1

Transformadores para instrumentos

Definições• São dispositivos empregados para

compatibilizar as faixas de atuação dos instrumentos, de medição, controle e fornecer a devida proteção dos mesmos.

• Funções:– Ampliação e redução da FM (escala de medição)– Proteção– Isolamento – permitir a atuação com nível de

tensão diferente do circuito com o dispositivo;– Compatibilidade de grandezas de acordo com o

principio de funcionamento do dispositivo.

Principio de funcionamento• Transformadores de instrumentos;

– Transformador de instrumento de potencial (TP)– Transformador de instrumento de corrente (TC)

• Transformadores eletrônicos:– Circuitos eletrônicos– Amplificadores operacionais e instrumentação– Condicionadores de sinais

• Dispositivos eletrônicos– Eletrônica analógica– Eletrônica digital– Conversores A/D e D/A

• Transformadores eletrônicos Magnéticos– Efeitos eletro -magnéticos– Efeito Hall– outros

2

TC

TC tipo Barra

TC tipo Enrolado

TC tipo Janela

TC

TC tipo núcleo dividido

TC tipo Bucha

TC

TC de vários enrolamento secundários.

TC tipo com vários enrolamentos secundários

TC de vários enrolamentos primários.

TC tipo deriva ção secundário.

3

Correntes nominais• As correntes nominais primárias e as relações devem ser compat íveis

com a corrente de carga do circuito primário. As correntes nominais primárias podem ser de 5 A a 8000 A e a corrente secundária via de regra é 5 A, podendo em alguns casos ser de valor 1 A, 500mA, 300mA e 100 mA ou menos, dependendo do emprego do TC. A NBR6856 adota as seguintes simbologias para definir as relações de corrente.

• Sinal de dois pontos(:) deve ser usado para exprimir relações nominais como, por exemplo: 300:1;

• O hífen(-) deve ser usado para separar correntes nominais de enrolamentos diferentes, como por exemplo 300-5A, 300-300-5A(dois enrolamentos primários) e 300-5-5(dois enrolamentos secundários);

• O sinal x deve ser usado para separar correntes primárias nominais, ou ainda relações nominais duplas, por exemplo 300x600-5A, correntes primárias nominais, cujos enrolamentos podem ser ligados em série ou paralelo;

• A barra (/) deve ser usada para separar correntes primárias nominais ou relações nominais obtidas por meio de derivações, efetuadas tanto nos enrolamentos primários como nos secundários, como por exemplo 300/400-5A, ou 300-5/5

Polaridade• Os transformadores de corrente destinados ao serviço de medição

de energia, relés de potência, fasímetros, etc. são identificados nos terminais de ligação primário e secundário por letras que indicam a polaridade para a qual foram construídos e que pode ser positiva ou negativa. São empregados as letras com seus índices, P1, P2, e S1, S2. Diz- se que um transformador de corrente tem polaridade subtrativa, por exemplo, quando a onda de corrente, num determinado instante, percorre o circuito primário de P1 para P2 e a onda de corrente correspondente no secundário assume a trajetória de S1 para S2. Caso contrário, diz-se que o TC tem polaridade aditiva. A maioria dos transformadores de corrente tem polaridad e subtrativa, sendo inclusive indicada pela NBR6856. Somente sob encomenda são fabricados transformadores de corrente com polaridade aditiva.

Valores percentuais do FCR para TC classe de exatidão 0,3.

Valores percentuais do FCR para TC classe de exatidão 0,6.

4

Classe de exatidão• De acordo com os instrumentos a serem ligados aos

terminais secundários do TC, devem ser as seguintes as classes de exatidão deste equipamento:

• Para ajuste e calibra ção dos instrumentos de medidas de laboratórios: 0,1;

• alimentação de medidores de demanda e consumo ativo e reativo para fins de faturamento, 0,3;

• alimentação de medidores para fins de acompanhamento de custos industriais, 0,6;

• alimentação de amperímetros indicadores, registradores gráficos, relés de impedância, relés diferenciais, relés de distância, relés direcionais, 1,2;

• alimentação de relés de ação direta, por exemplo, aplicado em disjuntores primários de subestações de consumidores, 3,0.

5

Exercício• Especificar um TC para medição de energia elétrica para faturamento a

um consumidor energizado em 69 kV, cuja corrente na linha chegará em 80 A. no primeiro ano de operação, podendo atingir cerca de 160 A, no segundo ano. Os instrumentos el étricos que serão empregados, abaixo indicados, ficarão a 25 m do TC e serão ligados ao secundário deste através de fio de cobre 2,5 mm2. O medidor de kWh com indicador de demanda máxima tipo mecânico, com consumo de 1,4 W, e 0,8 VAr.O medidor de kVArh, específico para energia reativa, sem indicador de demanda máxima, com consumo de 1,4 W, e 0,8 VAr. O condutores conduzindo 5 A, apresentam um consumo de 6,6 W.

