Aula 07 - Transformadores Trifásicos

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MÁQUINAS ELÉTRICAS
Prof. Me. RAIMUNDO CEZAR CAMPOS DO NASCIMENTO
UNIDADE 1 - TRANSFORMADORES
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1
Os enrolamentos do transformador podem ser ligados em estrela ou em triângulo independente das ligações usadas nos enrolamentos do primário ou secundário. Assim existem quatro modos de ligar os transformadores trifásicos:
Estrela – Estrela;
Triangulo – Triangulo;
Estrela – Triangulo;
Triangulo – Estrela. 
Transformadores Trifásicos
O transformador trifásico é, basicamente, a conexão de três transformadores monofásicos. Em algumas aplicações é usado apenas um circuito magnético. Em outras, o transformador trifásico é composto por três transformadores monofásicos separados. 
Transformadores Trifásicos
Delta (Triângulo)
Estrela Y (Hipslon)
Transformadores Trifásicos
Ligação Estrela - Estrela 
 Transformadores nos quais os enrolamentos de alta e de baixa tensão são ligados em estrela sem neutro central, se prestam para transferência de grandes potências nas redes de distribuição de energia.
 
Transformadores Trifásicos
Ligação Estrela - Estrela 
 
Transformadores Trifásicos
Ligação Estrela - Estrela 
A ligação Y–Y tem dois problemas muito sérios:
1. Se as cargas no circuito do transformador estiverem desequilibradas, as tensões nas fases do transformador podem se tornar gravemente desequilibradas.
2. As tensões das terceiras harmônicas podem ser elevadas.
Se um conjunto de tensões trifásicas for aplicado a um transformador Y–Y, a tensão de cada fase está distanciada 120° das tensões das demais fases. Entretanto, as componentes de terceira harmônica de todas as fases estarão em fase entre si, já que há três ciclos de terceira harmônica para cada ciclo de frequência fundamental.
O resultado é uma componente de tensão de terceira harmônica muito grande, maior do que a tensão fundamental de 50 ou 60 Hz, ou seja a tensão de terceira harmônica pode ser superior à própria tensão fundamental.
Transformadores Trifásicos
Ligação Estrela - Estrela 
Os problemas de desequilíbrio e de terceira harmônica podem ser resolvidos utilizando uma das duas técnicas seguintes:
Aterrar solidamente os neutros dos transformadores, especialmente o neutro do enrolamento primário. 
Essa conexão permite que as componentes aditivas de terceira harmônica causem uma circulação de corrente que escoa para o neutro em vez de se somarem produzindo tensões elevadas. O neutro também proporciona um caminho de retorno para quaisquer desequilíbrios de corrente na carga.
2. Acrescentar um terceiro enrolamento (terciário) ligado em delta ao banco de transformadores. 
Se um terceiro enrolamento ligado em for acrescentado ao transformador,
as componentes de terceira harmônica de tensão da ligação irão se somar, causando um fluxo de corrente que circula dentro do enrolamento. Isso suprime as componentes de terceira harmônica da tensão, da mesma maneira que ocorre quando se faz o aterramento dos neutros do transformador. 
Transformadores Trifásicos
Ligação Triângulo - Triângulo 
 
Esse transformador não apresenta nenhum deslocamento de fase e não tem problemas de cargas desequilibradas ou harmônicas.
Transformadores Trifásicos
Ligação Estrela - Triângulo 
 
A ligação não apresenta problemas com as componentes de terceira harmônica em suas tensões, porque elas são suprimidas por uma corrente que circula no lado 
Essa ligação também é mais estável em relação a cargas desequilibradas, porque o lado redistribui parcialmente qualquer desequilíbrio que possa ocorrer.
Transformadores Trifásicos
Ligação Estrela - Triângulo 
Contudo, essa configuração apresenta um problema. Devido à ligação, a tensão secundária é deslocada de 30° em relação à tensão primária do transformador. A
ocorrência desse deslocamento de fase pode causar problemas quando os secundários de dois bancos de transformadores são colocados em paralelo. Se esses enrolamentos secundários forem colocados em paralelo, os ângulos de fase deverão ser iguais. Isso significa que deveremos prestar atenção na determinação de qual é o sentido desse deslocamento de fase de 30° nos secundários de cada um dos bancos de transformadores que são colocados em paralelo. 
Transformadores Trifásicos
Ligação Triângulo - Estrela 
 
Essa ligação tem as mesmas vantagens e o mesmo deslocamento de fase que o transformador . A ligação atrasa a tensão do secundário em relação à tensão do primário em 30°.
Transformadores Trifásicos
Ligação Triângulo - Estrela 
Transformadores Trifásicos
O enrolamento de alta tensão de um transformador de corrente alternada deve ser construído para 6.000V e 17,3 A. Por razões econômicas deve-se escolher ligações estrela ou triângulo. 
Pede-se:
Com ligação estrela qual a tensão e a corrente?
Com a ligação em triângulo qual a tensão e a corrente?
2. Três transformadores se acham ligados em estrela no lado de alta tensão e em triângulo no lado de baixa tensão. Se a potência total fornecida é 300 KVA, a voltagem no secundário é de 200V. Calcule:
a) As tensões, as correntes e as potencias de cada transformador. 
Transformadores Trifásicos
3. Um transformador trifásico –Y de potência de 100 MVA e 230/115 kV tem resistência de 8 Ω e uma reatância 32 Ω. Os elementos do ramo de excitação são Rc = 26,4 kΩ e Xm = 5,3 kΩ 20 pu.
Se esse transformador alimentar uma carga de 80 MVA com FP 0,8 atrasado, desenhe o diagrama fasorial de uma das fases do transformador (representar tensões e correntes) e qual é a regulação de tensão do banco de transformadores nessas condições?;
Determine as perdas no transformador e a eficiência do transformador nas condições da parte.
Transformadores Trifásicos
Sistema Por unidade – PU 
A solução de um sistema interconectado com diferentes níveis de tensão implica em uma trabalhosa conversão dos valores de impedância para um único nível de tensão. No entanto, em sistema elétrico de potência se utiliza o sistema por unidade onde as várias grandezas físicas como potência, tensão, corrente, impedâncias são descritas como frações decimais de grandezas base. 
Desta forma os diferentes níveis de tensão são eliminados e a rede elétrica composta de geradores, transformadores, linha de diferentes níveis de tensão se reduzem a simples impedâncias.
Uma das vantagens é que os valores dos parâmetros das máquinas e dos transformadores ocorrem dentro de um intervalo numérico estreito, quando expressos com base em seus valores nominais.
Sistema adimensional
Grandezas como tensão, corrente, potência e impedância, podem ser transformadas na forma por unidade:
Depois que os valores de base de S e V foram escolhidos, todos os demais valores de base poderão ser computados facilmente
Sistema Por unidade – PU 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sistema Por unidade – PU 
 
