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AULA 2 MÁQUINAS ELÉTRICAS: TRANSFORMADORES Prof. Samuel Polato Ribas 2 TEMA 1 – CIRCUITO EQUIVALENTE DO TRANSFORMADOR MONOFÁSICO O circuito equivalente do transformador é uma forma de representar o transformador e suas não idealidades, por meio de um circuito elétrico, de modo que seja possível realizar a análise por meio dos conceitos, leis e teoremas que regem o conhecimento sobre eletricidade. Em um transformador real, os enrolamentos e o núcleo possuem não idealidades. Os enrolamentos do primário e do secundário têm uma resistência e uma reatância de dispersão, que são representadas por r1, jx1, r2 e jx2. E o núcleo do transformador tem uma resistência que é responsável pelas perdas ôhmicas no núcleo em paralelo com uma reatância, que é responsável pela magnetização do núcleo. Considerando essas não idealidades e uma carga conectada ao transformador, o circuito equivalente fica conforme mostrado na Figura 1. Figura 1 – Circuito equivalente do transformador real com carga No circuito da Figura 1, as grandezas do primário e do secundário estão separadas devido à existência da isolação galvânica existente entre os dois lados. Sendo assim, a análise do circuito torna-se mais complexa. Para que seja possível realizar a análise do circuito equivalente do transformador com os modelos clássicos de análise de circuitos elétricos, utiliza-se uma técnica chamada de referenciação, que consiste em representar as grandezas de um dos lados do transformador no outro lado, sem alterar as características do circuito. Para isso, emprega-se a relação de transformação k. Ao serem referenciadas as grandezas do primário para o secundário do circuito equivalente da Figura 1, é obtido o circuito elétrico da Figura 2. 3 Figura 2 – Circuito equivalente do transformador real com o secundário ao lado primário No circuito da Figura 2, as grandezas indicadas por “linha” (‘) são as grandezas do secundário que foram referidas ao primário utilizando a relação de transformação, com exceção de I1’. Com base no circuito equivalente da Figura 2, podemos obter o circuito equivalente simplificado do transformador. O circuito equivalente simplificado é utilizado quando a corrente de magnetização do núcleo, Im, é desconsiderada. Dessa forma, a corrente do núcleo do transformador, Io, pode ser considerada desprezível. Assim, o circuito equivalente do transformador fica como mostrado na Figura 3. Figura 3 – Circuito equivalente do transformador desconsiderando a corrente de magnetização Como tratado até agora, as grandezas do secundário foram referidas ao primário, porém é possível trabalhar com as grandezas do primário referidas ao secundário. A inserção da isolação nos circuitos da Figura 4 e da Figura 5 melhoram o entendimento de como as referenciações são feitas e de como o circuito deve ser trabalhado. 4 Figura 4 – Circuito equivalente do transformador simplificado referido ao primário com isolação e desconsiderando a corrente de magnetização Figura 5 – Circuito equivalente do transformador simplificado referido ao secundário com isolação e desconsiderando a corrente de magnetização Na Figura 4, finalmente aparece a tensão V2’. Para compreender o que representa essa tensão, considere como exemplo um transformador que traz em sua placa a seguinte inscrição: 100kVA e 13800/220V. Considerando o transformador como abaixador, o valor de 220V é o valor da tensão aplicada à carga, V2, quando circula a corrente nominal pelos enrolamentos. Já o valor de 13800V é o valor da tensão do secundário multiplicado pela relação de transformação com o secundário referido ao primário, ou seja, é igual a V2’. Já o valor da potência de 100kVA significa que o secundário do transformador fornece uma corrente I2 com uma tensão V2 igual a nominal, sendo que o produto de V2 e I2 é igual a 100kVA. TEMA 2 – DIAGRAMA FASORIAL DO TRANSFORMADOR O diagrama fasorial é uma ferramenta utilizada para representar as grandezas fasoriais do circuito equivalente do transformador por meio de fasores. 