07 - Transformadores - aula remota

(1)

1

6. TRANSFORMADORES

(2)

Agenda

1. Transformadores • Princípios de funcionamento • Tipos de transformadores 2. Perdas em transformadores • Perdas em vazio • Perdas em carga

3. Eficiência dos transformadores

• Valores de referência

• Cálculo de perdas

• Medição de perdas

• Boa praticas para redução de perdas

(3)

Agenda

• Medição de perdas de perdas

3

(4)

Princípios de funcionamento

4

(5)

-Princípios de funcionamento

5

(6)

Tipos de transformadores

6 Transformador de alta frequência:

Utilizados em receptores de radio, televisores e demais equipamentos que trabalham com radiofrequência.

Transformador de baixa tensão: Utilizados em equipamentos

eletrônicos, eletrodomésticos em painéis de comando em indústrias. São normalmente são encontrados com baixas tensões de entrada e saída. Além dos transformadores com núcleo convencional, são encontrados no mercado os de núcleo torroidal.

(7)

Tipos de transformadores

7

Transformador de baixa tensão e média potência: De uso industrial são utilizados em

máquinas produtivas para adequar as tensões de trabalho com as da rede elétricas. Normalmente são encontrados em aplicações de baixa tensão.

(8)

Tipos de transformadores

8

Transformador de distribuição (média tensão): Utilizados no sistema de distribuição de

energia elétrica, são fabricados para uso externo e normalmente utilizam óleo mineral isolante em seu interior.

(9)

Tipos de transformadores

9

Transformador de distribuição isolado com óleo vegetal (transformador verde):

Utilizados também no sistema de distribuição de energia elétrica, são fabricados para uso externo e utiliza uma tecnologia mais recente de isolação com óleo vegetal menos prejudicial ao meio ambiente. Os projetos desses transformadores apresentam uma série de vantagens: Maior vida útil, maior possibilidade de carregamento, menor agressividade ambiental, maior robustez e confiabilidade e menores perdas em vazio.

(10)

Tipos de transformadores

10

Transformador de média tensão isolado em epóxi: São utilizados em cabine de entrada de indústria e de edifícios para adequar as tensões das instalações elétricas rede elétricas de

distribuição. Normalmente são encontrados em aplicações de média tensão.

(11)

Tipos de transformadores

11

Transformador de alta potencia e alta tensão: Normalmente são utilizados em

subestações de usinas e subestações de transmissão de distribuição de energia elétrica. Também são isolados com óleo mineral e possuem sistema de resfriamento.

(12)

Banco de transformadores monofásicos de potência: São utilizados em subestações elevadoras ou abaixadoras de alta tensão, inclusive em usinas hidrelétricas de grande porte. Essa

concepção facilita a substituição das fases individualmente em caso de manutenção.

Tipos de transformadores

12

Banco de transformadores monofásicos de potência: São utilizados em subestações

elevadoras ou abaixadoras de alta tensão, inclusive em usinas hidrelétricas de grande porte.

Essa concepção facilita a substituição das fases individualmente em caso de manutenção.

(13)

Tipos de transformadores

13

Transformadores de instrumentação – TPs (Transformadores de Potencial): São utilizados

para adequar os níveis de tensão da rede elétrica com os níveis de tensão dos equipamentos de medição e controle. Podem ser isolado a óleo ou construído com resina epóxi, dependendo do local de instalação e de sua classe de tensão.

(14)

Tipos de transformadores

14

Transformadores de instrumentação – TCs (Transformadores de Corrente): São utilizados

para adequar os níveis de corrente da rede elétrica com os níveis de correntes dos equipamentos de medição e controle. Também podem ser isolado a óleo ou construído com resina epóxi, dependendo do local de instalação e de sua classe de tensão.

