02_Transformadores - fundamentos

(1)

Tema da Aula: Fundamentos de

Trasnformador

Alessandro

Alessandro Viana Viana FontesFontes

Alessandro.fontes@ifs.edu.br

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(3)

Transformadores

Conceitos fundamentais, principio de funcionamento e o

transformador ideal.

(4)

Definição de

Definição de transftransformadorormador

La Ladodo prprimimárárioio FONTE FONTE La Ladodo sesecucundndárárioio CARGA CARGA Má

Máququininaa esestátátiticaca

3

3 Máq

Máquinuinaa revreversersívívelel

Consegue ajustar Consegue ajustar tensões e correntes às tensões e correntes às necessidades necessidades

(5)

(6)

Aplica

Aplicações ções –– SistSistemas emas de Ade Alta lta TTensãoensão

Gerador Gerador S S ==330000 MMVVAA V = 6 0 k V V = 6 0 k V Re

Redede elelététriricaca R = 1 0 R = 1 0 ΩΩ 5 500 kkmm Cidade Cidade II == 55000000 AA 2 2 I I R R Perdas Perdas== 4 4 S S == 225500 MMVVAA C Chheeggaarráá SS == 5500 MMVVAA 1177%% Re

Reststanante:te: peperdrdasas

R Reedduuzziirr aa ccoorrrreennttee -- mmaanntteerr SS == VV II E Elleevvaarr aa tteennssããoo TRANSFORMADOR TRANSFORMADOR

(7)

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.

(8)

(9)

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”.

dt d φ ε = −

• Lei de Lenz: "o sentido da tensão induzida é tal que possa produzir uma

(10)

rinc!pio de funcionamento dt d N E = − φ i N F _mm = . φ f N E = 4,44 #

O sentido do fluxo magnético gerado é dado pela regra da mão direita.

forca magnetomotriz [Ae]; número de espiras;

corrente que circula pelas espiras [A].

= mm F = i = N

(11)

(12)

Analo'ia com (ircuitos $l)tricos

 LEI DE OHM PARA O

MAGNETISMO “O fluxo magnético

produzido é diretamente Circuito Elétrico Circuito Magnético Fonte E (FEM) F (FMM) Efeito I φ Limitado por R ℜ *+ proporcional a força magnetomotriz e inversamente proporcional a relutância”. φ ℜ = =_N_i FMM .

(13)

,elação de transformação

 Transformador monofásico ideal – 2 enrolamentos

2 2 1 1 dt d N e dt d N e − = − = φ φ ** 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 0 : N N V V r r Ideal N e = = = = 1 2 1 2 2 1 1 : N N i i V V i V i V Ideal = = =

(14)

,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?

*2 ? 100 200 . 1 600 1 2 2 1 = = = = V V V N N V V V N N V V 50 1200 600 100 1 1 2 1 2 1 = = =

Sem fazer cálculos.

(15)

Transformadores

(16)

erdas no co/re e flu.o de dispersão *4 2

I

R

P

= Perdas no cobre: Perdas no fluxo:

X

(17)

erdas no n0cleo 1isterese A: Saturação magnética B: Densidade de fluxo remanescente ou residual (I = 0) D: Ponto A com polarização oposta *5

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.

f B

K

(18)

(19)

(20)

(orrente de a'netiação - Inrush

(21)

erdas no n0cleo Foucault

Correntes induzidas em formas de anéis no núcleo ferromagnético dando origem

Para reduzir os efeitos das correntes de foucault, os núcleos dos transformadores são feitos de lâminas isoladas entre si.

( )2 3 10 2 , 2 − = _B _f _d P_F _máx

às perdas por Efeito Joule

(22)

peração em aio e Determinação de armetros

 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'

*&

(23)

$nsaio de circuito a/erto

 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

(24)

peração em (urto-(ircuito e Determinação de armetros

 Fa%1se as leituras -cc, !cc e I/ 2 Icc.

