) Nº 27 Source: https://www.edpdistribuicao.pt/sites/edd/files /2019-04/Caracterizacao-das-Redes-de- Distribuicao-a-31-dez-2018-ERSE_1.pdf
Transformador O núcleo- materiais Nº 28 Tem a função de conduzir, para as espiras do secundário, o fluxo criado pelas espiras do primário, melhorando a ligação magnética entre os enrolamentos. Materiais ferromagnéticos
Transformador Transformador monofásico
Transformador Transformador ideal Nº 30 𝑚 = 𝑈 𝑈2 = 𝐼2 𝐼 = 𝑁 𝑁2 𝑆 = 𝑆 𝑈 𝐼 = 𝑈 𝐼2 - Toda a potência na entrada é entregue à saída - A resistência dos condutores das bobinas é nula - As fugas magnéticas (devido ao fluxo de dispersão) são nulas - A relutância do circuito magnético é nula - As correntes de Foucault são nulas - Não existe histerese
Transformador Transformador real Possui perdas: • nos condutores dos enrolamentos: Joule e fluxo de dispersão • no núcleo magnético: correntes de Foucault e Histerese Nº 31
Transformador Perdas no Transformador real • nos condutores dos enrolamentos: Joule Nº 32 𝑃 = 𝑅 𝐼 R
Transformador Perdas no Transformador real • nos condutores dos enrolamentos: fluxo de dispersão Nº 33 L I2 I1 Fluxo ligado Fluxo de dispersão Parte do fluxo gerado pela bobina do primário (1) não circula pelo núcleo e portanto não abraça com a do secundário. Este fluxo d chama-se fluxo de dispersão. Este fluxo de dispersão é representado no equivalente eléctrico como uma bobina. Para minimizar estas perdas é necessário que os enrolamentos estejam bem acoplados, ou seja, que os enrolamentos estejam o mais próximo possível um do outro. Pode-se também intercalar os enrolamentos (interleaving).
Transformador Perdas no Transformador real • no núcleo magnético: correntes de Foucault Nº 34 R • Para a construção do núcleo ferromagnético são usadas chapas de aço laminadas (sendo mais comum as chapas de aço-silício por terem maior resistividade) para diminuir as perdas por Correntes de Foucault ou correntes parasitas. O isolamento entre as chapas é verniz (silicato de sódio) ou por oxidação (tratamento químico). Source: CERVA, L. L. Desenvolvimento de uma máquina síncrona com imãs permanentes e núcleo sintetizado utilizada em aerogerador. Tese PhD. UFRGS. Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 2014
Transformador Perdas no Transformador real • no núcleo magnético: Histerese Nº 35 A histerese é a tendência de um sistema conservar as suas propriedades magnéticas na ausência do estímulo que as gerou. Também é conhecido por memória magnética. L Para diminuir as perdas por efeito de histerese, os núcleos ferromagnéticos possuem um entreferro de ar. Source: CERVA, L. L. Desenvolvimento de uma máquina síncrona com imãs permanentes e núcleo sintetizado utilizada em aerogerador. Tese PhD. UFRGS. Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 2014
Transformador Transformador real Nº 36 Há outras perdas que são desprezíveis, tais como: sonoras, por vibração e correntes parasitas induzidas no exterior.
Transformador Circuito equivalente do transformador real Nº 37 𝑈 - Tensão do primário ou tensão aplicada 𝐼 - Corrente do primário ou Corrente absorvida 𝑅 – Resistência dos condutores do primário 𝑋 – Reactância de dispersão do primário 𝑁 - Número de espiras do primário 𝐼 - Corrente de vazio 𝐼 - Corrente de magnetização 𝐼 - Corrente parasita (de histerese e de Foucault) 𝐸 - Tensão induzida no primário 𝐸 - Tensão induzida no secundário 𝑈 - Tensão do secundário ou tensão na carga 𝐼 - Corrente do secundário 𝑅 – Resistência dos condutores do secundário 𝑋 – Reactância de dispersão do secundário 𝑁 - Número de espiras do secundário 𝑆 - Potência aparente no primário 𝑆 - Potência aparente no secundário 𝑆 - Potência aparente da carga 𝑚 - Relação de transformação: 𝑃 – Perdas por efeito de joule nos enrolamentos 𝑃 – Perdas por efeitos magnéticos 𝜂 - Rendimento R1 L1 R2 L2 Rp Lm U1 U2 Transformador ideal E1 E2 I2 I0 I1 Im Ip
Transformador Relações de grandezas Nº 38 𝑚 = 𝑍 𝑍 𝑆 = 𝑆 𝑈 𝐼 = 𝑈 𝐼 𝑍 = 𝑈 𝐼 𝑍 = 𝑈 𝐼 𝑚 = 𝑁 𝑁 Relação entre impedâncias no primário e no secundário 𝑚 = 𝑈 𝑈 = 𝐼 𝐼 Relação entre tensões e correntes no primário e no secundário
Transformador Circuito equivalente em PI ou de Steinmetz Nº 39 U = U + Z . I 𝑋 = 𝑋 𝑚 𝑅 = 𝑅 𝑚 I′ = I 𝑚 U′ = U .m R1 L1 R’2 L’2 Rp Lm U1 I0 I1 Im Ip Transf ormador ideal U´2 I’2 U2 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 Existem literaturas que empregam as seguintes grandezas: 𝑅 = 𝑅 𝑋 = 𝑋 𝑅 = 𝑅 𝑋 = 𝑋
Transformador Circuito equivalente (em L invertido) reduzido ao primário Nº 40 U = U + Z . I 𝑋 = 𝑋 + 𝑋 𝑅 = 𝑅 + 𝑅 I′ = I 𝑚 U′ = U .m Req Xeq Rp Xm U1 U´2 I’2 I0 I1 Im IP Tendo em conta que 𝑅 + 𝑗𝑋 <<(𝑅 // 𝑗𝑋 ), pode-se utilizar o esquema equivalente em L em vez do PI, facilitando bastante a análise e os cálculos sem perda de rigor.
Transformador Ensaios • Em vazio • Em curto-circuito • Em corrente contínua • Em carga Nº 41 Permitem determinar os parâmetros do circuito equivalente. • Grandezas medidas o Tensão o Corrente o Potência activa
Transformador Ensaio em vazio • O transformador não tem qualquer carga ligada ao secundário. • O funcionamento do transformador é como uma bobina real com núcleo de ferro. • Pode-se determinar o valor da impedância do circuito de magnetização, calculando separadamente a sua componente óhmica e a sua componente reactiva. Nº 42 𝑅 = 𝑈 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑃 𝑈 𝐼 𝑋 = 𝑈 𝐼 𝑠𝑒𝑛𝜑 Req Xeq Rp Xm U1 I’2=0A I0 I1=I0 Im IP U1 IP Im I1=I0
Transformador Ensaio em curto-circuito Estabelece-se uma ligação eléctrica franca (shunt) entre os terminais do secundário, e alimenta-se o primário com uma tensão tal que provoque a passagem da corrente de primário nominal. As ucc típicas para transformadores de potência estão entre 3 e 10% de Un. Nº 43 𝑅 = 𝑃 𝐼 𝑍 = 𝑈 𝐼 𝑋 = 𝑍 − 𝑅 Req Xeq U1 I’2=I1 I1 I0=0A Req Xeq Rp Xm U1 I’2 I1 I0<<I’2 IRe q IXe q I’2=I1 U1 IRe q IXe q I’2 U1 IP Im I0 I1 Nota: Para maior clareza, atribuíram-se valores excessivos a Ip, Im e I0.
