Embed Size (px)
Citation preview
Trabalho
de
Máquinas Elétricas
Kronos Nexus Cursos ProfissionalizantesCurso: Técnico em Eletrotécnica Turma: Eletro N
Turno: Noite Professor: Adann YargoDisciplina: Máquinas Elétricas Período: 2013.2
Transformadores Trifásicos
JOÃO PESSOA2015
Sumário
1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................................41. DESENVOLVIMENTO........................................................................................................5
1.TRANSFORMADOR TRIFÁSICO.....................................................................................51. Princípio de funcionamento.............................................................................................51.1 Transformadores de Potência.........................................................................................61.2 Conexão Y.....................................................................................................................71.3 Conexão ∆......................................................................................................................9
2.TIPOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS...........................................................92.1 Transfomador Y-Y.......................................................................................................102.2 Transfomador Y-∆........................................................................................................112.3 Transfomador ∆-Y.......................................................................................................122.4 Transfomador ∆-∆........................................................................................................13
3.ACESSÓRIOS......................................................................................................................164. CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................................................205. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................................21
1 INTRODUÇÃO
O transformador trata-se de um dispositivo de corrente elétrica alternada que
opera baseado nos princípios magnéticos das Leis de Faraday e Lenz, no qual é
destinado a alterar os parâmetros físicos de tensões, correntes e impedâncias.
Sua composição é simples, em que basicamente consiste de 2 bobinas de
material condutor, além de um “caminho”, circuito magnético, que “acopla”
essas bobinas, cujo “condutor” magnético e constituído de um núcleo de material
ferromagnético, como aço, a fim de produzir um caminho de baixa relutância
para o fluxo magnético gerado.
Geralmente o núcleo de aço dos transformadores é laminado para reduzir a
indução de correntes parasitas ou de correntes de Foucault no próprio núcleo, já
que essas correntes contribuem para o surgimento de perdas por aquecimento
devido ao efeito Joule. Em geral se utiliza aço-silício com o intuito de se
aumentar a resistividade e diminuir ainda mais essas correntes parasitas.
Existe uma variedade de transformadores com diferentes tipos de circuitos
magnéticos, mas todos operam sobre o mesmo princípio, no entanto , para cada
tipo de transformador existe uma aplicação ideal, em que são exploradas nas
áreas de circuitos elétricos e eletrônicos, controle e comunicação, para
casamento de impedâncias, assim como aplicados em sistemas de “potências” .
1. Transformador Trifásico
O transformador é o equipamento que permite abaixar ou elevar os valores de
tensão ou corrente CA de um circuito. Seu princípio de funcionamento baseia-se no fato
de que uma tensão é induzida no secundário, quando este é percorrido pelo fluxo
magnético variável gerado no primário.
O transformador é formado basicamente pelo núcleo e pelas bobinas (primária e
secundária).
O núcleo constitui o circuito magnético do transformador. È peça metálica
construída com chapas de ferro-sílicio isoladas entre si e sobre qual são montadas as
bobinas.
Os transformadores trifásicos, usados na distribuição de eletricidade, têm as
mesmas funções que o transformador monofásicos: abaixar e elevar a tensão.
Trabalham com três fases e são de porte grande e mais potentes que os
monofásicos.
O núcleo dos transformadores trifásicos também é constituído de chapas de
ferro-sílicio. Essas chapas possuem três colunas que são unidas por meio de duas
armaduras. Cada coluna serve de núcleo para uma fase onde estão localizadas duas
bobinas, uma primária e outra secundária. Por essa razão, esses transformadores têm, no
mínimo, seis bobinas: três primárias e três secundárias, isoladas entre si. As bobinas das
três fases devem ser exatamente iguais.
Num transformador trifásico, cada fase funciona independentemente das outras
duas, como se fossem três transformadores monofásicos em um só. Isso significa que
três transformadores monofásicos exatamente iguais podem substituir um transformador
trifásico.
Esse sistema é mais econômico, pois facilita os serviços de manutenção,
reparação e aumento de capacidade do banco de transformadores. A ligação inicial de
dois transformadores monofásicos em triângulo aberto permite que um terceiro
transformador seja acrescentado quando houver um aumento de carga.
1.1 Transformadores de Potência
Os transformadores de potência visam essencialmente a elevação ou redução da
tensão de transporte, distribuição e de consumo em redes de energia elétrica. As
vantagens da utilização de transformadores elevadores e redutores de tensão nas redes
de transporte e distribuição de energia elétrica são basicamente duas: redução das perdas
por efeito Joule, e redução da secção, do peso e do custo das linhas de transporte.