5 Dessa forma, é possível obter uma visão global de como essas grandezas se comportam umas em relação às outras. A Figura 6 apresenta o diagrama fasorial do circuito equivalente da Figura 1, considerando uma carga com característica indutiva. Figura 6 – Diagrama fasorial do transformador real a com carga indutiva Na Figura 6, inicia-se a representação pela tensão induzida no enrolamento primário E1, que dá origem ao fluxo magnético Φ, e consequentemente à tensão induzida E2. Perceba que a tensão E1 está sendo diretamente aplicada às não idealidades do núcleo do transformador, rHF e xm. Sendo assim, a corrente IHF fica em fase com E1, já que rHF é um elemento puramente resistivo, e Im fica atrasada de 90º graus em relação à tensão E1, por ser uma corrente com característica puramente indutiva. Somando vetorialmente IHF com Im, chega-se ao vetor da corrente Io. Por possuir uma característica indutiva, a corrente do enrolamento primário, I1’, fica atrasada em relação à tensão E1. Aplicando a lei de Kirchhoff das correntes, percebe-se que I1 é a soma de Io com I1’. Portanto, somando estas correntes, chega-se ao vetor da corrente I1. Perceba também que a corrente I1 passa pelas não idealidades do enrolamento primário, causando uma queda de tensão em r1 e em jx1. A queda de tensão em r1 está em fase com a corrente que dá origem a ela. Já queda de tensão em jx1 está 90º adiantada em relação à corrente que deu origem a ela. Note que, ao se somar a tensão induzida no enrolamento primário com as quedas de tensão das não idealidades dos enrolamentos, chega-se ao valor da tensão aplicada pela fonte, V1, bem como à sua representação no diagrama fasorial. 6 No lado secundário, a corrente I2 está 180º defasada em relação à corrente I1’, lembrando que este defasamento é apenas para uma questão de uma melhor representação do diagrama fasorial. A corrente I2 passará pelas não idealidades do enrolamento secundário, e consequentemente resultará em uma queda de tensão no enrolamento. A queda de tensão sobre a resistência do enrolamento secundário r2, estará em fase com a tensão aplicada à carga V2. E a queda de tensão na reatância do enrolamento secundário jx2 estará 90º adiantada em relação à queda de tensão em r2. Como a carga é indutiva, a tensão sobre a carga V2 deve estar adiantada em relação à corrente I2, e o ângulo θ2 formado entre elas é o ângulo da carga, cujo cosseno é o fator de potência da carga. Somando a tensão sobre a carga com as quedas de tensão no enrolamento secundário, chega-se ao vetor da tensão induzida no enrolamento secundário, E2. Figura 7 – Diagrama fasorial do transformador real a com carga resistiva Seguindo o mesmo raciocínio, podemos chegar ao diagrama fasorial do transformador com carga resistiva, mostrado na Figura 7, e ao diagrama fasorial do transformador com carga com característica capacitiva, mostrado na Figura 8. Entretanto, deve-se ficar atento ao defasamento das correntes em cada um dos casos. 7 Figura 8 – Diagrama fasorial do transformador real a com carga capacitiva Comparando os diagramas fasoriais das Figuras 6, 7 e 8, nota-se que, com exceção da tensão induzida E2, a corrente e as quedas de tensão alteram o seu defasamento em função da característica da carga. Por isso, os diagramas fasoriais representam o comportamento das grandezas para uma situação de carga específica. Qualquer alteração no fator de potência da carga altera o defasamento da corrente do secundário, e consequentemente das grandezas que dependem dela. TEMA 3 – ENSAIO A VAZIO O ensaio a vazio, também chamado ensaio de perdas no ferro, ou ensaio com transformador aberto, tem comoprincipais objetivos a determinação das perdas no núcleo do transformador, os parâmetros do núcleo e o fator de potência a vazio. O esquema de ligação do ensaio a vazio é mostrado na Figura 9. Figura 9 – Esquema de ligação do ensaio a vazio 8 O procedimento para realizar o ensaio consiste em elevar a tensão da fonte variável gradativamente, de 0V até a tensão nominal do lado que está sendo energizado, enquanto o outro lado do transformador permanece em aberto ou com um voltímetro conectado. Quando o voltímetro do primário medir um valor igual à tensão, são registrados os valores de V1 que corresponde à tensão nominal do transformador, Io, que, por sua vez, corresponde à corrente consumida pelo núcleo do transformador e Po, que corresponde a