Transformador Ensaio em carga • Realizam-se ensaios com o transformador a alimentar diferentes valores de carga. • As cargas podem ser indutivas, resistivas ou capacitivas. Nº 44 U = U + Z . I 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 U = Z . I Req Xeq Rp Xm U1 U´2 I’2 I0 I1 Im IP Zc
Transformador Considerações sobre erros e aparelhos de medida Nº 45 Exemplo: U1n/In: 150V/5A Vazio  120 W - 240V/2,5A - 240V/ 5A - 240V/1A - 240V/ 5A 24 12 60 12 Wattímetro
Transformador Potência de perdas Nº 46 As perdas nos enrolamentos dos condutores, perdas no cobre, são por efeito de Joule e dadas por: 𝑃 = 𝐾 𝑉𝑓𝐵 𝑃 = 𝑅 𝐼 As perdas no núcleo magnético, perdas no ferro, podem ser por histerese e por correntes de Foucault, dadas respectivamente por: 𝑃 = 𝑃 + 𝑃 𝑃 = 𝐾 𝑉𝑓 𝐵 Usualmente não se separam as perdas no ferro. Como o fluxo máximo é constante para uma tensão U1 constante, as perdas no ferro são constantes. 𝐾 =100 Para chapas de alta qualidade e o seu valor máximo é 500 𝐾 Depende do material do núcleo 𝑃 = 𝑃 + 𝑃
Transformador Rendimento • O transformador é a máquina elétrica mais eficiente, com rendimento acima de 90%. • Mantendo a mesma tensão no primário, o fluxo magnético no núcleo de ferro do transformador é independente da carga e é aproximadamente constante. Por conseguinte, as perdas no ferro também são constantes. • O rendimento do transformador varia com a carga. Um transformador de distribuição é projetado para trabalhar em meia carga pois o seu regime de carga é muito variável, tendo sobrecarga nos horários de ponta e baixa carga nas horas de vazio. Um transformador de potência é projetado para trabalhar em plena carga. O seu rendimento máximo é próximo do regime de carga projectado. Nº 47 𝑃 = 𝑃 + 𝑃 + 𝑃  = = = 𝜂 => 𝑃 = 𝑃
Transformador Circuito equivalente reduzido ao secundário Nº 48
Transformador Característica externa e Regulação • É a curva que relaciona a tensão e a corrente de saída. O ponto inicial corresponde ao transformador a funcionar em vazio e o ponto final ao curto-circuito, pontos em que a potência é zero. • É importante conhecer a capacidade da máquina manter a tensão na carga constante, desde a ausência de carga (em vazio) a um determinado regime de carga (geralmente o nominal). • A regulação é indicada pela letra grega delta maiúsculo ∆ e a unidade é em pu ou em %. • Pode ser um número positivo, negativo ou zero. Uma regulação positiva significa que a tensão baixa quando a carga aumenta, sendo um comportamento característico quando alimentam cargas R e RL. O caso oposto é característico com cargas RC. • Uma regulação igual a zero indica que não há variação na tensão entre vazio e carga, o que é muito raro. • No caso dos transformadores, a regulação é geralmente baixa, porque a sua impedância interna é muito baixa. Nº 49
Transformador Regulação de tensão • A regulação de tensão é uma avaliação da variação da tensão do secundário provocadas por variações na carga. • É um indicador da qualidade do transformador. • É uma figura de mérito do transformador e expressa-se normalmente em percentagem. • A regulação de tensão relaciona o comportamento da tensão em regime de carga e em vazio, em relação a uma referência (a tensão em carga). • A variação da tensão ocorre devido à queda de tensão (V = ZeqI) associada à impedância interna do transformador. • Sendo U20 a tensão do secundário em vazio e U2 a tensão do secundário em carga, a regulação é dada por: ∆𝑈 % = 𝑈 − 𝑈 𝑈 . 100 • Para o circuito reduzido ao primário, a regulação é dada por: ∆𝑈 % = 𝑈 − 𝑈′ 𝑈 . 100 Nº 50
Transformador Regulação de tensão • Em resumo, a regulação permite conhecer como varia a tensão no secundário com a carga. Nº 51 U = U + Z . I 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 U = Z . I Req Xeq Rp Xm U1 U´2 I’2 I0 I1 Im IP Zc Se não for possível colocar o transformador à plena carga para determinar a sua regulação de tensão, pode-se calcular a partir dos resultados do ensaio em curto-circuito. A IEEE 1100 trata a regulação de tensão como “o grau de controle ou estabilidade da tensão eficaz em situação de carga (normalmente especificado a outros parâmetros, como variações de tensão na entrada, variações de carga, etc.)”. A IEC 61000-3 recomenda a definição da tensão de referência como a tensão nominal do sistema.
Transformador Regulação de tensão Nº 52 Regulação com transformador sem tensão Regulação com transformador em tensão (são necessárias 3 manobras) N
Transformador Diagrama de Kapp • O Diagrama de Kapp, ou Diagrama de Regulação, é uma ferramenta bastante útil para análise do funcionamento de um transformador em diferentes regimes de carga (HEATHCOTE, M. J. The J & Transformer Book, Thirteenth Edition. 13. ed. [S.l.]: Newnes, 2007). • Traçar o diagrama de Kapp possibilita a análise do transformador em funcionamento, por variação da carga ou do seu fator de potência. • A partir deste diagrama pode-se analisar graficamente a regulação de um transformador, e prever o seu comportamento sob diversos tipos de cargas (resistivas, indutivas, capacitivas). • A partir dos valores dos parâmetros do transformador, das tensões em vazio e dos valores em carga, pode-se traçar o diagrama de Kapp. • O Diagrama de Kapp despreza o ramo de perdas no ferro. Nº 53
Transformador Diagrama de Kapp- sequência geral i) Desenha-se o triângulo central (a preto) com os parâmetros do transformador multiplicados pela corrente de carga; ii) Desenha-se a primeira circunferência (a azul) com centro no vértice A do triângulo e raio igual à tensão do transformador em vazio; iii) Desenha-se a segunda circunferência com centro no vértice B com raio igual à tensão do transformador em carga; iv) Traça-se uma reta paralela a R2.I2 passando pelo centro da segunda circunferência. Esta reta (a verde) representa ponto de operação de regulação com cargas resistivas; v) A partir do centro da segunda circunferência traça-se uma reta (a lilás) até ao ponto de intersecção das duas circunferências, este é o ponto de operação de regulação mínima; vi) A partir do centro da primeira circunferência traça-se uma reta na direcção do prolongamento de Z2·I2, passando pelo centro da segunda circunferência. Encontramos o lugar onde as duas circunferências estão mais distantes entre si. Este é o ponto de operação de regulação máxima, retornando a pior regulação com φi = φc. Nº 54
Transformador Diagrama de Kapp para todas as cargas Nº 55 R2.I2 XL2.I2 Z2.I2 A B raio=U20 Carga resistiva Carga indutiva Carga capacitiva Regulação máxima ou pior regulação Regulação mínima ou melhor regulação
Transformador Diagrama de Kapp- exemplo Nº 56 R2.I2 XL2.I2 Z2.I2 A B jc Ponto de operação U
Transformador Corrente e tensão de curto-circuito • Quando se origina um curto-circuito aos terminais do secundário, o valor da corrente neste enrolamento está limitada apenas pela sua impedância interna. • Assim, este valor de corrente será muito elevado e provoca esforços electrodinâmicos violentos entre as espiras dos enrolamentos. • O dimensionamento do transformador pela sua tensão de curto-circuito ucc obedece à reflexão: o Se ucc for baixo, as correntes de curto-circuito em regime nominal são elevadas; o Se ucc for elevada, as quedas de tensão em carga são elevadas. • Para transformadores de distribuição, os valores obedecem à norma NP-443. Nº 57 Tensão de curto-circuito [%] Potência nominal [kVA] Tensão nominal do primário [kV] 4.0 <= 630 <= 20 4.5 > 630; <= 1600 5.0 <= 1600 > 20
Transformador Índice de carga • Define-se índice de carga por: 𝐶 = • Assim, as perdas no cobre são: • O rendimento é: • Como a tensão afeta ambos os membros da divisão e como é muito próximo de , a expressão do rendimento é: • Tendo em conta que o rendimento máximo ocorre quando , o factor de carga que proporciona melhor rendimento é: <=> = Nº 58 𝑃 = 𝑅 𝐼 =𝐶 𝑅 𝐼 = 𝐶 𝑃 = . . . .  = . . . . = . . . . . .
Transformadores especiais
Transformador Transformador de tensão- TT Nº 60 • Os transformadores de tensão são dispositivos que alteram um valor de tensão, de forma a ajustar à tensão pretendida. • Fazem parte do grupo de transformadores de medida.
Transformador Transformador de corrente- TI Nº 61 Um transformador de corrente (abreviadamente TI), também designado por transformador de instrumentação, tem aplicações em circuitos de alta tensão (onde circulam frequentemente correntes baixas), fornecem correntes suficientemente reduzidas e isoladas do circuito primário de forma a possibilitar o seu uso por equipamentos de medição, controlo e protecção. A ligação dos terminais deve ser feita da seguinte maneira: •Primário: a bobina deve ser abraçada a um fio onde circula a corrente a medir; •Secundário: os terminais devem ser ligados em curto- circuito (impedância nula). Um circuito aberto iria saturar o TI e danificá-lo.