• Especificar um TC para medição de energia elétrica e controle, sem finalidade de faturamento, sabendo que a tensão entre fases do circuito éde 13,8 kV e que a corrente na linha chegará no máximo a 80 A. Os instrumentos elétricos que serão empregados são: Medidor de kWh com indicador de demanda máxima, consumo 1,4 W, e 0,8 VAr; medidor de kWh, sem indicador de demanda máxima, acoplado a um autotransformador de defasamento, utilizado para medir kVArh, consumo 1,4 W, e 0,8 VAr; wattímetro consumo 0,7 W, e 2,0 VAr; Varmetro, consumo 0,7 W, e 2,0 VAr; amperímetro, consumo 1,5 W, e 0,7 VAr; e um fasímetro 2,5 W e 2,0 VAr. Os instrumentos estão instalados a uma distância média de 25 m do TC, com condutor de 2,5 mm2.

TP

Transformador de potencial com invólucro em óleo.

6

TP - indutivo

• Os transformadores de potencial indutivos são construídos segundo três grupos:

• Grupo 1 - são aqueles projetados para ligação entre fases. São basicamente os do tipo utilizados nos sistemas de até 34,5 kV. Os transformadores enquadrados neste grupo devem suportar continuamente 10% de sobrecarga;

• Grupo 2 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistema diretamente aterrados, isto é: onde Rz é a resistência de seqüência zero do sistema; e Xp é a reatância de seqüência positiva do sistema.

• Grupo 3 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garanta a eficácia do aterramento.

TP tipo indutivo, do grupo 2 e grupo 3.

TP tipo indutivo, do grupo 2 e grupo 3.

TP - Capacitivo• Os transformadores

capacitivos basicamente com a utilização de dois conjuntos de capacitores que servem para fornecer um divisor de tensão e permitir a comunicação através do sistema carrier. São construídos normalmente para tensões iguais ou superiores a 138 kV

7

Esquema el étrico b ásico do transformador, onde se vê que o primário constituído por um conjunto C1 e C2 de elementos capacitivos em série. É ligado entre fase e terra, havendo uma deriva ção intermedi ária B, correspondente a uma tensão V da ordem de 5 kV a 15 kV, para alimentar o enrolamento primário de um TP tipo indução intermedi ário, o qual fornecerá a tensão V2 aos instrumentos de medi ção e dispositivos de prote ção ali instalados.

Relação entre o ângulo de fase γ e o fator de correção de relação para os TP de acordo com a classe de exatidão.

8

Notação adotada pela NBR6855• Sinal de dois pontos(:) deve ser usado para representar

relações nominais como por exemplo 120:1;• o hífen (-) deve ser usado para separar relações nominais de

enrolamentos diferentes, como por exemplo 13.800-115 volts;• sinal (x) deve ser usado para separar tensões primárias

nominais e relações nominais de enrolamentos destinados a serem ligados em série ou paralelo, como por exemplo 6900x13800-115 volts;

• a barra(/) deve ser usada para separar tensões primárias nominais e relações nominais obtidas por meio de derivações, seja no enrolamento primário seja no enrolamento secundário,

• como por exemplo , que corresponde a um TP do grupo 2 ou 3, com um enrolamento primário e um enrolamento secundário com derivação.

3115/115

313800 −

Especificação condições de instalação• queda de tensão no circuito de não deve

ultrapassar a 5%, em regime intermitente;• carga a ser computada para o dimensionamento do

transformador de potencial deve levar em consideração a potência das lâmpadas de sinalização, a carga consumida continuamente pelas bobinas e a sua potência de operação;

• no cálculo da carga total deve-se levar em consideração tanto as cargas ativas como as cargas reativas das bobinas em regime cont ínuo e em regime de operação. Dados que, normalmente, estão fornecidos pelos fabricantes destes elementos.

9

Exercício

• Especificar um transformador de potencial a que serão ligados três contatores Siemens do tipo 3TB46, dois do tipo 3TB52 e cinco lâmpadas de sinalização de 1,5 W cada. O TP será ligado entre fases de um sistema de 380 volts, obtendo-se no secundário 220 volts, para alimentação da carga. Os contatores 3TB52 operam simultaneamente. O transformador de potencial deve ser dimensionado para que satisfaça simultaneamente as condições de carga permanente e de curta duração que correspondem às cinco lâmpadas ligadas, os três contatores 3TB46 em regime permanente e mais dois contatores3TB52, em regime de curta duração. DADOS: Potência consumida pelo contator 3TB46 - em regime de curta duração; 124 VA; 59,0 W; 183 VAr e FP = 0,32; em carga permanente: 21 VA, 7,14 W, 19,7 VAre FP = 0,34, 3TB52 - em regime de curta duração: 730 VA, 277,4 W, 675,2 VAr., FP = 0,38; em carga permanente: 56 VA, 13.44 W, 54,3 VAr., e FP = 0,24.