potência consumida pelo núcleo. Note que os terminais energizados são X0 e X1, que correspondem ao lado de baixa tensão do transformador. Embora qualquer um dos lados possa ser energizado, normalmente opta-se pela energização do lado de baixa tensão. Isso ocorre devido ao fato de esse tipo de ensaio normalmente ser realizado em laboratório, onde é mais viável a obter uma fonte de baixa tensão. Como a corrente durante o ensaio é baixa e a tensão aplicada é igual à nominal do lado de baixa tensão, normalmente a fonte não necessita de uma potência elevada. Como o secundário do transformador permanece aberto, a corrente I2 é igual a zero, o que significa que não haverá perda no enrolamento secundário, portanto a tensão induzida no enrolamento E2 será igual à tensão que seria aplicada a carga V2. Além disso, como a corrente que circulará pelo enrolamento primário é baixa, pode-se desconsiderar a queda de tensão no enrolamento. Dessa forma, o circuito considerado para os cálculos, após a coleta dos dados é mostrado na Figura 10. Observando o circuito da Figura 10, nota-se que toda a corrente fornecida pela fonte é para suprir as perdas ôhmicas do núcleo e para a sua magnetização. Portanto, a potência que a fonte fornece é a potência absorvida pelo núcleo. Figura 10 – Circuito equivalente do transformador a vazio 9 Como toda a potência ativa fornecida pela fonte é para o núcleo, no ensaio a vazio a potência registrada pelo wattímetro é a potência Po, a corrente registrada pelo amperímetro é a corrente consumida pelo núcleo, Io, e a tensão medida pelo voltímetro é a tensão nominal do lado energizado. Portanto, como o transformador está a vazio, é possível calcular o fator de potência a vazio do transformador que será representado por cosϴo. Matematicamente, é possível calcular o fator de potência a vazio do transformador pela equação 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃𝑜𝑜 = 𝑃𝑃𝑜𝑜 𝑉𝑉1 ∙ 𝐼𝐼𝑜𝑜 (1) Assim como qualquer carga em corrente alternada o transformador também possui uma potência ativa, uma reativa e uma aparente, que podem ser representadas pelo triângulo de potências. No transformador a vazio, o fator de potência a é igual ao cosseno do ângulo formado entre a tensão aplicada pela fonte e a corrente absorvida pelo núcleo. Assim, conhecendo o fator de potência do transformador que é o cosseno do ângulo ϴo, a potência reativa do transformador a vazio, representada por Qo, pode ser calculada por 𝑄𝑄𝑜𝑜 = 𝑉𝑉1 ∙ 𝐼𝐼𝑜𝑜 ∙ 𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝜃𝜃𝑜𝑜 (2) Como pode der observado no circuito da Figura 10, a corrente a vazio IO é composta de duas parcelas. Essas parcelas são a corrente magnetizante, representada por Im, e a corrente responsável por suprir as perdas ôhmicas no núcleo IHF. A corrente IO juntamente com a corrente Im e a corrente IHF podem ser representadas fasorialmente, como mostrado na Figura 11. Figura 11 – Representação fasorial das correntes do núcleo de um transformador Perceba que, de acordo com a Figura 11, é possível lançar mão das relações trigonométricas, a partir do ângulo ϴo, e da corrente Io, para calcular os valores de Im e IHF, que são dados por 𝐼𝐼𝑚𝑚 = 𝐼𝐼𝑜𝑜 ∙ 𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝜃𝜃𝑜𝑜 (3) 10 e 𝐼𝐼𝐻𝐻𝐻𝐻 = 𝐼𝐼𝑜𝑜 ∙ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃𝑜𝑜 (4) Como se sabe, o núcleo do transformador é representado por uma resistência rHF, responsável pelas perdas no núcleo, e uma reatância xm, responsável pela magnetização do núcleo quando percorrida pela corrente Im. Estes parâmetros podem ser calculados com base na análise da Figura 10. Note que a fonte de alimentação V1, fica diretamente aplicada sobre os componentes que representam o núcleo. Perceba ainda que, conhecendo separadamente o valor das correntes IHF e Im, é possível determinar a resistência e a reatância do núcleo. É fácil notar que a corrente IHF é a corrente que circula pela resistência do núcleo, e que a corrente de magnetização Im é a que circula pela reatância magnetizante. Portanto, as componentes do núcleo podem ser determinadas matematicamente por 𝑟𝑟𝐻𝐻𝐻𝐻 = 𝑉𝑉1 𝐼𝐼𝐻𝐻𝐻𝐻 = 𝑉𝑉12 𝑃𝑃𝑜𝑜 e 𝑥𝑥𝑚𝑚 = 𝑉𝑉1 𝐼𝐼𝑚𝑚 = 𝑉𝑉12 𝑄𝑄𝑜𝑜 (5) Analisando ainda o circuito da Figura 10, nota-se que o núcleo