Transformador Transformador de isolamento • Tem exactamente o mesmo número de espiras no enrolamento primário e no enrolamento secundário. • Faz uso da separação física entre os enrolamentos para garantir um isolamento galvânico. • É muito utilizado em circuitos eletrónicos porque isola a tensão entre os andares, reduzindo bastante o ruído, os transitórios e o efeito de carga. • É também utilizado como proteção de pessoas e equipamentos na prevenção de curto circuito fase-terra. • São também utilizados nos equipamentos de comunicações e em equipamentos médicos. F N ddp Nº 62
Transformador 63 • São geralmente utilizados em eletrónica, trabalhando com frequências elevadas. • São transformadores com características e aplicações muito específicas. Transformador de sinais
Transformador Transformador de linha O transformador de linha tem aplicação principal como adaptador de impedâncias em sistemas de som. A maioria das caixas de som têm impedância de entrada de 4 ou 8 ohm. Ligar diversas caixas de som diretamente à saída do amplificador, introduz distorção e pode queimar o amplificador. Uma solução é ligar um transformador (designado de tronco) na saída de 4 ou 8 ohm do amplificador, permitindo ter perdas desprezáveis nos sinais. É necessário um transformador de linha em cada caixa para reverter novamente a linha em 4 ou 8 ohm. Outra função do transformador de linha é a de equalizar corretamente a potência aplicada na caixa de som. Nos monitores, equipamentos de produção, CCTV e televisões de CRT, é também comum encontrar estes equipamentos. Nº 64
Transformador Transformadores de Deslocamento de Fase ou Defasadores • (Em inglês: Phase-Shifting Transformers) são utilizados em linhas de transporte para controlar a potência ativa entre sistemas independentes. Alteram o ângulo de fase entre a tensão de entrada e a de saída. • Será abordado nos transformadores trifásicos. Nº 65 Source: https://new.siemens.com/global/en/products/ energy/high-voltage/transformers/phase- shifting-transformers.html
Transformador Autotransformador • O autotransformador também faz a alteração de tensão e corrente, mas utiliza apenas um enrolamento. • De acordo com a tensão desejada no secundário, um cursor (tap) é deslocado para variar o número de espiras do secundário. • A constituição diferenciada do autotransformador garante-lhe certas vantagens: melhor rendimento, menor queda de tensão e um preço menor, quando comparado com o transformador convencional. Nº 66 Esquema eléctrico de um auto transformador U1 U2
Transformador Autotransformador Nº 67 N1 N2 U1 U2 N1 N2 U1 U2 Transformador abaixador Transformador elevador
Transformador Outros modelos equivalentes do transformador (fora do âmbito de FME) Nº 68 Para o transformador ideal Para o transformador real
Paralelo de Transformadores
Transformador Ligação de transformadores em paralelo Nº 70 Necessidade Quando um transformador não tem potência suficiente para alimentar a carga, pode-se colocar outro transformador em paralelo. Exemplos o em necessidade de reforço temporário por um evento pontual; o para aumenta a fiabilidade do sistema: se um dos transformadores ficar fora de serviço, o outro pode continuar a alimentar a carga (se a potência disponível no outro transformador for suficiente para alimentar a carga); o para se realizar manutenção num dos transformadores sem que seja necessário desligar a alimentação da carga; o para a expansão do sistema: possibilidade de aumento da capacidade do sistema, acrescentando um transformador para aliviar outro que esteja em sobrecarga, ou simplesmente, aumento da potência disponível para alimentar a carga. o para operação sob condições mais favoráveis de carga: com as variações de carga que existem ao longo do dia, é vantajoso ter os transformadores a funcionar em condições próximas do rendimento máximo, ao introduzir ou retirar de funcionamento para que se mantenham ligadas as que funcionem próximo do seu regime nominal.
Transformador Ligação de transformadores em paralelo Nº 71 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. Transformador A ReqA LeqA Transformador B ReqB LeqB
Transformador Ligação de transformadores em paralelo Nº 72 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. Transformador A ReqA LeqA Transformador B ReqB LeqB
Transformador Ligação de transformadores em paralelo Nº 73 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. Transformador A ReqA LeqA Transformador B ReqB LeqB U1 U’2
Transformador Ligação de transformadores em paralelo Nº 74 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2
Transformador Ligação de transformadores em paralelo Nº 75 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2
Transformador Ligação de transformadores em paralelo Nº 76 Condições O paralelo tem de respeitar a seguinte condição: 1. Igualdade de tensões e relação de transformação (transformador mono e trifásico). 2. Igualdade de desfasamento dos diagramas vectoriais do secundário em relação ao primário (transformador trifásico). 3. Igualdade de sequência de fases (transformador trifásico). O paralelo deve respeitar as seguintes condições: 1. Igualdade de tensões de curto-circuito (transformador mono e trifásico). 2. Uma relação de potência compatível (transformador mono e trifásico).
Transformador Paralelo de transformadores- Condições Condição • Mesma relação de transformação composta Consequências de não respeitar esta condição: • Corrente de circulação de valor muito elevado entre os transformadores. • Possível destruição de material Nº 77
Transformador Paralelo de transformadores- Condições Condição • Compatibilidade entre índices horários Consequências de não respeitar esta condição: • Correntes muito elevadas • Destruição de equipamento Nº 78
Transformador Paralelo de transformadores- Condições Condição • Igualdade de tensões relativas de curto-circuito • Notas: • influência na distribuição da carga entre os transformadores • Menor tensão relativa de curto-circuito, mais carga • Admissível diferença inferior a 10% da menor 𝑉_𝑐𝑐 • O de menor 𝑉_𝑐𝑐 deve ter maior potência Consequências de não respeitar esta condição: • Sobrecarga num transformador e folga no outro Nº 79
Transformador Paralelo de transformadores- Condições Condição • Igualdade de potências • Notas: • influência na distribuição da carga entre os transformadores • Admissível desigualdade até uma relação de 1:2 (1:3 alguns autores) Consequências de não respeitar esta condição: • Sobrecarga num transformador e folga no outro Nº 80
Transformador Tensões nominais e relações de transformação • Para que dois transformadores possam ser ligados em paralelo é necessário terem relações de transformação iguais e que os valores eficazes das suas tensões nominais sejam iguais. As diferenças nas relações de transformação levariam ao aparecimento de correntes de circulação entre os transformadores. • Quando dois transformadores se ligam em paralelo significa que recebem energia da mesma linha pelo primário e a transferem para outra linha pelo secundário. Assim, são iguais entre si as tensões do primário e são iguais entre si as tensão do secundário. Desta forma, ligar dois transformadores em paralelo requer que ambos tenham as mesmas tensões nominais no primário e secundário, implicando que devem ter a mesma relação de transformação. Nº 81 ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2 U1B U1A U’2A U’2B
Transformador Igualdade de sequência de fases Utilizando lâmpadas • Liga-se o motor no secundário de ambos os transformadores, exactamente da mesma forma, fazendo com que o motor rode em determinado sentido. Seguindo exactamente a ligação para o segundo transformador, as fases RST no motor estão ligadas em ambos os casos a UVW, na mesma correspondência. Se o motor girar em sentido contrário, as sequências são opostas e não se podem colocar os transformadores em paralelo. Neste caso é necessário trocar dois terminais quaisquer do primário, mas tendo em conta que a inversão do sentido de rotação (sequência) altera o desfasamento (índice) do secundário em relação ao primário quando os tipos de ligação dos enrolamentos primário e secundário são distintos. Nº 82
Transformador Tensões de curto-circuito • A análise da distribuição de carga é às correntes secundárias, por isso no esquema equivalente de cada transformador não se considera a impedância de excitação, tal como representado na Figura. • Quando se colocam em paralelo os dois transformadores, as impedâncias de curto circuito ficam em paralelo • Pela Lei de Kirschhoff dos nós/ divisor de corrente, se as impedâncias de curto circuito de cada transformador forem diferentes então há um desequilibro de correntes em cada um deles Nº 83 ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2
Transformador Potências individuais dos transformadores • As contribuições de cada um dos transformadores S’ e S’’ serão proporcionais às suas potências nominais. Assim, ambos podem funcionar em simultâneo à plena carga. • A potência total S solicitada pela carga será igual à soma das potências individuais fornecidas por cada transformador S=S’+S’’, situação resultante da concordância de fase das correntes I’ e I’’ fornecidas por T’ e T’’, respectivamente. • Se as potências forem diferentes, pode ocorrer um transformador estar em sobre carga e o outro estar próximo do vazio. • Quando se agrupam transformadores de potências diferentes, o que tiver menor potência deve ter maior impedância equivalente. Os triângulos fundamentais dos dois devem estar entre si na razão inversa das suas potências. • No entanto não é aconselhável efetuar o paralelo de transformadores com potências muito diferentes (no máximo 1:3), porque assim será difícil satisfazer os requisitos anteriores e o conjunto estará a ser subaproveitado. Nº 84
Transformador Deslocamentos de fase • No caso dos transformadores trifásicos (ou polifásicos) além do problema da polaridade dos enrolamentos de cada fase no primário e secundário, há que acrescentar o problema dos desfasamentos que podem ocorrer entre as tensões aos seus terminais, nas ligações em estrela, triângulo ou ziguezague. • Podem ligar-se em paralelo dois transformadores trifásicos quando os seus deslocamentos de fase forem iguais. Se não o forem, as correntes de circulação entre eles podem atingir valores inaceitáveis. Nº 85
Transformadores trifásicos
EG • Energia elétrica é gerada com três fases • Consumidor recebe 3 fases e pode ter equipamentos monofásicos e trifásicos • Fases distribuídas pela instalação • Cargas distribuídas pelas três fases • Evitar sobrecarregar apenas uma fase • Fases equilibradas quanto possível • Distribuição com três fases simultaneamente • Transformação simultânea das três fases Nº 87 Transformadores trifásicos
Transformador Transformadores trifásicos Nº 88 Podem ser construídos de duas maneiras: - banco trifásico (composto por 3 transformadores monofásicos). A ligação em banco trifásico facilita a manutenção e substituição dos transformadores, porém com maior custo de investimento. Mantem alguma potência por avaria de um transformador; - núcleo trifásico (composto por um único núcleo – mononuclear). A ligação em núcleo trifásico resulta em transformadores mais eficientes, menores e mais baratos devido a necessidade de menos material ferromagnético, porém com menor flexibilidade de manutenção.