A sua utilização se faz necessária a partir de altos valores de demanda, já que
torna-se muito mais viável, nas questões relacionadas com as perdas por efeito de Joule
nos enrolamentos e no núcleo (estas últimas associadas às correntes de Foucault); e com
o rendimento, assim como naturalmente com os sistemas mecânicos de arrefecimento (a
seco, em banho de óleo, forçado ou não, etc.), tanto que, segundo a ABNT 5440, a sua
aplicação já é indicada para alimentação de sistemas a partir de demandas superiores a
15 KVA.
Uma segunda classe de aplicações dos transformadores de potência é a
conversão do número de fases da tensão. Por exemplo, a montagem criteriosa dos
enrolamentos no núcleo permite efetuar as conversões entre redes de transporte
trifásicas e de consumo monofásicas ou bifásicas, entre redes trifásicas e hexafásicas ou
dodecafásicas, etc.
No contexto histórico, a sua utilização começou a ser explorada no final do
século XVIII, por volta de 1891.
E desde então, forma surgindo diversos tipos de transformadores, para
determinadas aplicações, que são os transformadores dos tipos Y-Y, Y-∆, ∆-∆ e ∆-Y,
simbologias estas que fazem referência aos tipos de ligações internas (conexões) dos das
entradas e saída(primário e secundário) dos transformadores, como mostra a figura 1
abaixo.
Figura 1
Os modos conforme as conexões são acopladas, assim como os seus respectivos
funcionamentos, serão abordados a seguir.
Funcionamento das conexões e sua linhas, em relação à tensão, corrente e suas
respectivas defasagens
Como mostrado anteriormente, existem 2 tipos de conexões que nas quais os
transformadores podem possuir. Logo, será mostrado abaixo, a forma com que cada tipo
de conexão se comporta, relacionando-a as características de tensões e correntes de fase
e de linha.
1.2 Conexão Y
A conexão do tipo Y(estrela) é formada por 3 bobinas,
nas quais possuem um tipo de disposição em que possuem um
ponto em comum, que é usado como neutro para aterramento
e equipotencialização do sistema trifásico, ou seja, para
permitir o equilíbrio do sistema, como mostra a figura 1.a ao
lado.
Dentre suas características físicas, a corrente de linha é numericamente igual a
corrente de fase, já que a corrente que percorre a linha só “caminha” por uma bobina,
logo, a corrente de linha é numericamente igual a corrente de fase neste tipo de conexão.
No entanto, como pode-se ver na figura 1.b abaixo, o valor númerico entre as bobinas
difere em relação a diferença de potêncial entre as linhas, já que o sistema elétrico herda
o comportamento senóidal e vetorial, logo a diferença entre as linhas é numericamente
superior em √3, valor este que será comprovado e explicado mais abaixo.
Figura 1.b
Como pode perceber, as tensões de cada bobina são numericamente iguais, no
entanto, sofrem uma defasagem de 120º entre si (característica do sistema trifásico).
Porém, como a tensão entre linhas corresponde a diferença de potêncial entre a tensão
das 2 bobinas, teremos a soma vetorial de Va+(-Vb) por exemplo, em que Vb receberá o
sinal negativo justamente devido a “diferença de potêncial”. (detalhes estes mostrado na
figura 1.c abaixo).
Figura 1.c
Através da Lei dos cossenos
podemos encontrar numericamente o valor
da razão entre a tensão de linha e a tensão
de fase, que é de √3.
Considerando que o as tensões de
fase VA, VB e VC são iguais, podemos
chamá-las de VF, enquanto a tensão de
Linha será chamada de Vl, temos que a
soma vetorial de VA+(-VB) deverá ser
representada por meio de fórmula como
segue ao lado. E como existe uma relação
uniforme em meio a soma, a defasagem
entre a tensão de linha e a tensão de fase
será de 30°, como mostra o último desenho
da figura 1.c.
- Lei dos Cossenos
VR² = V1² + V2² + 2.COS(θ).V1.V2
Resolução:
VAB² = VA² + VB² + 2.COS(60º).VA.VB
Substituindo VA e VB por VF, e VAB por VL temos:
VL² = VF² + VF² + 2.COS(60º).VF.VF
VL² = 2.VF² + 2.(1/2).VF²
VL² = 2.VF² + VF²
VL² = 3.VF²
√ VL² = √ (3.VF²)
VL = √ 3.VF
VL/VF = √3
• 1.3 Conexão ∆
A conexão do tipo ∆ (delta) é formada por 3 bobinas, nas quais possuem um tipo de disposição em que cada bobina possue um ponto em comum com as outras duas bobinas, e neste tipo de sistema não existe o neutro, devendo ser utilizado em sistemas equilibrados para o seus melhor funcionamento, a figura 2.a ao lado mostra seus aspectos.