(15)

Tipos de transformadores

15

(16)

Agenda

16

(17)

Perdas em transformadores

17 • Os transformadores são consideradas máquinas de alto rendimento;

• No entanto o custo total das perdas nos sistemas elétricos ainda é significativo; • Estudos mostram que cerca de um terço das perdas em sistemas de distribuição e

transmissão ocorrem em transformadores;

• As perdas são de dois tipos: em vazio (no ferro) e em carga (no cobre);

✓ As perdas em vazio correspondem às ocorridas no circuito magnético, por histerese e correntes de Foucault;

✓ As perdas em carga são provocadas por efeito Joule, ocasionando aquecimento.

(18)

Perdas em vazio

18

Perdas em vazio – Histerese

Quando o campo magnético aplicado em um material ferromagnético for aumentado até a saturação e em seguida for diminuído, a densidade de fluxo B não diminui tão rapidamente quanto o campo H.

Esse fenômeno que causa o atraso entre densidade de fluxo e campo magnético é chamado de histerese magnética, enquanto que o ciclo traçado pela curva de magnetização é chamado de ciclo de histerese.

Formas de reduzir esse efeito:

- Utilizar materiais com menor histerese.

(19)

Perdas em vazio

19

Perdas em vazio – Foucault

Corrente de Foucault (ou ainda corrente parasita) é o nome dado à corrente induzida em um material condutor, relativamente grande, quando sujeito a um fluxo magnético variável.

Em alguns casos a corrente de Foucault pode produzir resultados indesejáveis, como a dissipação por efeito Joule, o que faz com que a temperatura do material aumente.

- Em vez de utilizar materiais maciços em situações sujeitas a campos magnéticos variáveis, utilizar placas de pequena espessura isoladas eletricamente umas das outras.

(20)

Perdas em carga

20

Perdas em carga - Efeito Joule

Lei de Joule (também conhecida como efeito Joule ou efeito térmico) é uma lei física que expressa a relação entre o calor gerado e a corrente elétrica que percorre um condutor em determinado tempo.

- Reduzir a corrente;

- Utilizar condutores de menor resistividade.

(21)

Perdas em carga

21

Perdas em carga – Dispersão de fluxo

Chama-se perda por dispersão ou enlace a perda de linhas magnéticas geradas pela bobina de primário que não passam pelo secundário.

- Montar a bobina do primário e secundário mais próximas possível; - Melhorar o projeto do núcleo do transformador.

(22)

Perdas em transformadores

22

(em carga)

(em vazio)

(23)

Perdas em transformadores

23

Medição de perdas no ferro Medição de perdas cobre

(24)

Agenda

24

(25)

Valores de Referência

25 Valores típicos de perdas em transformadores de força

1,06%

(26)

Medição de perdas em transformadores

É muito importante para se conhecer as perdas reais de modo a serem acompanhadas ou computadas nos custos das indústrias, distribuidoras, transmissoras e geradoras. • Medição na entrada e saída;

• Medição com compensação de perdas

Alguns medidores modernos permitem a inserção de algoritmos para calculo de perdas do transformador com a inserção de alguns parâmetros dos mesmos.

Medição de Perdas

26

(27)

Boas práticas para redução de perdas

27

Correção do fator de potência

Uma ação tecnicamente fácil e que exige baixos investimentos, para a redução das perdas nos enrolamentos de um transformador, e a elevação do fator de potência com o qual o conjunto das cargas alimentadas pelo transformador opera.

A elevação do fator de potência reduz a componente indutiva da corrente, reduzindo o valor da corrente da carga.

Essa redução das perdas no transformador, pela elevação do fator de potência com o qual as cargas elétricas alimentadas operam, é dada pela expressão:

em que:

cos ϕ1 - é o fator de potência antes da correção. cos ϕ2 - é o fator de potência depois da correção.

𝑅 = 1 − 0,82 0,92

2

= 0,256%

Exemplo de correção de FP de 0,82 para 0,92:

(28)

Boas práticas para redução de perdas

28

Correção do fator de potência: correção fixa em transformadores operando a vazio.