Transformador Transformadores trifásicos Nº 89 3 troços verticais (Couraçado) 2 troços verticais
Transformador Nº 90 Transformadores trifásicos
Transformador Nº 91 GSU three-phase transformer; Core type; 35 MVA; 230/13 kV Hydroelectric station, San Carlos, Costa Rica Transformadores trifásicos
Transformador 92 Ligação em estrela Tipos de ligação
Transformador 93 Ligação em triângulo Tipos de ligação
Transformador Circuito equivalente 94 • O circuito equivalente é por fase, isto é, monofásico; • Potências no circuito equivalente representam apenas uma fase • Potências no circuito equivalente têm de ser multiplicadas por três para representarem o transformador trifásico real • Tensões no circuito equivalente dependem do tipo de ligação do transformador.
Transformador Diagramas vectoriais de algumas ligações • A ligação em estrela é designada por Y e a ligação em triângulo é designada por ∆. • A condição fundamental para que os transformadores possam trabalhar em paralelo, é que os terminais a juntar entre si se encontrem em todos os instantes ao mesmo potencial. Existem diversas formas de ligar os enrolamentos. A figura ilustra algumas dessas formas de ligação: • A forma como é efectuada a ligação do neutro numa estrela, determina o respectivo diagrama vectorial, dado que a ligação em estrela apenas admite duas formas de realização e a ligação em triângulo admite quatro formas de ligação. A cada uma destas ligações corresponde um diagrama vectorial de tensões, tal como ilustrado na figura. Nº 95 U V W U V W W U V U V W U V W V W U Esquemas de ligação em estrela Esquemas ligação em triângulo
Transformador Índice horário Para determinar o índice sobrepõem-se os respectivos diagramas vectoriais. O ângulo de desfasamento corresponde ao ângulo que formam o ponteiro das horas e o ponteiro dos minutos de um relógio, a determinada hora, sendo a referência as 12 horas com 0°. O grupo a que o pertence o transformador é designado por duas letras e um número. Por exemplo, um transformador ligado em triângulo no primário e estrela no secundário com desfasamento de -30° (ou 330º), pertence ao índice Dy11. Nº 96 A relação de tensões é dada por um factor multiplicativo da razão número de espiras do lado da alta, NA, pelo número de espiras do lado da baixa, NB. Nos transformadores trifásicos, a relação de transformação é definida pela relação entre a tensão de linha do primário e a tensão de linha do secundário. Portanto, dependendo da ligação, a relação de transformação pode ser diferente da relação de espiras. Os tipos de ligação mais utilizados são 12 e estão na chapa de características da máquina. Os índices horários mais usuais são quatro 0, 5, 6 e 11.
Transformador Tipos de ligações- balanço • Vantagens da ligação Y-Y Pode ser construído como auto-transformador Como a tensão sobre o enrolamento é 57,7% da tensão de linha, o número de espiras necessário é menor Fornece dois níveis de tensão, fase-neutro e fase-fase • Principal aplicação da ligação Y-∆ e ∆− Y A ligação ∆−Y é mais utilizada como transformador elevador em subestações de produção A ligação ∆−Y é mais utilizada como transformador abaixador em subestações industriais O neutro do lado de alta-tensão pode ser ligado à Terra O lado em ∆ funciona como um filtro para correntes harmónicas (fora do âmbito de FME, mas de interesse para quem queira explorar mais). • Vantagem da ligação ∆−∆ Transformadores trifásicos em banco podem operar em ligação Triângulo aberto, com um dos transformadores monofásicos em manutenção, podendo fornecer 58% da capacidade nominal do banco. Nº 97
Transformador Autotransformador trifásico Em sistemas trifásicos existem também os autotransformadores, que tem o seu enrolamento secundário ligado eletricamente ao enrolamento primário para cada fase. Nº 98
Transformador Manutenção Nº 99 Substituição de buchas em transformadores de potência. Central hidroelétrica 67 MVA; 230/10 kV.
Transformador Um dos maiores transformadores produzido pela WEG • Produzido na fábrica de transformadores da WEG em Blumenau/SC • 405 MVA , mais de 282 toneladas, 13,8kV/ 525kV. • A central Hidrelétrica Teles Pires está localizada na fronteira dos estados do Pará e Mato Grosso e em funcionamento desde 2015. Com 5 Unidades Geradoras de 364 MW e potência instalada de 1.820 MW, possui energia suficiente para abastecer aproximadamente 13,5 milhões de habitantes. Nº 100 November 2020, https://www.weg.net/institutional/BR/pt/news/produtos-e-solucoes/usina-teles- pires-vai-receber-um-dos-maiores-transformadores-ja-produzido-pela-weg#.X7TkBxSFL89.linkedin
Transformador Silica gel breather, 25MVA power transformer Nº 101
Transformador Isoladores Nº 102
Nuno Alexandre Soares Domingues nndomingues@gmail.com A máquina assíncrona Transformador

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  • 1.
    Nuno Alexandre SoaresDomingues nndomingues@gmail.com A máquina assíncrona FME- Fundamentos de Máquinas Eléctricas
  • 2.
    Nuno Alexandre SoaresDomingues nndomingues@gmail.com A máquina assíncrona Transformador
  • 3.
  • 4.
    Transformador Magnetismo e camposmagnéticos • A maioria das máquinas eléctricas depende directa ou indirectamente do magnetismo. • Todos os ímanes possuem um pólo norte e um pólo sul, com propriedades de atracção de pólos diferentes e de repulsão de pólos iguais. • A influência magnética pode ser visualizada pela experiência das limalhas de ferro (Arago, 1820). • Ao conjunto de todas as linhas de campo magnético que saem do pólo norte chama-se fluxo magnético. Nº 4
  • 5.
  • 6.
    Transformador Definição e constituição •É uma maquina eléctrica estática que consegue transferir energia elétrica de um circuito para outro, geralmente com tensões e correntes diferentes, mantendo a mesma frequência e aproximadamente a mesma potência. • É normalmente composto por uma bobina de enrolamento primário e uma bobina de enrolamento secundário, que envolvem um núcleo de material ferromagnético. • Contudo, existem alguns transformadores que possuem mais de um enrolamento secundário. Neste caso, o equipamento terá maiores dimensões e haverá um aumento considerável no preço devido à maior quantidade de material usado para o fabrico. • Para o seu funcionamento, a bobina do enrolamento primário é submetida a uma tensão eléctrica. Nº 6
  • 7.
    Transformador Aplicação e utilização •A tensão eléctrica na bobina do enrolamento primário é transformada noutra tensão na bobina do enrolamento secundário, mantendo a potência elétrica praticamente constante. • Pode ser utilizado para: o alterar os valores de tensão e corrente; o alterar os valores de impedâncias em circuitos eléctricos; o aumentar o calibre dos aparelhos de medida; o fazer a separação eléctrica de circuitos (isolamento galvânico). Nº 7
  • 8.
    Transformador Principio de funcionamento •Foi verificado que: o é possível criar um campo magnético a partir de uma corrente eléctrica (Oersted, 1820); o é possível criar uma corrente eléctrica num circuito através de um fluxo magnético variável, mas se o fluxo não for variável não existe corrente eléctrica (Faraday, 1821); o o sentido da corrente induzida é tal que o campo magnético por ela criado é oposto à variação do fluxo magnético que lhe deu origem (Lenz, 1834). • O principio de funcionamento de um transformador baseia-se nas experiências supra e em: o Lei de Biot-Savart: uma corrente elétrica I produz um campo magnético B; o Lei de Ampère: calcula o campo magnético H a partir de uma distribuição de densidade de corrente elétrica J; o Leis de Maxwell: os campos magnéticos podem ser gerados através de correntes elétricas (lei de Ampère original) e por campos elétricos que variam no tempo. Nº 8
  • 9.
    Transformador Principio de funcionamento •A alteração na corrente presente na bobina do circuito primário altera o fluxo magnético nesse circuito e também na bobina do circuito secundário. A bobina do circuito secundário encontra-se sob influência direta do campo magnético gerado no circuito primário. • A mudança no fluxo magnético na bobina secundária induz uma tensão elétrica na bobina secundária. • A tensão induzida é diretamente proporcional à taxa de variação do fluxo magnético no circuito. Nº 9
  • 10.
  • 11.
    Transformador Caracterização Nº 11 • Grandezasmagnéticas oForça magnetomotriz oRelutância magnética oFluxo oIndução • Características oPotência aparente nominal oTensão nominal do primário/ Tensão em vazio do secundário oFrequência oNº de fases oTensão de curto-circuito • Descrição oNúcleo (Tipo quanto ao Número de troços) oEnrolamentos Número de enrolamentos: primário e secundário(s) Numero de espiras em cada enrolamento • Grandezas eléctricas oCorrentes oTensões e f.e.m. oPotências
  • 12.
