Trabalho De Eletrotécnica

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TRABALHO DE ELETROTÉCNICA III TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS E TRIFÁSICOS TURMA: 18 (NOTURNO) ALUNO: ALUNO: ALUNO: ALUNO: ALUNO: TRANSFORMADORES Introdução Este trabalho apresenta o princípio de funcionamento dos transformadores com base nas leis de Faraday e Lenz, mostra o papel dos transformadores em um sistema elétrico de corrente alternada, bem como deduz as relações fundamentais que constituem o modelo ideal de transformadores, tanto na versão monofásica quanto nas várias formas de conexão trifásicas. Como se sabe, a eletricidade é um excelente meio de transporte de energia de um ponto a outro, devido a: grande capacidade de transmissão (economia de escala); grande flexibilidade de distribuição na medida do consumo; rapidez; não-poluente; eficiente (poucas perdas); confiabilidade (exceto quando os governos falham no planejamento e operação do sistema elétrico, como acontece agora). A energia elétrica, produzida em grandes quantidades nas usinas, precisa ser transmitida até os centros consumidores e, por sua vez, distribuída a cada consumidor. Portanto, em um sistema de geração, transmissão e distribuição costumam coexistir grandes e pequenos fluxos de energia. No transporte de energia elétrica existe uma relação direta entre o nível de tensão e a quantidade de potência ativa transmitida, ou seja, quanto maior a tensão, maior a potência transmitida. Por exemplo, uma linha de transmissão trifásica de 230 kV é capaz de transmitir cerca de 200 MW, uma linha de 500kV tem capacidade para transmitir 1200 MW e uma linha de 750 kV cerca de 2200 MW. Isso então permite controlar a quantidade de potência transmitida simplesmente variando-se o nível de tensão ao longo do sistema, o que é facilmente realizado, em circuitos de corrente alternada, através de transformadores. Os transformadores somente funcionam em corrente alternada, como ficará evidente mais adiante. mostrando como a energia gerada nas usinas passa pelos sistemas de transmissão, subtransmissão, distribuição primária e secundária até chegar aos consumidores finais. Note que o sistema é DESENVOLVIMENTO TRANSFORMADOR MONOFÁSICO Quando ligamos uma corrente alternada no enrolamento primário é produzido um campo magnético que é proporcional ao número de voltas do fio em torno do metal e a intensidade da corrente aplicada. O fluxo magnético que é produzido chega ao núcleo do braço metálico e sem encontrar resistência chega ao enrolamento secundário. Após chegar ao enrolamento secundário, por indução eletromagnética, cria-se uma corrente elétrica que tem variação de acordo com corrente do enrolamento primário e também com o número de espiras dos dois enrolamentos. A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Ela iluminará cidades, movimentará máquinas e motores, proporcionando muitas comodidades. Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes, toda a rede de distribuição depende dos transformadores, que elevam a tensão, ora a rebaixam. Nesse sobe e desce, eles resolvem não só um problema econômico, reduzindo os custos da transmissão à distância de energia, como melhoram a eficiência do processo. Antes de mais nada, os geradores que produzem energia precisam alimentar a rede de transmissão e distribuição com um valor de tensão adequado, tendo em vista seu melhor rendimento. Esse valor depende das características do próprio gerador, enquanto a tensão que alimenta os aparelhos consumidores, por razões de construção e, sobretudo, de segurança, tem valor baixo, nos limites de algumas centenas de volts (em geral, 110 V ou 220 V). Existe uma outra classe de transformadores, igualmente indispensáveis, de potência baixa, eles estão presentes na maioria dos aparelhos elétricos e eletrônicos encontrados normalmente em casa, tais como, por exemplo, computador, aparelho de som e televisor. Cabe-lhes abaixar ou aumentar a tensão da rede doméstica, de forma a alimentar convenientemente os vários circuitos elétricos que compõem aqueles aparelhos. A figura 1 descreve de uma forma simples o funcionamento da distribuição de energia desde a sua geração até o consumidor, onde inicialmente a energia é gerada pelo gerador, passando a energia para um transformador de potência, que eleva a tensão para posteriormente ser levado até os transformadores de distribuição através das linhas de transmissão. Após chegar aos transformadores de distribuição os quais estes normalmente situados nas cidades, à tensão é rebaixada, a nível dos equipamentos eletrodomésticos, ou que utilizem energia elétrica. Figura 1:Forma simplificada da distribuição de energia e atuação dos transformadores elétricos    Graças às técnicas com que são fabricados, os transformadores modernos apresentam grande eficiência, permitindo transferir ao secundário cerca de 100% da energia aplicada no primário. As perdas - transformação de energia elétrica em calor - são devidas principalmente à histerese, às correntes parasitas e perdas no cobre. 