Tema da Aula: Fundamentos de Trasnformador Alessandro Viana Fontes
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Transformadores Conceitos fundamentais, principio de funcionamento e o transformador ideal.
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Definição de transformador transformador Máqu Máquin ina a está estáti tica ca
Lado La do pr prim imár ário io FONTE
Máquin Máquina a revers reversív ível el
3
Lado La do se secu cund ndár ário io CARGA Consegue ajustar tensões e correntes às necessidades
Aplicações Aplicações – Sistemas Sistemas de Alta Alta Tensão 50 km
Gerador S =300 MVA V=60kV
Cidade
Rede Rede elét elétri rica ca
I = 5000 A
R=10 Ω 2
Perdas= R I S = 250 MVA Chegará S = 50 MVA
17 %
Rest Restan ante: te: pe perd rdas as
Reduzir a corrente Elevar a tensão 4
TRANSFORMADOR
manter S = V I
Aplicações •Típico transformador de distribuição trifásico: recebe a tensão que vem da subestação, que está no nível de 13,8 kV (13.800 Volts), e transforma em 380 V e 220 V; • Residências: Tansformador monofásico (220 V – 127 V); • Transformadores usados em circuitos eletrônicos, que transformam a tensão da sua rede em tensões significativamente menores.
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6
rinc!pio de funcionamento • Lei de Faraday: "sempre que houver movimento relativo entre o fluxo
magnético e um circuito por ele cortado, serão induzidas tensões neste circuito”.
ε = −
•
"
d φ dt
Lei de Lenz: "o sentido da tensão induzida é tal que possa produzir uma corrente induzida que crie um fluxo se opondo à variação do fluxo original.
rinc!pio de funcionamento
d φ E = − N dt
E = 4,44 N f φ F mm = N .i F mm = forca magnetomotriz [Ae]; N = número de espiras; i = corrente que circula pelas espiras [A]. O sentido do fluxo magnético gerado é dado pela regra da mão direita. #
$nrolamentos AT e %T
&
Analo'ia com (ircuitos $l)tricos Fonte Efeito Limitado por
Circuito Elétrico
Circuito Magnético
E (FEM) I R
F (FMM)
FMM = N .i = ℜφ *+
φ ℜ
LEI DE OHM PARA O MAGNETISMO
“O fluxo magnético produzido é diretamente proporcional a força magnetomotriz e inversamente proporcional a relutância”.
,elação de transformação
Transformador monofásico ideal – 2 enrolamentos e1 = − N 1 e2 = − N 2 1
dt d φ dt
1
=
e2
d φ
N 2
Ideal : r 1 = r 2 = 0 V 1
=
V 2
N 1 N 2
Ideal : V 1i1 = V 2i2 V 1 **
V 2
=
i2 i2
=
N 1 N 2
,elação de transformação - $.erc!cio O transformador ideal tem os seguintes dados nos seus enrolamentos: 600 espiras no primário, 1.200 espiras no secundário. A tensão no secundário é 100 V. Qual a tensão no enrolamento primário?
N 1 = 600 N 2 = 1.200 V 2 = 100 V V 1 = ?
V 1
=
V 2 V 1 100
N 1 N 2
=
600 1200
V 1 = 50 V *2
Sem fazer cálculos. Tensão maior ou menor?
Transformadores Aproximando o modelo ao transformador real .
*3
erdas no co/re e flu.o de dispersão
Perdas no cobre: *4
Perdas no fluxo:
P = R I 2 X
erdas no n0cleo 1isterese A: Saturação magnética
B: Densidade de fluxo remanescente ou residual (I = 0) D: Ponto A com polarização oposta
Energia transformada em calor. O fluxo remanescente é na realidade uma perda de energia no material. As perdas de energia associada a este fenômeno dependem do material do núcleo, do valor máximo do campo magnético e da freqüência de operação do transformador. 1, 6
*5
P H = K S B máx f
Forma de onda da (orrente e aio
*6
(orrente de a'netiação - Inrush
*"
erdas no n0cleo Foucault
Correntes induzidas em formas de anéis no núcleo ferromagnético dando origem às perdas por Efeito Joule 2
−3 PF = 2,2 ( Bmáx f d ) 10
d =
*#
espessura do núcleo.