    Transformador Relação entre asprincipais grandezas (rever EG) Nº 12 - força magnetomotriz em cada bobina: - relutância magnética do núcleo: - fluxo induzido que circula pelo núcleo: - densidade de fluxo em cada troço do núcleo: ∅ - força electromotriz induzida por espira: ∅ - força electromotriz induzida por bobina de n espiras: ∅
  • 13.
    Transformador Transformador de potência Nº13 • O transformador abaixador serve para reduzir a tensão existente no enrolamento primário do transformador. Para conseguir reduzir a tensão, o enrolamento secundário deve ter menor número de espiras do que o enrolamento primário, pois assim a indução magnética no secundário é menor. • O transformador elevador serve para elevar a tensão existente no enrolamento primário do transformador. Para conseguir elevar esta tensão, o enrolamento secundário deve ter maior número de espiras do que o enrolamento primário, pois assim a indução magnética no secundário é maior .
  • 14.
  • 15.
    Transformador Transformador de potência Nº15 Central Eléctrica Transformador Elevador Transporte Consumo Transformador Abaixador Qual é a necessidade de se terem estes transformadores?
  • 16.
    Transformador Transformador de potência:Exercícios de cálculo Nº 16 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha.
  • 17.
    Transformador Transformador de potência:Exercícios de cálculo Nº 17 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha. 2-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Pretende-se que a queda de tensão máxima seja de 5%. Calcule a secção mínima dos condutores.
  • 18.
    Transformador Transformador de potência:Exercícios de cálculo Nº 18 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha. 2-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Pretende-se que a queda de tensão máxima seja de 5%. Calcule a secção mínima dos condutores. 3-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230kV. Calcule as perdas de transporte na linha.
  • 19.
    Transformador Calcule as perdasde transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 19
  • 20.
    Transformador Calcule as perdasde transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 20
  • 21.
    Transformador Calcule as perdasde transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 21
  • 22.
    Transformador Calcule as perdasde transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 22
  • 23.
    Transformador Calcule as perdasde transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 23
  • 24.
    Transformador Calcule as perdasde transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 24
  • 25.
    Transformador Calcule as perdasde transporte na linha. Calcule a queda de tensão na linha. Nº 25
  • 26.
    Transformador Transformador de potência:Exercícios de cálculo Nº 26 1-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Calcule as perdas de transporte na linha. 2-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230V. Pretende-se que a queda de tensão máxima seja de 5%. Calcule a secção mínima dos condutores. 3-Considere uma linha de transporte com 50km de condutores de cobre com secção 400mm2 e densidade de corrente 5A/mm2 que alimenta um consumo agregado de 2,2MVA a 230kV. Calcule as perdas de transporte na linha.
  • 27.
    Transformador Caraterização das Redesde Distribuição a 31 de dezembro 2018 em Portugal (fora do âmbito de FME) Nº 27 Source: https://www.edpdistribuicao.pt/sites/edd/files /2019-04/Caracterizacao-das-Redes-de- Distribuicao-a-31-dez-2018-ERSE_1.pdf
  • 28.
    Transformador O núcleo- materiais Nº28 Tem a função de conduzir, para as espiras do secundário, o fluxo criado pelas espiras do primário, melhorando a ligação magnética entre os enrolamentos. Materiais ferromagnéticos
  • 29.
  • 30.
    Transformador Transformador ideal Nº 30 𝑚= 𝑈 𝑈2 = 𝐼2 𝐼 = 𝑁 𝑁2 𝑆 = 𝑆 𝑈 𝐼 = 𝑈 𝐼2 - Toda a potência na entrada é entregue à saída - A resistência dos condutores das bobinas é nula - As fugas magnéticas (devido ao fluxo de dispersão) são nulas - A relutância do circuito magnético é nula - As correntes de Foucault são nulas - Não existe histerese
  • 31.
    Transformador Transformador real Possui perdas: •nos condutores dos enrolamentos: Joule e fluxo de dispersão • no núcleo magnético: correntes de Foucault e Histerese Nº 31
  • 32.
    Transformador Perdas no Transformadorreal • nos condutores dos enrolamentos: Joule Nº 32 𝑃 = 𝑅 𝐼 R
  • 33.
    Transformador Perdas no Transformadorreal • nos condutores dos enrolamentos: fluxo de dispersão Nº 33 L I2 I1 Fluxo ligado Fluxo de dispersão Parte do fluxo gerado pela bobina do primário (1) não circula pelo núcleo e portanto não abraça com a do secundário. Este fluxo d chama-se fluxo de dispersão. Este fluxo de dispersão é representado no equivalente eléctrico como uma bobina. Para minimizar estas perdas é necessário que os enrolamentos estejam bem acoplados, ou seja, que os enrolamentos estejam o mais próximo possível um do outro. Pode-se também intercalar os enrolamentos (interleaving).
  • 34.
    Transformador Perdas no Transformadorreal • no núcleo magnético: correntes de Foucault Nº 34 R • Para a construção do núcleo ferromagnético são usadas chapas de aço laminadas (sendo mais comum as chapas de aço-silício por terem maior resistividade) para diminuir as perdas por Correntes de Foucault ou correntes parasitas. O isolamento entre as chapas é verniz (silicato de sódio) ou por oxidação (tratamento químico). Source: CERVA, L. L. Desenvolvimento de uma máquina síncrona com imãs permanentes e núcleo sintetizado utilizada em aerogerador. Tese PhD. UFRGS. Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 2014
  • 35.
    Transformador Perdas no Transformadorreal • no núcleo magnético: Histerese Nº 35 A histerese é a tendência de um sistema conservar as suas propriedades magnéticas na ausência do estímulo que as gerou. Também é conhecido por memória magnética. L Para diminuir as perdas por efeito de histerese, os núcleos ferromagnéticos possuem um entreferro de ar. Source: CERVA, L. L. Desenvolvimento de uma máquina síncrona com imãs permanentes e núcleo sintetizado utilizada em aerogerador. Tese PhD. UFRGS. Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 2014
  • 36.
    Transformador Transformador real Nº 36 Háoutras perdas que são desprezíveis, tais como: sonoras, por vibração e correntes parasitas induzidas no exterior.
  • 37.
    Transformador Circuito equivalente dotransformador real Nº 37 𝑈 - Tensão do primário ou tensão aplicada 𝐼 - Corrente do primário ou Corrente absorvida 𝑅 – Resistência dos condutores do primário 𝑋 – Reactância de dispersão do primário 𝑁 - Número de espiras do primário 𝐼 - Corrente de vazio 𝐼 - Corrente de magnetização 𝐼 - Corrente parasita (de histerese e de Foucault) 𝐸 - Tensão induzida no primário 𝐸 - Tensão induzida no secundário 𝑈 - Tensão do secundário ou tensão na carga 𝐼 - Corrente do secundário 𝑅 – Resistência dos condutores do secundário 𝑋 – Reactância de dispersão do secundário 𝑁 - Número de espiras do secundário 𝑆 - Potência aparente no primário 𝑆 - Potência aparente no secundário 𝑆 - Potência aparente da carga 𝑚 - Relação de transformação: 𝑃 – Perdas por efeito de joule nos enrolamentos 𝑃 – Perdas por efeitos magnéticos 𝜂 - Rendimento R1 L1 R2 L2 Rp Lm U1 U2 Transformador ideal E1 E2 I2 I0 I1 Im Ip
  • 38.
    Transformador Relações de grandezas Nº38 𝑚 = 𝑍 𝑍 𝑆 = 𝑆 𝑈 𝐼 = 𝑈 𝐼 𝑍 = 𝑈 𝐼 𝑍 = 𝑈 𝐼 𝑚 = 𝑁 𝑁 Relação entre impedâncias no primário e no secundário 𝑚 = 𝑈 𝑈 = 𝐼 𝐼 Relação entre tensões e correntes no primário e no secundário
  • 39.
    Transformador Circuito equivalente emPI ou de Steinmetz Nº 39 U = U + Z . I 𝑋 = 𝑋 𝑚 𝑅 = 𝑅 𝑚 I′ = I 𝑚 U′ = U .m R1 L1 R’2 L’2 Rp Lm U1 I0 I1 Im Ip Transf ormador ideal U´2 I’2 U2 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 Existem literaturas que empregam as seguintes grandezas: 𝑅 = 𝑅 𝑋 = 𝑋 𝑅 = 𝑅 𝑋 = 𝑋
  • 40.
    Transformador Circuito equivalente (emL invertido) reduzido ao primário Nº 40 U = U + Z . I 𝑋 = 𝑋 + 𝑋 𝑅 = 𝑅 + 𝑅 I′ = I 𝑚 U′ = U .m Req Xeq Rp Xm U1 U´2 I’2 I0 I1 Im IP Tendo em conta que 𝑅 + 𝑗𝑋 <<(𝑅 // 𝑗𝑋 ), pode-se utilizar o esquema equivalente em L em vez do PI, facilitando bastante a análise e os cálculos sem perda de rigor.
  • 41.