(25)

(26)

Acess7rios e componentes

Indicador Nível do óleo Nível do óleo 23 Buchas de

alta tensão Balão de

expansão Relé de gás Comando do comutador de carga Sistema de refrigeraão

(27)

(28)

,el) de 89s ou ,el) de %ucol

(29)

(30)

Acess7rios e (omponentes

(31)

Sistemas de ,efri'eração

 3ransformadores refri&erados a 4leo  Com ou sem $entilação forçada

 Com ou sem circulação forçada, não muito comum

 3ransformadores a seco 1 refri&erado ao ar am0iente  !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 <off1s'ore=, etc.

(32)

;0cleos de transformadores

(33)

(34)

Trif9sicos < 3 onof9sicos

/osso sistema el6tricos 6 trif7sico e e8uili0rado. 3*

(35)

(36)

%anco de Transformador onof9sico

(37)

(38)

Tipos de =i'ação - Delta>estrela

 (>?n, >?n@, >?n e Dyn11)

 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

35

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.

(39)

Tipos de =i'ação - $strela >delta

 (nd, nd@, nd e Ynd11)

 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.

(40)

Tipos de =i'ação - $strela >estrela

 (n?nD ou n?n)

 Mais econBmica para pe8uenas potncias 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 otncia nominal @  .}

3"

 /eutro flutuante, a menos 8ue aterrado.

 >ificuldade de construção de 0o0inas para corrente mais alta  Aplicação para car&as de pe8uenas potncia

(41)

Tipos de =i'ação - Delta>delta

 (>dD, >dJ, >dK, >d, >d, ou >dD)

 Com a falta de uma fase 6 poss+$el operar como delta a0erto

limitando a potencia de G√_{H da potncia 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)

(42)

Tipos de =i'ação – ?i'uea'ue

 (*?ou%ou*dou>%)

 Fluxos com sentidos contr7rios (mesma

coluna). Esta forma pressup;e a partição de cada um dos trs enrolamentos em dois semi1enrolamentos, interli&ados da



3&

esp6cie de estrela <desmem0rada=.

 Esta li&ação tem empre&o muito redu%ido.

N indicada para transformaç;es redutoras onde seOam de pre$er &randes dese8uil+0rios de car&a.

 P transformador de terra 6 utili%ado para

fornecer uma referncia para a terra nos transformadores de potncia

(43)

Transformador i'-a' @trafo de terra

(44)

Tipos de li'ação ao lon'o do sistema

(45)

Tipos de =i'ação – Defasamento

(46)

Tipos de =i'ação – Defasamento

An'ular – aralelo de transformador

 Crit6rios essencialQ

 Mesma relação de transformação

 Mesmo &rupo de defasamento an&ular

43

 Mesma impedncia percentual (*)  Mesma relação GR

(47)

peração em aralelo em Transformadores

 Essencial

 Mesma relação de transformação

 Mesmo &rupo de defasamento an&ular

 Ptimi%açãoQ

(48)

Transformadores

>eterminação do parmetros do modelo do transformador real.

(49)

peração em aio e Determinação de armetros

46

 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

(50)

$nsaio de circuito a/erto

 Implementa a seguinte montagem: voltímetro, amperímetro e

wattímetro para realizar as leituras no lado BT;

Fonte: BT

4"

(51)

 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.

(52)

 Fa%1se as leituras -cc, !cc e In 2 Icc.

(53)

$nsaio em (urto-(ircuito

 Parâmetros calculados no lado AT – corrente nominal menor;

 Faz-se as leituras no lado AT.

Fonte: AT

CC: BT

(54)

,endimento de transformadores

(55)

(56)

Autotransformador - $.emplo

 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 potncia nominal como um

53

(57)

Autotrasnformador

anta'ens anta'ens anta'ens

anta'ens DesBanta'ensDesBanta'ensDesBanta'ensDesBanta'ens

 Corrente de excitação menor   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

(58)

(onclusão

• O transformador é de importância relevante na transmissão

de energia elétrica;

• O Transformador real é o transformador ideal mais as

impedâncias externas (perdas);

55

• 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

(59)

Transformadores para

Cnstrumentos –T( e T

(60)

Transformador para Cnstrumento

 Transformadores de nstrumentos

 9ão proOetados e fa0ricados especificamente

para alimentar instrumentos el6tricos de medição, controle ou proteção

 Redu%ir a ma nitude das rande%as el6tricas,

5"

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

(61)

Transformador para Cnstrumento

 Transformadores !ara nstrumentos

 3ransformador de Corrente (3C)  3ransformador de !otencial (3!)