é representado por rHF em paralelo com xm. Portanto, existe uma impedância equivalente, representada por zφ que representa o núcleo como um todo. O cálculo da impedância do núcleo pode ser feito com base na associação paralela de rHF com xm, dada por 𝑧𝑧𝜙𝜙 = 𝑟𝑟𝐻𝐻𝐻𝐻 ∙ 𝑗𝑗𝑥𝑥𝑚𝑚 𝑟𝑟𝐻𝐻𝐻𝐻 + 𝑗𝑗𝑥𝑥𝑚𝑚 = 𝑉𝑉1∡0º 𝐼𝐼𝑜𝑜∡ − 𝜃𝜃𝑜𝑜 (6) TEMA 4 – ENSAIO A PLENA CARGA O ensaio a plena carga, também chamado de ensaio de curto-circuito ou ensaio de perdas no cobre, tem como principal objetivo determinar as perdas nos enrolamentos do transformador e a impedância percentual do transformador. O ensaio é realizado levando-se em conta a montagem do circuito mostrado na Figura 12. 11 Figura 12 – Esquema de ligação do ensaio a plena carga O procedimento para a realização do ensaio consiste em elevar gradativamente a tensão da fonte de alimentação variável, até o valor em que o amperímetro conectado no lado energizado mostre o valor da corrente nominal do lado de energizado. Quando isso ocorrer, devem ser registrados os valores indicados no voltímetro, V1PC, que é chamada tensão de curto-circuito, a corrente do amperímetro, I1PC, que é a corrente nominal do lado energizado e a potência P1PC, que é a potência consumida pelos enrolamentos referidos ao lado de energizado. Note que o lado energizado é o lado de alta tensão, indicado pelos terminais H0 e H1. Embora qualquer um dos lados possa ser energizado, nesse ensaio costuma-se energizar o lado de alta tensão devido ao fato de a fonte de alimentação ter que fornecer a corrente nominal. Como o lado de maior corrente está diretamente curto-circuitado, a única impedância que limita a corrente é a impedância dos enrolamentos, que é baixa, portanto um pequeno valor de tensão aplicada pela fonte é o suficiente para que o amperímetro acuse o valor da corrente nominal. Como a tensão aplica pela fonte é muito pequena em relação ao valor da tensão nominal do lado que está sendo energizado, a indução de fluxo magnético no núcleo do transformador é pequena, o que resulta em uma corrente Io muito pequena em relação à corrente nominal do transformador. Dessa forma, é admissível desprezar a corrente do núcleo, ou seja, considerar IO igual a zero. Se Io é igual a zero, então isso significa que não existe corrente circulando pelo núcleo. Assim, as suas componentes podem ser desconsideradas, resultando no circuito mostrado na Figura 13. 12 Figura 13 – Circuito equivalente do transformador no ensaio a plena carga Embora a tensão V1PC e a corrente I1PC seja grandezas vetoriais, para os cálculos relacionados ao ensaio a plena carga, o ângulo não é relevante, portanto elas serão representadas apenas por seu valor eficaz. Pelo fato de o núcleo ser desconsiderado, toda a potência absorvida pelo transformador é consumida pelos enrolamentos.Note que o circuito da Figura 13 é um circuito com duas impedâncias em série. Como a impedância do secundário foi referida ao primário, a impedância equivalente será referida ao primário. Após a associação das impedâncias, o circuito resultante é o mostrado na Figura 14. Figura 14 – Circuito equivalente reduzido do transformador no ensaio a plena carga Como mencionado anteriormente, um dos objetivos é o cálculo da impedância percentual, que é um dado de placa do transformador. A impedância é expressa em termos percentuais devido ao fato de que o ensaio a plena carga pode ser realizado energizando o lado de alta ou de baixa tensão. Se o ensaio for realizado energizando o lado de alta tensão, a impedância do enrolamento de baixa tensão deve ser referida para o lado de alta tensão. Já se o ensaio for realizado energizando o lado de baixa tensão, a impedância do enrolamento do lado de alta tensão deve ser referida para o lado de baixa tensão. Dessa forma, o resultado da impedância seria dependente do lado do transformador que fosse energizado no ensaio. Expressando a impedância em termos percentuais, este 13 problema é eliminado. A impedância percentual, aqui representada por Z(%), é por definição, dada pela relação entre a tensão aplicada no ensaio a plena carga e a tensão nominal do lado energizado, multiplicado por cem. Matematicamente, 𝑍𝑍(%) = 𝑉𝑉1𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑉𝑉1𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 ∙ 100 (6) Outro dado importante que pode ser calculado considerando os dados e cálculos do ensaio a plena carga é o ângulo interno do transformador. Matematicamente, é dado por 𝜑𝜑′ = 𝑎𝑎𝑟𝑟𝑐𝑐𝑎𝑎𝑎𝑎 � 𝑋𝑋1𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑅𝑅1𝑃𝑃𝑃𝑃 � (7) e representa o ângulo formado entre a reatância dos enrolamentos e a resistência deles na temperatura de regime do transformador. Essa é uma grandeza importante no caso da operação de transformadores em paralelo. Nesse caso, os transformadores que serão ligados em paralelo e devem ter o mesmo ângulo interno. Para o cálculo do ângulo interno do transformador, deve-se levar em conta as seguintes equações. 𝑅𝑅1𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑃𝑃1𝑃𝑃𝑃𝑃 𝐼𝐼1𝑃𝑃𝑃𝑃2 (8) 𝑍𝑍1𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑉𝑉1𝑃𝑃𝑃𝑃 𝐼𝐼1𝑃𝑃𝑃𝑃 (9) 𝑋𝑋1𝑃𝑃𝑃𝑃 = �𝑍𝑍1𝑃𝑃𝑃𝑃2 − 𝑅𝑅1𝑃𝑃𝑃𝑃2 (10) TEMA 5 – CORRENTE DE CURTO-CIRCUITO, REGULAÇÃO E RENDIMENTO Além de permitir a determinação dos parâmetros do circuito equivalente do transformador, os resultados dos ensaios a vazio e a plena carga permitem a determinação de parâmetros de funcionamento do transformador. Esses parâmetros são relevantes para saber como o transformador irá se comportar em função da carga que está conectado ao seu secundário. Um desses parâmetros é a regulação de tensão. A regulação de tensão do transformador é, por definição, a diferença entre a tensão no secundário com o transformador a vazio e a plena carga. Matematicamente, 14 𝑅𝑅𝑠𝑠𝑎𝑎 = 𝐸𝐸2 − 𝑉𝑉2 (11) Na prática, o mais comum é expressar a regulação em termos percentuais, em função de valores que possam ser diretamente medidos ou calculados. Assim, a regulação percentual é calculada em função do módulo da tensão aplicada pela fonte e pela relação de transformação, tal que 𝑅𝑅𝑠𝑠𝑎𝑎(%) = |𝑉𝑉1� | 𝑘𝑘 − |𝑉𝑉2� | |𝑉𝑉2� | ∙ 100 (12) onde 𝑉𝑉1� = 𝑘𝑘 ∙ 𝑉𝑉2∡0º + 𝐼𝐼1𝑃𝑃𝑃𝑃∡𝜃𝜃2 ∙ 𝑍𝑍1𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑡𝑡𝑡𝑡∡𝜑𝜑′ (13) Na equação (14), o ângulo θ2 é o ângulo da carga, cujo cosseno será o fator de potência da carga. Se a carga possuir característica indutiva, o ângulo θ2 será negativo; se a carga possuir característica capacitiva ele será positivo; e se a carga possuir característica resistiva, ele será igual a zero. A regulação percentual também pode ser expressa em função da impedância percentual e da carga, conforme mostra a equação 𝑅𝑅𝑠𝑠𝑎𝑎(%) = 𝑍𝑍(%) ∙ cos (𝜑𝜑′ − 𝜃𝜃2) (14) Com base no valor da impedância percentual, também é possível determinar o valor das correntes de curto-circuito do lado de alta e de baixa tensão, dadas por 𝐼𝐼𝑃𝑃𝑃𝑃,𝐴𝐴𝐴𝐴 = 100 ∙ 𝑆𝑆𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 𝑍𝑍(%) ∙ 𝑉𝑉𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁,𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑠𝑠 𝐼𝐼𝑃𝑃𝑃𝑃,𝐵𝐵𝐴𝐴 = 100 ∙ 𝑆𝑆𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 𝑍𝑍(%) ∙ 𝑉𝑉𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁,𝐵𝐵𝐴𝐴 (16) Por fim, vamos ver a definição matemática de um dos aspectos mais importantes do transformador, o rendimento percentual. O rendimento percentual de uma máquina é a relação entre a potência útil de saída pela potência útil de entrada multiplicada por 100. No caso particular dos transformadores, a potência útil de saída é a potência ativa da carga, e a potência útil de entrada é a potência ativa que é repassada para a carga, mais as potências de perdas no cobre e no ferro, ou seja, é a potência ativa que ele absorve da fonte de alimentação. A potência de perdas no núcleo é determinada no ensaio a vazio, e a potência de perdas no cobre no ensaio a plena carga. Portanto, para a determinação do rendimento, são necessários dados dos dois ensaios. Matematicamente, o rendimento percentual de um transformador pode ser dado por 15 𝜂𝜂(%) = 𝑆𝑆𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 ∙ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃2 𝑆𝑆𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 ∙ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃2 + 𝑃𝑃𝑜𝑜 + 𝑃𝑃1𝑃𝑃𝑃𝑃 ∙ 100 (15) 16 REFERÊNCIAS CHAPMAN, S. J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. UMANS, S. D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2014.