    Transformador Ensaios • Em vazio •Em curto-circuito • Em corrente contínua • Em carga Nº 41 Permitem determinar os parâmetros do circuito equivalente. • Grandezas medidas o Tensão o Corrente o Potência activa
  • 42.
    Transformador Ensaio em vazio •O transformador não tem qualquer carga ligada ao secundário. • O funcionamento do transformador é como uma bobina real com núcleo de ferro. • Pode-se determinar o valor da impedância do circuito de magnetização, calculando separadamente a sua componente óhmica e a sua componente reactiva. Nº 42 𝑅 = 𝑈 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜑 = 𝑃 𝑈 𝐼 𝑋 = 𝑈 𝐼 𝑠𝑒𝑛𝜑 Req Xeq Rp Xm U1 I’2=0A I0 I1=I0 Im IP U1 IP Im I1=I0
  • 43.
    Transformador Ensaio em curto-circuito Estabelece-seuma ligação eléctrica franca (shunt) entre os terminais do secundário, e alimenta-se o primário com uma tensão tal que provoque a passagem da corrente de primário nominal. As ucc típicas para transformadores de potência estão entre 3 e 10% de Un. Nº 43 𝑅 = 𝑃 𝐼 𝑍 = 𝑈 𝐼 𝑋 = 𝑍 − 𝑅 Req Xeq U1 I’2=I1 I1 I0=0A Req Xeq Rp Xm U1 I’2 I1 I0<<I’2 IRe q IXe q I’2=I1 U1 IRe q IXe q I’2 U1 IP Im I0 I1 Nota: Para maior clareza, atribuíram-se valores excessivos a Ip, Im e I0.
  • 44.
    Transformador Ensaio em carga •Realizam-se ensaios com o transformador a alimentar diferentes valores de carga. • As cargas podem ser indutivas, resistivas ou capacitivas. Nº 44 U = U + Z . I 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 U = Z . I Req Xeq Rp Xm U1 U´2 I’2 I0 I1 Im IP Zc
  • 45.
    Transformador Considerações sobre errose aparelhos de medida Nº 45 Exemplo: U1n/In: 150V/5A Vazio  120 W - 240V/2,5A - 240V/ 5A - 240V/1A - 240V/ 5A 24 12 60 12 Wattímetro
  • 46.
    Transformador Potência de perdas Nº46 As perdas nos enrolamentos dos condutores, perdas no cobre, são por efeito de Joule e dadas por: 𝑃 = 𝐾 𝑉𝑓𝐵 𝑃 = 𝑅 𝐼 As perdas no núcleo magnético, perdas no ferro, podem ser por histerese e por correntes de Foucault, dadas respectivamente por: 𝑃 = 𝑃 + 𝑃 𝑃 = 𝐾 𝑉𝑓 𝐵 Usualmente não se separam as perdas no ferro. Como o fluxo máximo é constante para uma tensão U1 constante, as perdas no ferro são constantes. 𝐾 =100 Para chapas de alta qualidade e o seu valor máximo é 500 𝐾 Depende do material do núcleo 𝑃 = 𝑃 + 𝑃
  • 47.
    Transformador Rendimento • O transformadoré a máquina elétrica mais eficiente, com rendimento acima de 90%. • Mantendo a mesma tensão no primário, o fluxo magnético no núcleo de ferro do transformador é independente da carga e é aproximadamente constante. Por conseguinte, as perdas no ferro também são constantes. • O rendimento do transformador varia com a carga. Um transformador de distribuição é projetado para trabalhar em meia carga pois o seu regime de carga é muito variável, tendo sobrecarga nos horários de ponta e baixa carga nas horas de vazio. Um transformador de potência é projetado para trabalhar em plena carga. O seu rendimento máximo é próximo do regime de carga projectado. Nº 47 𝑃 = 𝑃 + 𝑃 + 𝑃  = = = 𝜂 => 𝑃 = 𝑃
  • 48.
  • 49.
    Transformador Característica externa eRegulação • É a curva que relaciona a tensão e a corrente de saída. O ponto inicial corresponde ao transformador a funcionar em vazio e o ponto final ao curto-circuito, pontos em que a potência é zero. • É importante conhecer a capacidade da máquina manter a tensão na carga constante, desde a ausência de carga (em vazio) a um determinado regime de carga (geralmente o nominal). • A regulação é indicada pela letra grega delta maiúsculo ∆ e a unidade é em pu ou em %. • Pode ser um número positivo, negativo ou zero. Uma regulação positiva significa que a tensão baixa quando a carga aumenta, sendo um comportamento característico quando alimentam cargas R e RL. O caso oposto é característico com cargas RC. • Uma regulação igual a zero indica que não há variação na tensão entre vazio e carga, o que é muito raro. • No caso dos transformadores, a regulação é geralmente baixa, porque a sua impedância interna é muito baixa. Nº 49
  • 50.
    Transformador Regulação de tensão •A regulação de tensão é uma avaliação da variação da tensão do secundário provocadas por variações na carga. • É um indicador da qualidade do transformador. • É uma figura de mérito do transformador e expressa-se normalmente em percentagem. • A regulação de tensão relaciona o comportamento da tensão em regime de carga e em vazio, em relação a uma referência (a tensão em carga). • A variação da tensão ocorre devido à queda de tensão (V = ZeqI) associada à impedância interna do transformador. • Sendo U20 a tensão do secundário em vazio e U2 a tensão do secundário em carga, a regulação é dada por: ∆𝑈 % = 𝑈 − 𝑈 𝑈 . 100 • Para o circuito reduzido ao primário, a regulação é dada por: ∆𝑈 % = 𝑈 − 𝑈′ 𝑈 . 100 Nº 50
  • 51.
    Transformador Regulação de tensão •Em resumo, a regulação permite conhecer como varia a tensão no secundário com a carga. Nº 51 U = U + Z . I 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 𝐼 = 𝐼 + 𝐼 U = Z . I Req Xeq Rp Xm U1 U´2 I’2 I0 I1 Im IP Zc Se não for possível colocar o transformador à plena carga para determinar a sua regulação de tensão, pode-se calcular a partir dos resultados do ensaio em curto-circuito. A IEEE 1100 trata a regulação de tensão como “o grau de controle ou estabilidade da tensão eficaz em situação de carga (normalmente especificado a outros parâmetros, como variações de tensão na entrada, variações de carga, etc.)”. A IEC 61000-3 recomenda a definição da tensão de referência como a tensão nominal do sistema.
  • 52.
    Transformador Regulação de tensão Nº52 Regulação com transformador sem tensão Regulação com transformador em tensão (são necessárias 3 manobras) N
  • 53.
    Transformador Diagrama de Kapp •O Diagrama de Kapp, ou Diagrama de Regulação, é uma ferramenta bastante útil para análise do funcionamento de um transformador em diferentes regimes de carga (HEATHCOTE, M. J. The J & Transformer Book, Thirteenth Edition. 13. ed. [S.l.]: Newnes, 2007). • Traçar o diagrama de Kapp possibilita a análise do transformador em funcionamento, por variação da carga ou do seu fator de potência. • A partir deste diagrama pode-se analisar graficamente a regulação de um transformador, e prever o seu comportamento sob diversos tipos de cargas (resistivas, indutivas, capacitivas). • A partir dos valores dos parâmetros do transformador, das tensões em vazio e dos valores em carga, pode-se traçar o diagrama de Kapp. • O Diagrama de Kapp despreza o ramo de perdas no ferro. Nº 53
  • 54.
    Transformador Diagrama de Kapp-sequência geral i) Desenha-se o triângulo central (a preto) com os parâmetros do transformador multiplicados pela corrente de carga; ii) Desenha-se a primeira circunferência (a azul) com centro no vértice A do triângulo e raio igual à tensão do transformador em vazio; iii) Desenha-se a segunda circunferência com centro no vértice B com raio igual à tensão do transformador em carga; iv) Traça-se uma reta paralela a R2.I2 passando pelo centro da segunda circunferência. Esta reta (a verde) representa ponto de operação de regulação com cargas resistivas; v) A partir do centro da segunda circunferência traça-se uma reta (a lilás) até ao ponto de intersecção das duas circunferências, este é o ponto de operação de regulação mínima; vi) A partir do centro da primeira circunferência traça-se uma reta na direcção do prolongamento de Z2·I2, passando pelo centro da segunda circunferência. Encontramos o lugar onde as duas circunferências estão mais distantes entre si. Este é o ponto de operação de regulação máxima, retornando a pior regulação com φi = φc. Nº 54
  • 55.
    Transformador Diagrama de Kapppara todas as cargas Nº 55 R2.I2 XL2.I2 Z2.I2 A B raio=U20 Carga resistiva Carga indutiva Carga capacitiva Regulação máxima ou pior regulação Regulação mínima ou melhor regulação
  • 56.
    Transformador Diagrama de Kapp-exemplo Nº 56 R2.I2 XL2.I2 Z2.I2 A B jc Ponto de operação U
  • 57.