10

Considerações sobre os transformadores de corrente e de potencial

• Os TP´s e TC´s servem também como elementos de isolamento entre os instrumentos ligados no secundário e o circuito de alta tensão, reduzindo assim o perigo para ooperador e tornando desnecess ário uma isola ção especial para tais instrumentos. Assim, é que háTC´s de 5- 5 A, mas com nível de isolamento para alta tensão;

• Um mesmo instrumento el étrico, utilizado com T C´s ou TP´s de diferentes relaç ões nominais, podem servir para um campo muito largo de medições gra ças à padronizaç ão dos valores secund ários deles, 5A para os T C´s e 115 volts para os TP´ s.

• Deve-se ter o cuidado de ligar à terra o secund ário e o núcleo dos TC´ s e TP´s por medida de seguranç a. Al ém disso, os TC´s para alta tensão são construí dos normalmente com camadas de material condutor envolvendo o enrolamento primário para uniformização da distribuiç ão dos potenciais. Estas camadas são ligadas entre si e também a um terminal externo, o qual deve ser ligado ao terra.

• Os TC´s e TP ´s têm todos os terminais primários e secundários providos de marcas indeléveis. Estas marcas permitem ao instalador a r ápida identificaç ão dos terminais de mesma polaridade. O instalador somente precisa se preocupar com a polaridade no momento em que for ligar ao secundário dos TC´ s ou TP´s os instrumentos el étricos que têm bobinas providas de polaridades relativa, tais como wattímetros, medidores de energia elétrica, fasímetros, etc.. A entrada das bobinas destes instrumentos deve ser ligada ao terminal secund ário do TC ou TP que corresponde ao terminal primário que foi utilizado como entrada.

• É aconselhável, antes de instalar os TC´s e TP´ s verificar pelo menos a "rela ção de transformaç ão nominal" e a polaridade.

• O núcleo dos TP´s e TC´ s é feito de chapas de ferro silício. Para os de melhor qualidade, emprega -se ferro silício de grãos orientados, laminado a frio, conseguindo-se bons resultados quanto à permeabilidade magn ética e menores perdas. Os TC´s especiais, os que serão utilizados como padrão por exemplo, para os quais se exige excelente classe de exatidão, tem o núcleo feito de chapas de ligas especiais de ferro ní quel. Estas ligas têm alta permeabilidade magnética e perdas reduzidas, mas o seu custo é bem maior.

Dados de especificação• Destinação: medição, proteção ou automação;• Uso: interior, exterior, conjunto de manobra;• Carga instalada (especificação dos instrumentos e

dispositivos) (Potência nominal)– Não empregar como fonte de carga auxiliar

• Classe de exatidão (finalidade)• Classe de tensão (nível de isolamento)• Números de enrolamentos secundários ou derivações• Relação de transformação• Valor nominal das correntes e tensões (primárias e

secundárias)• Grupo de ligação (TP)• Fator térmico• Tensão aplicada (Suport áveis e impulso)• Tipo de encapsulamento (epóxi, imerso, seco)

11

Transformador eletrônico

Usando transistor bipolar

Exemplo e transformador eletrônico:

Usando FET

Exemplo e transformador eletrônico:

12

Divisores de tensão

Divisor indutivo

Transformador cc de corrente

13

outros• Amplificador inversor;• Amplificador não inversor;• Amplificador diferencial;• Amplificador de instrumentação;• Amplificador isolador;• Amplificador choper;• Conversores de tensão corrente;• Conversores corrente tensão;• Retificadores de pico;• Conversores RMS;• Conversores RMS para CC.

Conversores• Em instrumentação é necessário realizar diversos tipos de conversões

para compatibilizar sinais analógicos ou para extrair informações embutidas nestes sinais ou para formatar um sinal de uma forma adequada para transmissão de sinais

• Conversor Tensão/Corrente

• Conversor AC/DC

Conversor RMS

14

• Conversor Tensão/Freqüência

• Conversor freqüência/Tensão

• Linearização

Faturamento de energia• Tipos de Consumidores• Os consumidores de energia elétrica são

classificados pelo nível de tensão em que são atendidos, sendo divididos em dois grandes grupos:

• Consumidores do Grupo A;

• Consumidores do Grupo B.