Figura 2.a
Dentre suas características físicas, que diferem em ambos parâmetros do sistema
do tipo , a tensão de linha é numericamente igual a tensão de fase, já que os pontos que
correspondem a tensão de linha neste tipo de rede, correspondem aos pontos das bobinas
do transformador, como um sistema paralelo entre cargas e bobinas; no entanto, como
pode-se ver na figura 1.a acima, a corrente que percorre a linha é dividida entre 2
bobinas, ou de forma mais concreta, decompõem-se em outros 2 vetores corrente
elétrica. E seguindo a mesma regra em relação a defasagem e soma vetorial de vetores
para as tensões para o tipo de sistema Y, o valor númerico das correntes elétricas de
linha correspondera a √3 vezes o valor das correntes de fase, e no sistema Δ, as tensões
terão comportamento senoidal, enquanto que as correntes irão responder a este tipo de
comportamento, ou seja, as correntes de linha também terão comportamento senóidal e
será √3 vezes maior que as correntes de fase, de fato, desde que o sistema esteja
equilibrado.
2.Tipos de Transformadores trifásicos
Após explicar o funcionamento do que chamamos de conexão, ou lado dos
transformadores, será mostrado as especificações do sistema trifásico dos
transformadores dos tipos Y-Y, Y-∆, ∆-∆ e ∆-Y; e as relações de defasagem entre a
entrada e a saída, porém, como forma de torna mais agradável a explicação, foi
considerado que a relação entre o número de espiras é igual a 1, ou seja, se α=1, então e
α=N1/N2, então N1 = N2, e que as bobinas estão sendo organizadas de modo que as
tensões de fase estejam em comum, ou seja, defasagem igual a 0º, e que as
“imaginárias” cargas que estão sendo utilizadas são inteiramente ativas.
2.1 Transformador Y-Y
Ao lado, através da figura 3.a, pode-
se observar o tipo de acoplamento entre os
bobinados no transformador do tipo Y-Y,
em que foi explicado anteriormente, a respeito do tipo de conexão Y, a relação de tensão entre linha e fase é de √3., logo para ambos os lados do transformador esta relação será válida. No entanto, existirá uma defasagem de 30º entre a tensão de linha e fase da cada lado do transformador, enquanto que as correntes de linha ou de fase, já que são numericamente e vetorialmente iguais, acompanharão o sinal senoidal das tensões de linha ou de fase respectivamente, já que as cargas consideradas são do tipos unicamente resistivas no lado secundário.
As figuras 3.b e 3.c, abaixo fazem uma demonstração da defasagem entre tensão de
linha e de fase, correntes de linha ou fase e as suas relações numéricas em termos de
valor.
1º e 2ºVF – Verde VL - Vermelho
1º e 2ºIF – VerdeIL – Vermelho
Obs.: O gráfico reflete a cor laranja devido a mistura das 2 cores, verde e vermelho!
• 2.2 Transformador Y-∆
Ao lado, através da figura 4.a,
pode-se observar o tipo de acoplamento
entre os bobinados no transformador do
tipo Y-∆, cujos tipos de conexão foram
explicados anteriormente. A relação de
tensão linha e fase no lado primário será
de √3, e no lado secundário, esta relação
Figura 3.b
Figura 3.c
Figura 4.a
será existente para as correntes de linha e de fase. Em relação as defasagens, no lado
primário, existirá uma defasagem de 30º entre a tensão de linha e fase e as correntes de
linha e de fase estarão com uma defasagem de 0º, já que são numericamente e
vetorialmente iguais; enquanto que no lado secundário existirá uma defasagem de 30º
entre a corrente de linha e fase; e as tensões de linha e de fase estarão com uma
defasagem de 0º já que são numericamente e vetorialmente iguais.
As figuras 4.b e 4.c abaixo fazem demonstração da defasagem entre tensão de
linha e de fase no lado primário, e correntes de linha e fase no lado secundário.
1ºVF – Verde VL – Vermelho
2ºIF – VerdeIL – Vermelho
1ºIF – VerdeIL – Vermelho2ºVF – Verde VL – VermelhoObs.: O gráfico reflete a cor laranja devido a mistura das 2 cores, verde e vermelho!