    Transformador Corrente e tensãode curto-circuito • Quando se origina um curto-circuito aos terminais do secundário, o valor da corrente neste enrolamento está limitada apenas pela sua impedância interna. • Assim, este valor de corrente será muito elevado e provoca esforços electrodinâmicos violentos entre as espiras dos enrolamentos. • O dimensionamento do transformador pela sua tensão de curto-circuito ucc obedece à reflexão: o Se ucc for baixo, as correntes de curto-circuito em regime nominal são elevadas; o Se ucc for elevada, as quedas de tensão em carga são elevadas. • Para transformadores de distribuição, os valores obedecem à norma NP-443. Nº 57 Tensão de curto-circuito [%] Potência nominal [kVA] Tensão nominal do primário [kV] 4.0 <= 630 <= 20 4.5 > 630; <= 1600 5.0 <= 1600 > 20
  • 58.
    Transformador Índice de carga •Define-se índice de carga por: 𝐶 = • Assim, as perdas no cobre são: • O rendimento é: • Como a tensão afeta ambos os membros da divisão e como é muito próximo de , a expressão do rendimento é: • Tendo em conta que o rendimento máximo ocorre quando , o factor de carga que proporciona melhor rendimento é: <=> = Nº 58 𝑃 = 𝑅 𝐼 =𝐶 𝑅 𝐼 = 𝐶 𝑃 = . . . .  = . . . . = . . . . . .
  • 59.
  • 60.
    Transformador Transformador de tensão-TT Nº 60 • Os transformadores de tensão são dispositivos que alteram um valor de tensão, de forma a ajustar à tensão pretendida. • Fazem parte do grupo de transformadores de medida.
  • 61.
    Transformador Transformador de corrente-TI Nº 61 Um transformador de corrente (abreviadamente TI), também designado por transformador de instrumentação, tem aplicações em circuitos de alta tensão (onde circulam frequentemente correntes baixas), fornecem correntes suficientemente reduzidas e isoladas do circuito primário de forma a possibilitar o seu uso por equipamentos de medição, controlo e protecção. A ligação dos terminais deve ser feita da seguinte maneira: •Primário: a bobina deve ser abraçada a um fio onde circula a corrente a medir; •Secundário: os terminais devem ser ligados em curto- circuito (impedância nula). Um circuito aberto iria saturar o TI e danificá-lo.
  • 62.
    Transformador Transformador de isolamento •Tem exactamente o mesmo número de espiras no enrolamento primário e no enrolamento secundário. • Faz uso da separação física entre os enrolamentos para garantir um isolamento galvânico. • É muito utilizado em circuitos eletrónicos porque isola a tensão entre os andares, reduzindo bastante o ruído, os transitórios e o efeito de carga. • É também utilizado como proteção de pessoas e equipamentos na prevenção de curto circuito fase-terra. • São também utilizados nos equipamentos de comunicações e em equipamentos médicos. F N ddp Nº 62
  • 63.
    Transformador 63 • São geralmenteutilizados em eletrónica, trabalhando com frequências elevadas. • São transformadores com características e aplicações muito específicas. Transformador de sinais
  • 64.
    Transformador Transformador de linha Otransformador de linha tem aplicação principal como adaptador de impedâncias em sistemas de som. A maioria das caixas de som têm impedância de entrada de 4 ou 8 ohm. Ligar diversas caixas de som diretamente à saída do amplificador, introduz distorção e pode queimar o amplificador. Uma solução é ligar um transformador (designado de tronco) na saída de 4 ou 8 ohm do amplificador, permitindo ter perdas desprezáveis nos sinais. É necessário um transformador de linha em cada caixa para reverter novamente a linha em 4 ou 8 ohm. Outra função do transformador de linha é a de equalizar corretamente a potência aplicada na caixa de som. Nos monitores, equipamentos de produção, CCTV e televisões de CRT, é também comum encontrar estes equipamentos. Nº 64
  • 65.
    Transformador Transformadores de Deslocamentode Fase ou Defasadores • (Em inglês: Phase-Shifting Transformers) são utilizados em linhas de transporte para controlar a potência ativa entre sistemas independentes. Alteram o ângulo de fase entre a tensão de entrada e a de saída. • Será abordado nos transformadores trifásicos. Nº 65 Source: https://new.siemens.com/global/en/products/ energy/high-voltage/transformers/phase- shifting-transformers.html
  • 66.
    Transformador Autotransformador • O autotransformadortambém faz a alteração de tensão e corrente, mas utiliza apenas um enrolamento. • De acordo com a tensão desejada no secundário, um cursor (tap) é deslocado para variar o número de espiras do secundário. • A constituição diferenciada do autotransformador garante-lhe certas vantagens: melhor rendimento, menor queda de tensão e um preço menor, quando comparado com o transformador convencional. Nº 66 Esquema eléctrico de um auto transformador U1 U2
  • 67.
  • 68.
    Transformador Outros modelos equivalentesdo transformador (fora do âmbito de FME) Nº 68 Para o transformador ideal Para o transformador real
  • 69.
  • 70.
    Transformador Ligação de transformadoresem paralelo Nº 70 Necessidade Quando um transformador não tem potência suficiente para alimentar a carga, pode-se colocar outro transformador em paralelo. Exemplos o em necessidade de reforço temporário por um evento pontual; o para aumenta a fiabilidade do sistema: se um dos transformadores ficar fora de serviço, o outro pode continuar a alimentar a carga (se a potência disponível no outro transformador for suficiente para alimentar a carga); o para se realizar manutenção num dos transformadores sem que seja necessário desligar a alimentação da carga; o para a expansão do sistema: possibilidade de aumento da capacidade do sistema, acrescentando um transformador para aliviar outro que esteja em sobrecarga, ou simplesmente, aumento da potência disponível para alimentar a carga. o para operação sob condições mais favoráveis de carga: com as variações de carga que existem ao longo do dia, é vantajoso ter os transformadores a funcionar em condições próximas do rendimento máximo, ao introduzir ou retirar de funcionamento para que se mantenham ligadas as que funcionem próximo do seu regime nominal.
  • 71.
    Transformador Ligação de transformadoresem paralelo Nº 71 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. Transformador A ReqA LeqA Transformador B ReqB LeqB
  • 72.
    Transformador Ligação de transformadoresem paralelo Nº 72 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. Transformador A ReqA LeqA Transformador B ReqB LeqB
  • 73.
    Transformador Ligação de transformadoresem paralelo Nº 73 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. Transformador A ReqA LeqA Transformador B ReqB LeqB U1 U’2
  • 74.
    Transformador Ligação de transformadoresem paralelo Nº 74 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2
  • 75.
    Transformador Ligação de transformadoresem paralelo Nº 75 Procedimento Para a ligação física, unem-se os primários de ambos os transformadores às barras de alimentação, e unem-se os seus secundários às barras de distribuição ou saída. ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2
  • 76.
    Transformador Ligação de transformadoresem paralelo Nº 76 Condições O paralelo tem de respeitar a seguinte condição: 1. Igualdade de tensões e relação de transformação (transformador mono e trifásico). 2. Igualdade de desfasamento dos diagramas vectoriais do secundário em relação ao primário (transformador trifásico). 3. Igualdade de sequência de fases (transformador trifásico). O paralelo deve respeitar as seguintes condições: 1. Igualdade de tensões de curto-circuito (transformador mono e trifásico). 2. Uma relação de potência compatível (transformador mono e trifásico).
  • 77.
    Transformador Paralelo de transformadores-Condições Condição • Mesma relação de transformação composta Consequências de não respeitar esta condição: • Corrente de circulação de valor muito elevado entre os transformadores. • Possível destruição de material Nº 77
  • 78.
    Transformador Paralelo de transformadores-Condições Condição • Compatibilidade entre índices horários Consequências de não respeitar esta condição: • Correntes muito elevadas • Destruição de equipamento Nº 78
  • 79.
    Transformador Paralelo de transformadores-Condições Condição • Igualdade de tensões relativas de curto-circuito • Notas: • influência na distribuição da carga entre os transformadores • Menor tensão relativa de curto-circuito, mais carga • Admissível diferença inferior a 10% da menor 𝑉_𝑐𝑐 • O de menor 𝑉_𝑐𝑐 deve ter maior potência Consequências de não respeitar esta condição: • Sobrecarga num transformador e folga no outro Nº 79
  • 80.
    Transformador Paralelo de transformadores-Condições Condição • Igualdade de potências • Notas: • influência na distribuição da carga entre os transformadores • Admissível desigualdade até uma relação de 1:2 (1:3 alguns autores) Consequências de não respeitar esta condição: • Sobrecarga num transformador e folga no outro Nº 80
  • 81.
    Transformador Tensões nominais erelações de transformação • Para que dois transformadores possam ser ligados em paralelo é necessário terem relações de transformação iguais e que os valores eficazes das suas tensões nominais sejam iguais. As diferenças nas relações de transformação levariam ao aparecimento de correntes de circulação entre os transformadores. • Quando dois transformadores se ligam em paralelo significa que recebem energia da mesma linha pelo primário e a transferem para outra linha pelo secundário. Assim, são iguais entre si as tensões do primário e são iguais entre si as tensão do secundário. Desta forma, ligar dois transformadores em paralelo requer que ambos tenham as mesmas tensões nominais no primário e secundário, implicando que devem ter a mesma relação de transformação. Nº 81 ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2 U1B U1A U’2A U’2B
  • 82.