Para reduzir os efeitos das correntes de foucault, os núcleos dos transformadores são feitos de lâminas isoladas entre si.
*&
peração em aio e Determinação de armetros Relação de transformação !erda no n"cleo #isterese e Furcaut Corrente a $a%io e o efeito não senoidal Corrente de ma&neti%ação Inrus' !armetros do ramos de ma&neti%ação (Rm, m, *m).
$nsaio de circuito a/erto
2+
Implementando a se&uinte monta&em usando $olt+metro, amper+metro e att+metro, col'endo as leituras de !o,- e Io. /essa monta&em usamos conectamos a fonte ao lado de 0aixa tensão
2*
peração em (urto-(ircuito e Determinação de armetros Fa%1se as leituras -cc, !cc e I/ 2 Icc.
,endimento de transformadores
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Acess7rios e componentes
Indicador Nível do óleo
Buchas de alta tensão
Sistema de refrigeraão
Nível do óleo
Balão de expansão
Relé de gás
Comando do comutador de carga
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Transformadores de Alta Tensão
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,el) de 89s ou ,el) de %ucol
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,el) de 89s ou ,el) de %ucol
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Acess7rios e (omponentes
2"
Sistemas de ,efri'eração
3ransformadores refri&erados a 4leo
3ransformadores a seco 1 refri&erado ao ar am0iente
2#
Com ou sem $entilação forçada Com ou sem circulação forçada, não muito comum !ode ser encapsludados em Resina Ep4xi 5sado em pain6is com 0aixa tensão, partida de m78uinas e transformadores de distri0uição 9ão instalados em locais onde não se aceita riscos : se&urança, como em pr6dios de apartamentos, escrit4rios, 'ospitais, s'oppin& centers, ind"strias de 8ual8uer porte e ati$idade, na mineração, em m78uinas m4$eis, transportes, laminadores, instalaç;es estrela
(>?n, >?n@, >?n e Dyn11)
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Mel'or com0inação para transformadores ele$adores, pois a conexão estrela 6 apropriada para altas tens;es e delta para altas correntes. 5sada em randes transformadores ele$adores de tensão, em su0estaç;es de &eração para transmissão de ener&ia. /eutro dispon+$el e est7$el de$ido ao delta no secund7rio. Filtra o terceiro 'armBnico no delta. Com a falta de uma fase o transformador fica inoperante.
Tipos de =i'ação - $strela >delta
(nd,nd@, nd e Ynd11)
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Mel'or com0inação para transformadores a0aixadores, pois a conexão estrela 6 apropriada para altas tens;es e delta para altas correntes. 5sada em randes transformadores a0aixadores de tensão em su0estaç;es de transmissão para distri0uição de ener&ia. /eutro dispon+$el e est7$el de$ido ao delta no secund7rio. Filtra o terceiro 'armBnico no delta. Com a falta de uma fase o transformador fica inoperante.
Tipos de =i'ação - $strela >estrela (n?nD ou n?n)
3"
Mais econBmica para pe8uenas potncias e altas tens;es. /eutro dispon+$el. Com a falta de uma fase 6 poss+$el operar com duas fases limitando a otencia a G√H da otncia nominal @ . /eutro flutuante, a menos 8ue aterrado. >ificuldade de construção de 0o0inas para corrente mais alta Aplicação para car&as de pe8uenas potncia
Tipos de =i'ação - Delta>delta
(>dD, >dJ, >dK, >d, >d, ou >dD)
3#
Com a falta de uma fase 6 poss+$el operar como delta a0erto limitando a potencia de G√H da potncia nominal (@,). Filtra o terceiro 'armBnico nos deltas. Mais econBmico ara 0aixa tensão e alta corrente. /ão '7 neutro disponi$el. Maiores solicitaç;es do isolamento . Aplicação para sistema isolados (I3)
Tipos de =i'ação – ?i'uea'ue
3&
(*?ou%ou*dou>%) Fluxos com sentidos contr7rios (mesma coluna). Esta forma pressup;e a partição de cada um dos trs enrolamentos em dois semi1enrolamentos, interli&ados da esp6cie de estrela eterminação do parmetros do modelo do transformador real.