15

Grupo B• Tarifa monônia• Importe de energia:• I = C.TC

• Onde: I – importe• C – Consumo em um período de 27 a 33

dias em kWh.• TC – Tarifa de consumo, em R$/Mwh• Observação: incide ICMS + taxa de

Iluminação pública

Grupo A• Tarifa Binômia• Dois segmentos tarifários:• Segmento de Demanda – A energia integrada em

um período de 15 minutos, adota-se o maior valor durante o período de faturamento.

• Segmento de Consumo – O consumo integrado no período de faturamento em kWh.

• Tarifa convencional• I = C.Tc + DF.TD – onde:• DF – demanda faturável. E TD tarifa de demanda.• DF = Demanda contratada se a demanda medida for

inferior à demanda contratada. Ou• DF = O maior valor de demanda registrada nos

últimos 11 meses anteriores, se maior que a demanda contratada.

Grupo A – Tarifa Horo-sazonal• Dois segmentos horo-sazonais. • Horário de ponta – 3 h consecutivas

compreendida entre 17 h às 22 h.• Horário fora de ponta, demais horas do dia

exceto domingos, feriados nacionais e sábados.

• Dois segmentos temporais.• Período seco – de abril a setembro e• Período úmido – outubro a março

16

Tarifa Verde• I = DF.TD + CP.TCp + CFP.TCFP + (DU.TU

)+}*

• CP – consumo no horário de ponta;• CFP – Consumo no horário fora de ponta;• DU – Demanda de ultrapassagem• TCP – tarifa de consumo no horário de ponta;• TCFP – tarifa de consumo no horário fora de ponta;• TU – tarifa de ultrapassagem• DF = Demanda contratada, se a demanda medida for menor

que a demanda contratada;• DF = Demanda medida se igual a kDcontratada onde k < 1,20

para V < 13,8kV, k < 1,10 para V <69 kV e k <1,05 para V >138 kV, caso extrapole o limite de tolerância, DF = Demanda contratada mais uma adicional por ultrapassagem de demanda DU;

1

• 1DU = Dmedida – Demanda contratada.• * Tarifas diferenciadas no período seco e úmido

Tarifa azul• I = CP.TCp + CFP.TCFP + DFP.TDP + DFFP.TDFP +

DUP.TUP + DUFP.TUFP

• DFP – demanda faturável no horário de ponta;• TDP – tarifa de demanda no horário de ponta;• DFFP – demanda faturável no horário fora de ponta;• TDFP – tarifa de demanda no horário fora de ponta;• DUP – demanda de ultrapassagem na ponta;• TUP – tarifa de ultrapassagem na ponta;• DUFP – demanda de ultrapassagem fora de ponta;• TUFP – tarifa de ultrapassagem fora de ponta.

Tarifação de energia reativa

• FER(p) = valor do faturamento, por posto horário “p”, correspondente ao consumo de energia reativa excedente àquantidade permitida pelo fator de potência de referência “fr”, no período de faturamento;

• CAt = consumo de energia ativa medida em cada intervalo de 1 (uma) hora “t”, durante o período de faturamento;

• fr = fator de potência de referência igual a 0,92; • ft = fator de potência da unidade consumidora, calculado

em cada intervalo “t” de 1 (uma) hora, durante o período de faturamento;

• TCA(p) = tarifa de energia ativa, aplicável ao fornecimento em cada posto horário “p”;

17

• FDR(p) = valor do faturamento, por posto hor ário “p”, correspondente àdemanda de potência reativa excedente à quantidade permitida pelo fator de potência de referência “fr” no per íodo de faturamento;

• DAt = demanda medida no intervalo de integralização de 1 (uma) hora “t”, durante o período de faturamento;

• DF(p) = demanda faturável em cada posto horário “p” no período de faturamento;

• TDA(p) = tarifa de demanda de potência ativa aplicável ao fornecimento em cada posto horário “p”;

• MAX = função que identifica o valor máximo da fórmula, dentro dos parênteses correspondentes, em cada posto hor ário “p”;

• Nas fórmulas FER(p) e FDR(p) serão considerados: • a) durante o per íodo de 6 horas consecutivas, compreendido, a critério

da concessionária, entre 23h e 30min e 06h e 30min, apenas os fatores de potência “ft” inferiores a 0,92 capacitivo, verificados em cada intervalo de 1 (uma) hora “t”; e

• b) durante o per íodo diário complementar ao definido na al ínea anterior, apenas os fatores de potência “ft” inferiores a 0,92 indutivo, verificados em cada intervalo de 1 (uma) hora “t”.