    Transformador Igualdade de sequênciade fases Utilizando lâmpadas • Liga-se o motor no secundário de ambos os transformadores, exactamente da mesma forma, fazendo com que o motor rode em determinado sentido. Seguindo exactamente a ligação para o segundo transformador, as fases RST no motor estão ligadas em ambos os casos a UVW, na mesma correspondência. Se o motor girar em sentido contrário, as sequências são opostas e não se podem colocar os transformadores em paralelo. Neste caso é necessário trocar dois terminais quaisquer do primário, mas tendo em conta que a inversão do sentido de rotação (sequência) altera o desfasamento (índice) do secundário em relação ao primário quando os tipos de ligação dos enrolamentos primário e secundário são distintos. Nº 82
  • 83.
    Transformador Tensões de curto-circuito •A análise da distribuição de carga é às correntes secundárias, por isso no esquema equivalente de cada transformador não se considera a impedância de excitação, tal como representado na Figura. • Quando se colocam em paralelo os dois transformadores, as impedâncias de curto circuito ficam em paralelo • Pela Lei de Kirschhoff dos nós/ divisor de corrente, se as impedâncias de curto circuito de cada transformador forem diferentes então há um desequilibro de correntes em cada um deles Nº 83 ReqA LeqA ReqB LeqB U1 U’2
  • 84.
    Transformador Potências individuais dostransformadores • As contribuições de cada um dos transformadores S’ e S’’ serão proporcionais às suas potências nominais. Assim, ambos podem funcionar em simultâneo à plena carga. • A potência total S solicitada pela carga será igual à soma das potências individuais fornecidas por cada transformador S=S’+S’’, situação resultante da concordância de fase das correntes I’ e I’’ fornecidas por T’ e T’’, respectivamente. • Se as potências forem diferentes, pode ocorrer um transformador estar em sobre carga e o outro estar próximo do vazio. • Quando se agrupam transformadores de potências diferentes, o que tiver menor potência deve ter maior impedância equivalente. Os triângulos fundamentais dos dois devem estar entre si na razão inversa das suas potências. • No entanto não é aconselhável efetuar o paralelo de transformadores com potências muito diferentes (no máximo 1:3), porque assim será difícil satisfazer os requisitos anteriores e o conjunto estará a ser subaproveitado. Nº 84
  • 85.
    Transformador Deslocamentos de fase •No caso dos transformadores trifásicos (ou polifásicos) além do problema da polaridade dos enrolamentos de cada fase no primário e secundário, há que acrescentar o problema dos desfasamentos que podem ocorrer entre as tensões aos seus terminais, nas ligações em estrela, triângulo ou ziguezague. • Podem ligar-se em paralelo dois transformadores trifásicos quando os seus deslocamentos de fase forem iguais. Se não o forem, as correntes de circulação entre eles podem atingir valores inaceitáveis. Nº 85
  • 86.
  • 87.
    EG • Energia elétricaé gerada com três fases • Consumidor recebe 3 fases e pode ter equipamentos monofásicos e trifásicos • Fases distribuídas pela instalação • Cargas distribuídas pelas três fases • Evitar sobrecarregar apenas uma fase • Fases equilibradas quanto possível • Distribuição com três fases simultaneamente • Transformação simultânea das três fases Nº 87 Transformadores trifásicos
  • 88.
    Transformador Transformadores trifásicos Nº 88 Podemser construídos de duas maneiras: - banco trifásico (composto por 3 transformadores monofásicos). A ligação em banco trifásico facilita a manutenção e substituição dos transformadores, porém com maior custo de investimento. Mantem alguma potência por avaria de um transformador; - núcleo trifásico (composto por um único núcleo – mononuclear). A ligação em núcleo trifásico resulta em transformadores mais eficientes, menores e mais baratos devido a necessidade de menos material ferromagnético, porém com menor flexibilidade de manutenção.
  • 89.
    Transformador Transformadores trifásicos Nº 89 3troços verticais (Couraçado) 2 troços verticais
  • 90.
  • 91.
    Transformador Nº 91 GSU three-phasetransformer; Core type; 35 MVA; 230/13 kV Hydroelectric station, San Carlos, Costa Rica Transformadores trifásicos
  • 92.
  • 93.
  • 94.
    Transformador Circuito equivalente 94 • Ocircuito equivalente é por fase, isto é, monofásico; • Potências no circuito equivalente representam apenas uma fase • Potências no circuito equivalente têm de ser multiplicadas por três para representarem o transformador trifásico real • Tensões no circuito equivalente dependem do tipo de ligação do transformador.
  • 95.
    Transformador Diagramas vectoriais dealgumas ligações • A ligação em estrela é designada por Y e a ligação em triângulo é designada por ∆. • A condição fundamental para que os transformadores possam trabalhar em paralelo, é que os terminais a juntar entre si se encontrem em todos os instantes ao mesmo potencial. Existem diversas formas de ligar os enrolamentos. A figura ilustra algumas dessas formas de ligação: • A forma como é efectuada a ligação do neutro numa estrela, determina o respectivo diagrama vectorial, dado que a ligação em estrela apenas admite duas formas de realização e a ligação em triângulo admite quatro formas de ligação. A cada uma destas ligações corresponde um diagrama vectorial de tensões, tal como ilustrado na figura. Nº 95 U V W U V W W U V U V W U V W V W U Esquemas de ligação em estrela Esquemas ligação em triângulo
  • 96.
    Transformador Índice horário Para determinaro índice sobrepõem-se os respectivos diagramas vectoriais. O ângulo de desfasamento corresponde ao ângulo que formam o ponteiro das horas e o ponteiro dos minutos de um relógio, a determinada hora, sendo a referência as 12 horas com 0°. O grupo a que o pertence o transformador é designado por duas letras e um número. Por exemplo, um transformador ligado em triângulo no primário e estrela no secundário com desfasamento de -30° (ou 330º), pertence ao índice Dy11. Nº 96 A relação de tensões é dada por um factor multiplicativo da razão número de espiras do lado da alta, NA, pelo número de espiras do lado da baixa, NB. Nos transformadores trifásicos, a relação de transformação é definida pela relação entre a tensão de linha do primário e a tensão de linha do secundário. Portanto, dependendo da ligação, a relação de transformação pode ser diferente da relação de espiras. Os tipos de ligação mais utilizados são 12 e estão na chapa de características da máquina. Os índices horários mais usuais são quatro 0, 5, 6 e 11.
  • 97.
    Transformador Tipos de ligações-balanço • Vantagens da ligação Y-Y Pode ser construído como auto-transformador Como a tensão sobre o enrolamento é 57,7% da tensão de linha, o número de espiras necessário é menor Fornece dois níveis de tensão, fase-neutro e fase-fase • Principal aplicação da ligação Y-∆ e ∆− Y A ligação ∆−Y é mais utilizada como transformador elevador em subestações de produção A ligação ∆−Y é mais utilizada como transformador abaixador em subestações industriais O neutro do lado de alta-tensão pode ser ligado à Terra O lado em ∆ funciona como um filtro para correntes harmónicas (fora do âmbito de FME, mas de interesse para quem queira explorar mais). • Vantagem da ligação ∆−∆ Transformadores trifásicos em banco podem operar em ligação Triângulo aberto, com um dos transformadores monofásicos em manutenção, podendo fornecer 58% da capacidade nominal do banco. Nº 97
  • 98.
    Transformador Autotransformador trifásico Em sistemastrifásicos existem também os autotransformadores, que tem o seu enrolamento secundário ligado eletricamente ao enrolamento primário para cada fase. Nº 98
  • 99.
    Transformador Manutenção Nº 99 Substituição debuchas em transformadores de potência. Central hidroelétrica 67 MVA; 230/10 kV.
  • 100.
    Transformador Um dos maiorestransformadores produzido pela WEG • Produzido na fábrica de transformadores da WEG em Blumenau/SC • 405 MVA , mais de 282 toneladas, 13,8kV/ 525kV. • A central Hidrelétrica Teles Pires está localizada na fronteira dos estados do Pará e Mato Grosso e em funcionamento desde 2015. Com 5 Unidades Geradoras de 364 MW e potência instalada de 1.820 MW, possui energia suficiente para abastecer aproximadamente 13,5 milhões de habitantes. Nº 100 November 2020, https://www.weg.net/institutional/BR/pt/news/produtos-e-solucoes/usina-teles- pires-vai-receber-um-dos-maiores-transformadores-ja-produzido-pela-weg#.X7TkBxSFL89.linkedin
  • 101.
    Transformador Silica gel breather,25MVA power transformer Nº 101
  • 102.
  • 103.
    Nuno Alexandre SoaresDomingues nndomingues@gmail.com A máquina assíncrona Transformador