45
peração em aio e Determinação de armetros
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Parâmetros do ramos de magnetização; Relação de transformação; Perdas no núcleo: Histerese e Correntes de Foucault. Corrente a vazio e o efeito não senoidal; Corrente de magnetização Inrush; Tensão nominal
$nsaio de circuito a/erto
Implementa a seguinte montagem: voltímetro, amperímetro e wattímetro para realizar as leituras no lado BT;
Fonte: BT n menor
4"
peração em (urto-(ircuito e Determinação de armetros
Parâmetros dos enrolamentos; Queda de tensão interna; Perdas no cobre: São as perdas relacionadas às correntes dos lados de alta e baixa tensão do transformador.
4#
Corrente nominal
4&
peração em (urto-(ircuito e Determinação de armetros Fa%1se as leituras -cc, !cc e In 2 Icc.
$nsaio em (urto-(ircuito
Parâmetros calculados no lado AT – corrente nominal menor; Faz-se as leituras no lado AT.
Fonte: AT Vcc = 10% Vn
5+
CC: BT
,endimento de transformadores
5*
,e'ulação de Tensão
52
Autotransformador - $.emplo
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A 3ome como exemplo um transformador de dois enrolamentos monof7sicos de DD-A e JDDDGJDD- conectado com um autotransformador como mostrado na fi&ura de modo a temos JDDGJJDD -. Calcule a potncia nominal como um au o rans orma or.
Autotrasnformador anta'ens
Corrente de excitação menor
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DesBanta'ens
Corrente de curto1circuito mais ele$ada
Menor custo Maior rendimento Menores dimens;es.
el6trica entre os enrolamentos de maior e menor tensão. /ecessidade de isolação extra
(onclusão • O transformador é de importância relevante na transmissão
de energia elétrica; • O Transformador real é o transformador ideal mais as
impedâncias externas (perdas); • O transformador pode ser representado por circuitos
equivalentes; •
O circuito equivalente representa as características e os fenômenos do transformador (parâmetros);
• O cálculo dos parâmetros do circuito equivalente é feito por
meio de ensaios de curto-circuito e circuito aberto. 55
Transformadores para Cnstrumentos –T( e T Conceitos fundamentais e aplicação.
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Transformador para Cnstrumento
Transformadores de nstrumentos
5"
9ão proOetados e fa0ricados especificamente para alimentar instrumentos el6tricos de medição, controle ou proteção Redu%ir a ma nitude das rande%as el6tricas, tensão e corrente, da rede el6trica para n+$eis padroni%ados Isolar os dispositi$os de medição, controle e proteção da Alta 3ensão Fornecer no secund7rio uma &rande%a el6trica proporcional : &rande%a prim7ria.
Transformador para Cnstrumento
Transformadores !ara nstrumentos
3ransformador de Corrente (3C) 3ransformador de !otencial (3!)
5#
3ransformador de !otencial Induti$o (3!I). 3ransformador de !otencial Capaciti$o (3!C).
(lassificação da Aplicação
Suanto ao 9er$içoQ
Medição !roteção.
Suanto ao usoQ
5so Exterior (Ao tempo)Q
5&
M6dia tensão Taixa tensão. M6dia tensão Alta tensão
Transformadores de (orrente -T( Conceitos fundamentais e aplicação.
6+
Transformador de corrente - T(
3C 6 li&ado em s6rie /o circuito secund7rio uma corrente padroni%ada em @A com $alor redu%ido e proporcional a orrente do circuito prim7rio, com sua posição fasorial mantida, de forma controle.