2.3 Transformador ∆-Y
Ao lado, através da figura 5.a,
pode-se observar o tipo de acoplamento
entre os bobinados no transformador do
tipo ∆-Y. Este tipo de sistema possui
comportamento inverso ao sistema do
tipo Y-∆. A relação de corrente de linha
e fase no lado primário será de √3, e no
lado secundário, esta relação será
Figura 4.b
Figura 4.c
Figura 5.a
existente para as tensões de linha e de fase. Em relação as defasagens, no lado primário
existirá uma defasagem de 30º entre a corrente de linha e fase; e as tensões de linha e de
fase estarão com uma defasagem de 0º já que são numericamente e vetorialmente iguais;
enquanto que no lado secundário a relação de tensão linha e de fase será de √3, onde
existirá uma defasagem de 30º entre a tensão de linha e fase e as correntes de linha e de
fase estarão com uma defasagem de 0º, já que são numericamente e vetorialmente
iguais.
As figuras 5.b e 5.c abaixo fazem demonstração da defasagem entre tensão de
linha e de fase no lado primário, e correntes de linha e fase no lado secundário.
1ºIF – VerdeIL – Vermelho2ºVF – Verde VL – VermelhoObs.: O gráfico reflete a cor laranja devido a mistura das 2 cores, verde e vermelho!
1ºVF – Verde VL – Vermelho
2ºIF – VerdeIL – Vermelho
• 2.4 Transformador ∆-∆
Ao lado, através da figura 6.a,
pode-se observar o tipo de acoplamento
entre os bobinados no transformador do
tipo -Δ, em que foi explicado
anteriormente, a respeito do tipo de
Figura 5.b
Figura 5.c
Figura 6.a
conexão . A relação de corrente de linha e fase é de √3, logo, para ambos os lados do
transformador esta relação será válida. No entanto, existirá uma defasagem de 30º entre
as correntes de linha e fase da cada lado do transformador, enquanto que as tensões de
linha ou de fase, já que são numericamente e vetorialmente iguais, já que as cargas
consideradas são do tipos unicamente resistivas no lado secundário, assim como a
alimentação é ideal.
As figuras 6.b e 6.c abaixo fazem demonstração da defasagem entre correntes de
linha e de fase, e tensão de linha ou fase.
1º e 2ºIF – VerdeIL – Vermelho
Figura 6.b1º e 2ºVF – VerdeVL – VermelhoObs.: O gráfico reflete a cor laranja devido a mistura das 2 cores, verde e vermelho!
Figura 6.c
Aplicações Gerais dos Transformadores
Os transformadores trifásicos são
requisitados e aplicados de acordo com a
necessidade, de forma que proporcione
além da segurança, economia em seu
sistema de implantação, evitando gastos
desnecessários. Os do tipo Y-Δ, são
utilizados em estações elevadoras logo
após as usinas de geração de energia e
antes das linhas de transmissão, cujo intuito principal é diminuir os custos em relação às
linhas de transmissão, fazendo o uso de 3 cabos de transmissão, ao invés de 4, caso
fosse do lado Y (sendo o 4 para o terra). Assim, como os do tipo -Y, são utilizados num
sistema de lógica inversa, em que
na distribuição pelo simples fato de
sempre existir desequilíbrio, logo a
alimentação fará uso do condutor
neutro do sistema, assim como é de
interesse para diversos tipos de
consumidores, o tipo de tensão mais
baixa que é a de fase, que utiliza o
neutro do sistema. Assim como o do
tipo Y-Y é também utilizado em
estações de elevação e de
abaixamento. Enquanto que o do tipo
- é utilizado, por exemplo, em tipos de distribuições que necessitam de elevação em
meio ao caminho, devido as perdas que foram geradas.
3.Acessórios
A figura apresenta um esquema de um transformador de potência. O
transformador de potência é um transformador trifásico, e o modelo apresentado abaixo
é frequentemente utilizado em subestações para elevação ou abaixamento.
Nota-se a presença das buchas de Alta Tensão (maiores) e as de Baixa Tensão
(menores), onde se conectam os cabos para transmissão ou distribuição. O tanque é
um compartimento onde se encontra a parte ativa (enrolamentos) e é preenchido com
um comum fluido dielétrico, geralmente, óleo mineral. Como os enrolamentos da parte
ativa se aquecem muito, é necessário que haja um sistema de refrigeração, por esse
motivo a parte ativa é envolvida em óleo que além de contribuir para a isolação, permite
a troca de calor com o ambiente. Esta troca ocorre quando o óleo que circula nos
radiadores, pois ao se aquecer, o óleo ocupa a parte superior do tanque entrando na
tubulação que leva ao radiador.