 3ransformador de !otencial Induti$o (3!I).  3ransformador de !otencial Capaciti$o (3!C).

(62)

(lassificação da Aplicação

 Suanto ao 9er$içoQ  Medição  !roteção.  Suanto ao usoQ 5&  M6dia tensão  Taixa tensão.

 5so Exterior (Ao tempo)Q  M6dia tensão

(63)

Transformadores de (orrente -T(

(64)

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

6*

(65)

(aracter!sticas construtiBas

 Caracter"sticas Construti#as$

 Enrolamento %rim&rio$

 Constitu+do de poucas espiras  Condutor de &rande seção.

nro amen o ecun 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.

(66)

Tipos (onfi'uração

(67)

(68)

Tipos (onfi'uração

(69)

(70)

(lasse de $.atidão

 Erro de relação de transformação (R3C)  Erro de n&ulo

Classe de E(atid)o A!lica*)o

Mel'or 8ue D,H Medição de la0orat4rio

6"

D,H Me ição e ener&ia e trica para_{faturamento a consumidor} D,

ou ,J

Medição de ener&ia el6trica sem fim de faturamento

Medição operacionalQ

1Amper+metro, att+metro, fas+metro, $ar+metro

(71)

(72)

T( roteção . edição

(73)

(aracter!sticas para especificação  Corrente prim7ria  R3C dispon+$eis  /+$el de isolamento  Classe de exatidão 

 Fator t6rmico de curto circuito  Corrente dinmica nominal

 Car&a nominal  !olaridade

(74)

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.

 < =

"*

(75)

T

ransf

ormador

es

de 

ot

enci

al -

T

Conceitos fundamentais e

(76)

T

ransf

ormador

de 

ot

enci

al -

T



 Reprodu%ir a tensão prim7ria no secund7rReprodu%ir a tensão prim7ria no secund7rio, io, em n+$eisem n+$eis

normali%ados (@ ou @GUH V-W) . normali%ados (@ ou @GUH V-W) .



 3! 6 um transformador para instr3! 6 um transformador para instrumento, umento, cuOo enrolamentocuOo enrolamento

prim7rio 6 li&ado em deri$ação (paralelo) com o circuito prim7rio 6 li&ado em deri$ação (paralelo) com o circuito

"3

instrumentos

(77)

TC

TC –T–Transformador ransformador de de ototencialencial

CndutiBo

(78)

T( –

T( –TTransformador ransformador de de ototencialencial

(apacitiBo

"5

(79)

(lasse de $.atidão

 Erro de relação de transformação (R3!)  Erro de n&ulo

Classe de E(atid)o A!lica*)o

Mel'or 8ue D,H Medição de la0orat4rio

D,H Me ição e ener&ia e trica parafaturamento a consumidor Medição de SEE

D, ou ,J

Medição de ener&ia el6trica sem fim de faturamento

Medição operacionalQ 1-olt+metros, att+metro, fas+metro, $ar+metro,

(80)

(lasse de $.atidão

(81)

TC - 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 resistncia de se8Yncia %ero do sistema e p 6 a reatncia de se8Yncia 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.

(82)

(aracter!sticas para especificação  3ensão prim7ria  3ensão secund7ria @ ou @G√H  /+$el de isolamento  Classe de exatidão "&  !otncia t6rmica  Car&a nominal  !olaridade

(83)

Cmportante

 Ps terminais secund7rio do 3! de$em ficar a0ertos, o

fec'amento do secund7rio de um 3! atra$6s de um condutor de 0aixa impedncia pro$ocar7 um curto1circuito no

secund7rio e uma corrente ele$ado no prim7rio danificando ao 3!.