6*
(aracter!sticas construtiBas
Caracter"sticas Construti#as$ Enrolamento %rim&rio$
Constitu+do de poucas espiras Condutor de &rande seção.
nro amen o ecun
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r o$
Constitu+do por muitas espiras de condutor fino. P secund7rio não pode ficar em a0erto : $a%io. Isto si&nifica 8ue sempre 8ue for retirado o dispositi$o do seu secund7rio o mesmo de$e ficar curto1circuitado.
Tipos (onfi'uração
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Tipos (onfi'uração
64
Tipos (onfi'uração
65
Tipos (onfi'uração
66
(lasse de $.atidão
Erro de relação de transformação (R3C) Erro de n&ulo Classe de E(atid)o
Mel'or 8ue D,H D,H D, ou ,J D 6"
A!lica*)o
Medição de la0orat4rio Me ição e ener&ia e trica para faturamento a consumidor Medição de ener&ia el6trica sem fim de faturamento Medição operacionalQ 1Amper+metro, att+metro, fas+metro, $ar+metro !roteçãoQ Rel6 de proteção
(lasse de $.atidão
6#
T( roteção . edição
6&
(aracter!sticas para especificação Corrente prim7ria R3C dispon+$eis /+$el de isolamento Classe de exatidão
"+
Fator t6rmico de curto circuito Corrente dinmica nominal Car&a nominal !olaridade Fator de so0recorrente (3C de medição)
Cmportante Cmportante
"*
+amais deixar um 3C ener&i%ado com o seu secund7rio
a0erto, esse sem 8ue não 'ou$er e8uipamento de medição conectado de$e ser curto1circuitado e Oamais de$e ser intalado fusi$eis no secund7rio do 3C. < = onde 6 possi$el por o secund7rio em curto.
Transf ransformador ormadores es de ot otenci encial al - T Conceitos fundamentais e aplicação aplicação..
"2
Transf ransformador ormador de ot otenci encial al - T
Reprodu%ir a tensão prim7ria prim7r ia no secund7rio, secund7r io, em n+$eis normali%ados (@ ou @GUH V-W) . 3! 6 um transformador transformador para instrumento, instr umento, cuOo enrolamento prim7rio 6 li&ado em deri$ação (paralelo) com o circuito instrumentos el6tricos de medição, controle ou proteção. proteção.
"3
TC –T –Transformador ransformador de ot otencial encial CndutiBo
"4
T( –T –Transformador de ot otencial encial (apacitiBo
"5
(lasse de $.atidão
Erro de relação de transformação (R3!) Erro de n&ulo Classe de E(atid)o
Mel'or 8ue D,H D,H
D, ou ,J
"6
A!lica*)o
Medição de la0orat4rio Me ição e ener&ia e trica para faturamento a consumidor Medição de SEE Medição de ener&ia el6trica sem fim de faturamento Medição operacionalQ 1-olt+metros, att+metro, fas+metro, $ar+metro, sincronosc4pio, fre8uenc+metro
(lasse de $.atidão
""
TC - Tipos
"#
Xrupo 1 são a8ueles proOetados para li&ação entre fases. 9ão 0asicamente os do tipo utili%ados nos sistemas de at6 HK,@ -. Ps transformadores en8uadrados neste &rupo de$em suportar continuamente D de so0recar&a Xrupo J 1 são a8ueles proOetados para li&ação entre fase e neutro e sistema iretamente aterra os, isto Q on e % a resistncia de se8Yncia %ero do sistema e p 6 a reatncia de se8Yncia positi$a do sistema. Xrupo H 1 são a8ueles proOetados para li&ação entre fase e neutro de sistemas onde não se &aranta a efic7cia do aterramento.
"&
(aracter!sticas para especificação 3ensão prim7ria 3ensão secund7ria @ ou @G√H /+$el de isolamento Classe de exatidão !otncia t6rmica Car&a nominal !olaridade
Cmportante
#+
Ps terminais secund7rio do 3! de$em ficar a0ertos, o fec'amento do secund7rio de um 3! atra$6s de um condutor de 0aixa impedncia pro$ocar7 um curto1circuito no secund7rio e uma corrente ele$ado no prim7rio danificando ao 3!.