1. Perdas no cobre. Resultam da resistência dos fios de cobre nas espiras primárias e secundárias. As perdas pela resistência do cobre são perdas sob a forma de calor e não podem ser evitadas. 2. Perdas por histerese. Energia é transformada em calor na reversão da polaridade magnética do núcleo transformador. 3. Perdas por correntes parasitas. Quando uma massa de metal condutor se desloca num campo magnético, ou é sujeita a um fluxo magnético móvel, circulam nela correntes induzidas. Essas correntes produzem calor devido às perdas na resistência do ferro. Todo esse calor gerado pelas perdas, é refrigerado pelo óleo dielétrico o qual todo o núcleo do transformador é submerso, sendo assim esse óleo aliado ao aquecimento, acaba gerando uma corrente de convecção dentro do transformador. Onde o óleo mais que acaba esquentando fica menos denso e sobe. Após passar pelos radiadores ele resfria, aumentando sua densidade, e assim se mantém a refrigeração do transformador, a figura abaixo mostra o esquema da refrigeração natural. Figura 3 : Esquema de refrigeração de transformadores TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Uma das principais aplicações dos transformadores está nos sistemas de potência, elevando ou abaixando o nível de tensão para a transmissão ou distribuição da energia elétrica. Em geral esses sistemas são trifásicos e equilibrados. Pode-se construir transformadores com núcleo trifásico ou associar transformadores com núcleos monofásicos. Nos dois casos, os enrolamentos podem ser associados em estrela (Y) ou em delta ( ). Se houver três enrolamentos por fase pode-se ainda obter uma associação zig-zag (Z), que é uma versão estrela (Y) composta. A escolha da associação adequada depende de diversos fatores como: acesso a neutro, bitola dos condutores por fase, sistema de aterramento, nível de isolamento, defasagem angular requerida, etc. O transformador com núcleo trifásico leva vantagem sobre a associação ou banco de transformadores monofásicos, devido à economia de ferro no núcleo: como os fluxos das três fases somam zero a todo instante, pode-se eliminar o caminho de retorno do fluxo, o que leva a uma estrutura magnética plana com uma perna do núcleo para cada fase (na figura 1 ). TIPOS DE LIGAÇÕES EM Y OU A ligação em Y ou dos enrolamentos é estabelecida através da conexão dos seus terminais, conforme mostra a figura 2 e 3. Figura 2 Figura 3 Para fazer corretamente essa conexão, é fundamental conhecer a polaridade relativa dos enrolamentos. Qualquer inversão irá colocar duas fases em curto-circuito ou desequilibrar o circuito magnético. São possíveis quatro combinações das ligações dos enrolamentos de um transformador trifásico: Y-Y, Y- , -Y e - . Dessas quatros ligações qual é a menos utilizada e por quê? Em cada combinação é necessário verificar como as correntes e tensões primárias se relacionam com as correntes e tensões secundárias. Lembrar que em uma ligação Y a tensão de linha é igual a 3 vezes a tensão de fase e em uma ligação a corrente de linha é igual a 3 vezes a corrente de fase. Na figura 4 tem-se as indicações das tensões e das correntes em uma conexão -Y. Figura 4 Exemplificando: Considere 1N = 1000 espiras e 2N = 100 espiras. Se 1V = 1270V teremos na bobina secundária uma tensão de fase igual a 127V e uma tensão de linha igual a 220V. Se 1I = 11A teremos na bobina primária uma corrente de fase igual a 6,35A e na bobina secundária uma corrente de linha igual a 63,5A. Realize as operações abaixo indicadas tanto para o primário como para o secundário e tire as suas próprias conclusões. Uma característica da associação Y- é o deslocamento angular de ±30° que resulta entre as tensões terminais correspondentes do primário e do secundário. O sentido da defasagem depende da sequência das fases. Esse deslocamento pode ser percebido através de um diagrama fasorial, como o mostrado na figura 5. Figura 5 A tensão de linha ABV do secundário está atrasada de 30° em relação à tensão correspondente abV do primário. Se trocarmos a sequência das fases, a defasagem muda de sinal. Portanto, é necessário tomar cuidado com as defasagens quando, por exemplo, deseja-se conectar dois transformadores trifásicos em paralelo. CONEXÃO EM Y Para o caso de associação trifásica de transformadores monofásicos, pode-se testar a polaridade de cada transformador separadamente, conforme visto anteriormente. Para o caso de núcleo trifásico, é preciso testar a polaridade relativa dos três enrolamentos do primário e do secundário entre si. Para o teste do primário, liga-se as bobinas em Y e aplica-se uma tensão de teste V na fase da perna central do núcleo (figura 