AUTOMAÇÃO III Prof. José Rodrigo

Potência (kVA) Corrente de excitação Io% kVAr Calculado Nominal 15 4,8 0,68 0,75 30 4,1 1,17 1,0 45 3,7 1,58 1,5 75 3,1 2,21 2,0 112,5 2,8 2,99 3,0 150 2,6 3,71 3,5 225 2,3 4,95 5,0 300 2,2 6,27 6,0 500 1,5 7,13 7,5 750 1,3 9,26 10,0 1000 1,2 11,4 10,0 1500 1,0 14,25 12,5 Classe 15 kV; Fonte: WEG; FP = 0,95.

(29)

Boas práticas para redução de perdas

29

Correção do fator de potência: correção fixa em transformadores operando a vazio.

Classe 25 kV; Fonte: WEG; FP = 0,95.

Potência (kVA) Corrente de excitação Io% kVAr Calculado Nominal 15 5,7 0,68 0,75 30 4,8 1,17 1,0 45 4,3 1,58 1,5 75 3,6 2,21 2,0 112,5 3,2 2,99 3,0 150 3,0 3,71 3,5 225 2,7 4,95 5,0 300 2,5 6,27 6,0 500 1,5 7,13 7,5 750 1,4 9,26 10,0 1000 1,3 11,4 10,0 1500 1,0 14,25 12,5

(30)

Boas práticas para redução de perdas

30

Controle de harmônicas

• Harmônicas na tensão tendem aumentar as perdas ferro;

• As harmônicas na corrente elevam as perdas cobre devido a elevação do efeito pelicular nos condutores que implica em uma redução de sua área efetivamente condutora à medida que se eleva a frequência da corrente;

• O efeito de dispersão do fluxo magnético é maior com o aumento da frequência;

• A dispersão do fluxo geram correntes que manifesta-se no núcleo, carcaça, peças metálicas adjacentes aos enrolamentos;

• Estas perdas crescem proporcionalmente ao quadrado da frequência e da corrente;

• Em frequências elevadas ocorre maior influência das capacitâncias parasitas (entre espiras e entre os enrolamentos) que podem realizar acoplamentos não desejados e, eventualmente, produzir ressonâncias no próprio dispositivo.

(31)

Boas práticas para redução de perdas

31

Redistribuição de cargas entre transformadores

Exemplo: Escolha do transformador ideal para um caso concreto.

Supondo que se necessita de abastecer continuadamente durante um ano (8.760 horas) uma potência média de 320kVA.

Em casos em que a continuidade do serviço não seja uma necessidade primordial, a opção 2 do transformador de 800kVA é a preferível, visto que apresenta menores perdas e funciona em regime de carga óptimo (0,45).

É difícil avaliar de modo geral os gastos totais anuais das distintas soluções, pelo que cada instalação deverá ser sujeita a estudo.

(32)

Boas práticas para redução de perdas

32

Desligamento de transformadores em desuso

Tomamos como exemplo uma indústria que solicita uma demanda de potência de 400 kW e apresenta um consumo médio de 85.000 kWh, operando 330 horas por mês.

O transformador dessa indústria possui as seguintes características: Potência nominal = 750 kVA

Perdas no núcleo = 2 kW

Considerando-se um mês médio de 730 horas, pode-se desligar o transformador 400 horas por mês. A energia economizada devido ao desligamento do transformador nos períodos não produtivos é:

E = 2 kW x 400 h = 800 kWh

ou seja, quase 1% da energia mensalmente consumida.

(33)

Boas práticas para redução de perdas

33

Paralelismo de transformadores

Para que transformadores possam ser conectados em paralelo permanentemente, sem ocorrência de curto-circuito e sem perdas é necessário satisfazer as seguintes condições: • Possuir a mesma relação de transformação;

• Possuir o mesmo grupo de defasamento angular; • Apresentar a mesma impedância percentual;

• Apresentar mesma relação entre resistência e reatância equivalentes.