 
Um sistema de potência monofásico consiste em um gerador de 480 V e 60 Hz alimentando uma carga Zcarga = 4 + j3 por meio de uma linha de transmissão de impedância Zlinha = 0,18 + j0,24. Suponha que um transformador elevador de tensão 1:10 seja colocado na extremidade da linha de transmissão que está junto ao gerador. Um outro transformador abaixador 10:1 é colocado na extremidade da linha de transmissão que está junto à carga, qual será a tensão sobre a carga? Quais serão as perdas na linha de transmissão?
Solução
Passo 1 - Na região do gerador definir os valores de base de tensão e potência, lembrando que a potência de base será a mesma para todo o sistema
Sistema Por unidade – PU 
 
 
 
 
impedância de fase referida ao lado de alta tensão
 
 
 
 
 
 
 
Transformadores Trifásicos
A tensão na carga a plena carga deve ser v = 1pu
Regulação de tensão desse transformador a plena carga com FP 0,8 atrasado
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Transformadores Trifásicos
 
 
 
Transformadores Trifásicos
3. Um banco trifásico de transformadores deve operar com 500 kVA e ter uma razão de tensões de 34,5/11 kV. Quais são as especificações nominais de cada transformador individualdo banco (alta tensão, baixa tensão, relação de espiras e potência aparente) se o banco de transformadores for ligado a (a) Y–Y, (b) Y– , (c) –Y, (d) – , (e) aberto e (f) Y aberto – aberto.
Transformadores Trifásicos
4. Três transformadores de distribuição de 20 kVA e 24.000/277 V são ligados em –Y. O ensaio a vazio foi executado no lado de baixa tensão desse banco de transformadores e os seguintes dados foram registrados: . O ensaio de curto-circuito foi executado no lado de alta tensão do banco de transformadores e os seguintes dados foram registrados: , 
Encontre o circuito equivalente por unidade do banco de transformadores. 
Encontre a regulação de tensão desse banco de transformadores para a carga nominal e FP 0,90 atrasado. 
Qual é a eficiência do banco de transformadores nessas condições?
Transformadores Trifásicos
Situação problema
 
O transformador deve ser removido para reparo.
Podemos realizar esta manutenção sem desligar a carga?
Caso a carga possa continuar em funcionamento, podemos admitir que a potência recebida será 2/3 da potência nominal?
Transformadores Trifásicos
Hipóteses a Verificar
Análise do problema
 
Essa é exatamente a mesma tensão que estaria presente se o terceiro transformador ainda estivesse ali. Essa fase C é denominada fase fantasma.
Para o transformador em triângulo aberto é importante observar que como uma das fases do transformador está ausente, a corrente da linha de transmissão é agora igual à corrente de fase de cada transformador e as correntes e tensões no banco de transformadores diferem agora em 30°.
A tensão no vazio deixado, onde o terceiro transformador estava, será dada por:
 
 
 
 
 
Transformadores Trifásicos
Análise do problema
 Como os ângulos de corrente e tensão são diferentes em cada um dos dois transformadores, é necessário examinar cada transformador individualmente para determinar a potência máxima que ele pode fornecer.
A corrente nominal é a mesma em cada transformador independentemente de haver dois ou três deles já que a tensão é a mesma em cada transformador. 
Assim, a razão entre a potência de saída disponível em um banco em triângulo aberto e a potência de saída disponível em um banco trifásico normal é:
 
 
 
 
Transformadores Trifásicos
 
 
 
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Conclusões
 A potência disponível no banco em triângulo aberto é apenas 57,7% do valor nominal original do banco. 
Em algumas situações, um banco de transformadores completo não pode ser utilizado para realizar transformações trifásicas, assim são empregadas técnicas para criar potência trifásica em localidades onde nem todas as três linhas de uma rede trifásica estão disponíveis. 
Por exemplo, em áreas rurais, uma companhia fornecedora de energia elétrica poderá instalar apenas uma ou duas das três fases de uma linha de distribuição, porque a demanda de energia naquela área não justifica o custo de estender os três fios. 
Se, ao longo de uma rede servida por uma linha de distribuição com apenas duas das três fases, houver um consumidor isolado que necessite de potência trifásica, essas técnicas poderão ser usadas para produzir potência trifásica para aquele consumidor local. 
 A potência reativa do banco em triângulo aberto será NULA , pois a potência reativa produzida por um transformador é consumida pelo outro em sua totalidade
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