6). Conexão correta Conexão errada Figura 6 NORMALIZAÇÔES Como o estudo dos transformadores envolve as principais grandezas elétricas, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) estabeleceu normas nacionais de operação, construção, manutenção e uso dos mesmos. Segundo a NBR 5440, as potências padronizadas para transformadores de distribuição, em kVA, são: a) Transformador monofásico instalado em poste: 3 ; 5 ; 10 ; 15 ; 25 ; 37,5 ; 50 ; 75 ; 100 b) Transformador trifásico instalado em poste: 15 ; 30 ; 45 ; 75 ; 112,5 ; 150 c) Transformador trifásico instalado em plataforma: 225 ; 300 ; 500 ; 750 ; 1000 Os bornes externos são numerados com a utilização das letras "H" para a AT e "x" para BT . A ordem cronológica dos coeficientes é feita da esquerda para a direita, a partir do posicionamento frontal à BT. Figura – Vista externa DADOS CONSTRUTIVOS Os transformadores são constituídos, basicamente, de uma parte ativa e de acessórios complementares. 1 . Parte ativa Compreende as bobinas (enrolamentos do primário e do secundário) e o núcleo ferromagnético. Para que haja um funcionamento eficaz, é necessário que seus componentes sejam prensados e devidamente calçados, a fim de suportarem as mais diferentes condições ambientais a que são submetidos. Os enrolamentos são constituídos de fios de cobre, de seção retangular ou circular, isolados com esmalte ou papel. Os enrolamentos de BT e AT normalmente são concêntricos, onde a BT ocupa a parte interna e a AT a parte externa, sendo estes fracionados em bobinas de menor número de espiras, chamadas "panquecas", por motivo de isolação, facilidade de manutenção e retirada das derivações para conexão ao comutador. (a) (b) 3 – Enrolamentos de um transformador: (a) BT; (b) AT O núcleo é constituído de lâminas de material ferromagnético, contendo em sua composição o silício, que possui excelentes características de magnetização (temporário), baixas perdas por histerese e por mudança de temperatura. O empilhamento das lâminas, isoladas entre si e do núcleo, é feito para minimizar a ação das correntes parasitas provenientes da variação de fluxo ocorridos sobre o material, que é condutor. Acessórios complementares Tanque Serve de invólucro da parte ativa e do líquido isolante. Nele encontramos os suportes para fixação em postes, ganchos e olhais de suspensão, tampa de inspeção, conector de aterramento, fios de passagem das buchas, placa de identificação, radiadores, dispositivos de drenagem e amostragem do líquido isolante, visor de nível do óleo, etc. Buchas São dispositivos que permitem a passagem dos condutores constituintes dos enrolamentos para o meio externo (redes elétricas). São constituídos de corpo isolante (porcelana), condutor passante (cobre ou latão), terminal (bronze ou latão) e vedações (borracha e papelão). Tanque de um transformador Buchas: (a) vista externa; (b) corte. Radiadores O calor gerado na parte ativa se propaga pelo óleo, sendo dissipado na tampa e laterais do tanque. Em casos especiais (potência elevada e ventilação insuficiente) os transformadores são munidos de radiadores, que aumentam a área de dissipação, ou adaptados com ventilação forçada. d) Comutador É um dispositivo mecânico que permite variar o número de espiras dos enrolamentos de alta tensão, como mostra a Figura 8.7. Sua finalidade é corrigir o desnível de tensão existente nas redes de distribuição, devido à queda de tensão ocorrida ao longo das mesmas. Figura 8.6 – Radiador Figura 8.7 - Comutador e) Placa de identificação Construída em alumínio ou aço inoxidável, onde constam todas as informações construtivas resumidas e normatizadas do aparelho, conforme exemplo da Figura 8.8. Entre as informações fornecidas pela placa encontram-se: nome e dados do fabricante; numeração da placa; indicação das NBR; potência (kVA); impedância equivalente (%); tensões nominais (AT e BT); tipo de óleo isolante; diagramas de ligações; diagrama fasorial; massa total (kg); volume total do líquido (l). Exemplo de placa de identificação de transformador. CONCLUSÃO: Os transformadores de potencia têm papel fundamental no sistema elétrico, por tanto proporciona grande economia na transmissão de emergia elétrica e interligação dos sistema diferentes principalmente no Brasil onde as grandes usinas geradoras encontram-se afastadas das centros consumidores. Porém, devido à sua complexidade e importância. O transformador se apresenta com um dos maiores custos em uma subestação. Assim, análise de sua aplicação e especificação se faz necessária. Bibliografia Site: WWW.brasilescola.com WWW.weg.com. WWW.abb.com WWW.iitree-unlp.org.ar Perguntas: 1º- Cite 3 componentes de um Transformador? Resposta: Tanque, buchas, enrolamentos, radiadores e comutador 2º- Qual tipo de proteção mais comum? Resposta: Chave Elo fusível, disjuntor a óleo (MT) "Deus seja louvado"