Visando aumentar a eficiência do sistema de refrigeração, acrescenta-se
ventilação forçada aos radiadores e o óleo também pode ser forçado a circular.
Como o fluido dielétrico deve preencher totalmente o tanque do transformador, é necessário compensar a variação do volume do fluido nas variações da temperatura do equipamento. Esta é a função do tanque de expansão ou compensação do transformador: propiciar um espaço livre para o aumento de volume do fluido, no caso de um aumento de temperatura, ou manter uma reserva de fluido, no caso de queda da temperatura.
Na parte ativa, os enrolamentos de baixa tensão ficam enrolados por baixo dos de alta tensão. Os condutores são geralmente de cobre, e muito raramente de alumínio e possuem seção reta retangular para facilitar a sua disposição no núcleo. A isolação dos condutores é feita com material isolante à base de celulose, um papel isolante, que tem suas características isolantes melhoradas quando as fibras de celulose são impregnadas com o óleo isolante. A parte ativa também é comprimida pelo disco de compressão a fim de evitar uma possível movimentação vertical.
Os espaçamentos entre as camadas de condutores permitem a circulação do fluido para que este possa retirar o calor gerado pelo enrolamento. A função dos espaçadores, então, é manter este caminho de circulação e assegurar a rigidez mecânica do conjunto do enrolamento. Os espaçadores são feitos de cartão prensado ou de madeira seca.
O núcleo, é constituído de aço-silício que é um material que combina grande permeabilidade magnética e resistência mecânica. O mesmo núcleo encontra-se preso pela estrutura de sustentação, a fim de evitar qualquer movimentação devido a esforços eletromecânicos provocados pela interações dos campos magnéticos internos no núcleo.
4 Considerações Finais
As máquinas elétricas em geral possuem cada uma as suas especificidades, o que
não difere dos transformadores. Estes possuem uma gama de aplicações específicas, que
devem ser exploradas para o melhor aproveitamento possível de recursos, sejam estes
em pequenos, médios ou grandes equipamentos, estabelecimentos, empresas,...,
indústrias.
Sendo que à tempos ele já se fazem presentes no nosso dia-a-dia, tanto que até
mesmo outros tipos de fontes energéticas foram adaptadas para conversão de seu tipo de
energia primária na que mais se faz presente nos tempos modernos, a energia elétrica, e
os transformadores sempre sendo aplicados, já que aliados a alta confiabilidade,
possuem o maior rendimento entre as máquinas elétricas existentes, beirando os 99%
nos dias de hoje.
Logo, diante de todas as suas aplicações e a sua necessidade inevitável no
mundo, os transformadores ganham destaque e mostram quanto o mundo atual se faz
dependente do mesmo, como forma de economia em transmissão, eficiência em
transmissão e elevação e rebaixamento de características físicas. Podemos então,
afirmar que os Transformadores são máquinas que permanecerá no auge por um
indeterminado tempo, e por que não para sempre.
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GUSSOW, Milton. Eletricidade Básica. 2ª Edição, Makron Books, 2004. JORDÃO,
Rubens Guedes. Transformadores. Editora Edgard Blücher LTDA, 2002.
MICHELIS, Leandro. Universidade do Estado de Santa Catarina. Disponível em:
http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/michels/materiais/EPO1___Estudo_dig
itido___Transformadores.pdf>. Acesso em: maio. 2010.
DIAS, Victor da Fonte. Sebenta Multimédia,1996/1997. Disponível em:
http://www.ufrgs.br/eng04030/aulas/teoria/cap_13/tiaptran.htm>. Acesso em: maio. 2010.
SILVA, Fabrício Luiz. Universidade Federal de Juiz de Fora, 2004. Disponível em:
http://www.ufjf.br/ppee/files/2008/12/211035.pdf>. Acesso em: maio. 2010. GUEDES,
Manoel Vaz. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2007. Disponível em:
http://paginas.fe.up.pt/histel/RH-transptrif.pdf >. Acesso em: maio. 2010.
CAMARGO, Ivan. 2007. Disponível em:
http://www.dsee.fee.unicamp.br/~sato/ET515/node59.html>. Acesso em: maio. 2010.
25
2