Existem desvios admissíveis que permitem paralelismo momentâneo, pois em condição permanente causam circulação de correntes indesejáveis e consequentemente perdas

elétricas.

(34)

Boas práticas para redução de perdas

34

Novas tecnologias de fabricação – Núcleo de metal amorfo – Reduz as perdas por histerese

• O Metal Amorfo é uma liga de Fe78-B13-Si9, que possui uma estrutura não-cristalina, que é formada pelo resfriamento rápido do metal fundido a taxas de resfriamento de 106 °C/sec;

• Os átomos não ficam organizados em uma estrutura orientada de grãos (GO), mas, sim, distribuídos aleatoriamente. Esta liga exibe baixas perdas e ganha excelentes propriedades Magnéticas e Químicas;

• Comprovadamente, os Transformadores de Distribuição de Metal Amorfo (TDMA) consegue reduzir as perdas em vazio em aproximadamente 60% quando comparado ao grau de perdas do GO convencional.

(35)

Boas práticas para redução de perdas

35

Novas tecnologias de fabricação – Utilização de metal amorfo - Vantagens

• Experimentalmente, observou-se que transformadores de metal amorfo são tão duráveis e confiáveis quanto os transformadores com núcleo de ferro silício;

• As perdas no núcleo por histerese magnética e corrente de Foucault são entre 50% a 60% menores;

• O custo dos transformadores com núcleo de metal amorfo, é de 25% a 50% maior que os transformadores convencionais, mas devido as suas menores perdas e consequentemente um menor consumo de potência, estima-se que o investimento seja pago em 2 a 3 anos.

Imagem termográfica

(36)

Boas práticas para redução de perdas

36

Como reduzir perdas em transformadores:

• Construção de núcleos com aço silício de baixas perdas;

• Novos projetos de construção de transformadores mais eficientes; • Formato de condutores avançados para construção dos enrolamentos; • Implantação de transformadores próximo ao consumo;

• Utilizar o transformador com carregamento mais próximo da capacidade nominal; • Eliminar progressivamente os equipamentos antigos, substituindo-os por novos; • Implantar os transformadores próximo aos principais centros de consumo;

• Evitar sobrecarregar circuitos de distribuição e manter bem balanceadas as redes trifásicas.

(37)

Boas práticas para redução de perdas

37

Importante:

• Fazer análise dos demais componentes do sistema elétrico; • Analisar os impactos operativos e de manutenção;

• Fazer análise econômica;

• Considerar nos estudos que envolvem substituição de transformadores as situações de presença de enxofre corrosivo e PCB;

• Necessário estudar caso a caso.

(38)

Equações para os exercícios

38 Perda total = P_ferro + P_cobre.p²

Onde: P_ferro = perda no ferro (W);

P_cobre= perda no cobre que é a perda total menos a perda no ferro (W); p = percentual de carga (relação entre a corrente medida e nominal). Redução de perda total (W) = Perda total atual – perda sistema proposto;

Redução de consumo (kWh/mês) = (redução da perda total x horas de operação) / 1000

(39)

Perdas em transformadores conforme normas técnicas

39

Potência (kVA) Perdas no ferro (W) Perdas totais(W)

15 120 460 30 200 770 45 260 1040 75 390 1530 112,5 520 2070 150 640 2550 225 900 3600 300 1120 4430 500 1350 6700 750 1500 13500 1000 1900 16500 1500 2500 25000

(40)

Exercícios

40

Ex 1: Considere um prédio comercial com 2 transformadores de 225 kVA, sendo que um

está a 100% da carga nominal e o outro com 50% da carga nominal. Busca-se saber qual a redução de consumo considerando que opera 720 horas/mês e que será feita a redistribuição de carga de tal modo que cada transformador opere com 75% da carga nominal.

Perda total = P_ferro + P_cobre.p² Perda total = 900 + (3600-900).0,5² Solução: Sistema atual – 1 transformador 100% e outro a 50%

Perda total transformador a 100% = 3600 W Cálculo da perda total transformador a 50% = ?

(41)

Exercícios

41

Ex 1:

Perda total = P_ferro + P_cobre.p² Perda total = 900 + (3600-900).0,75² Perdas totais do sistema atual = Perda Trafo 100% + Perda Trafo 50 Perdas totais do sistema atual = 3600 + 1575

Sistema Proposto – 2 transformadores com 75% de carregamento

Perda total = 900 + 2700.0,5625 Perda total = 900 + 1518,75 Perda total = 2418,75 W Perdas totais do sistema atual = 5175 W

Perdas totais do sistema proposto = 2 * Perdas Trafo 75% Perdas totais do sistema proposto = 2 . 2418,75

(42)

Exercícios

42

Ex 1:

Redução de consumo (kWh/mês) = (redução da perda total x horas de operação) / 1000 Redução de consumo (kWh/mês) = (337,5 x 720) / 1000

Redução de perda total (W) = Perda total atual – perda sistema proposto

Redução de perda total (W) = 5175 – 4837,50 Redução de perda total (W) = 337,5 W

Redução de consumo (kWh/mês) = 243000 / 1000 Redução de consumo (kWh/mês) = 243 kWh/mês

(43)

Exercícios

43

Ex 2: Considere uma indústria com 1 transformador de 225 kVA que está a vazio.

Busca-se saber qual a redução de consumo considerando que é possível Busca-seu desligamento e que opera 720 horas/mês.

Perda total = P_ferro + P_cobre.p² _{Perda total = 900 + 0}

Solução: Transformador em vazio, P_cobre = 0 W, pois o carregamento é nulo.

Perda total = 900 W Redução de consumo (kWh/mês) = (redução da perda total x horas de operação) / 1000

Redução de consumo (kWh/mês) = (900 x 720) / 1000 Redução de consumo (kWh/mês) = 648000 / 1000

(44)

Exercícios

44

Ex 3: Considere uma indústria com 1 transformador de 225 kVA (corrente nominal de

590,3 A) que está com 90% da carga nominal e com uma tensão efetiva de 205 V, e que com a alteração do TAP do transformador podemos considerar que a tensão se estabeleça em 214 V. Sendo que a operação deste equipamento é de 720 horas/mês. Devemos buscar qual a redução de consumo.

𝐼

_{𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙}

=

0,9 ∗ 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑓𝑜

3 ∗ 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙

𝐼

𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙

=

0,9 ∗ 2250000

3 ∗ 205

𝑰

_{𝒂𝒕𝒖𝒂𝒍}

= 570,31 A

(45)

Exercícios

45 Ex 3: Continuando....

P

= 𝑃

_{𝑎𝑝ó𝑠}

𝑉

. 𝐼

= 𝑉

_{𝑎𝑝ó𝑠}

. 𝐼

_{𝑎𝑝ó𝑠}

𝐼

_{𝑎𝑝ó𝑠}

=

𝑉

.𝐼

𝑉

_{𝑎𝑝ó𝑠}

𝐼

𝑎𝑝ó𝑠

=

205∗570,3

214 𝑰

_{𝒂𝒑ó𝒔}

= 546,3 A

(46)

Exercícios

46

Ex 3: O percentual de redução é dada por:

𝑅 =

𝐼

𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 2

_{− 𝐼}

𝑎𝑝ó𝑠2

𝐼

_{𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙}

𝑅 =

570,31

2

− 546,3

2

590,3

2

𝑹 =0,0769 ou 7,69%

Atualmente a perda total é dada por:

Perda total = P

_ferro

+ P

_cobre

.p²

Perda total = 900 + 2700.(570,31/590,3)²

(47)

Exercícios

47

Ex 3: Continuando....

Perda total = P

_ferro

+ P

_cobre