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Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 1 de 21 O transformador Utilizados para viabilizar a transmissão de energia elétrica em alta tensão. • Usinas: para elevar a tensão (69 kV a 750 kV) • Subestações (centros de consumo): para rebaixar a tensão (13,8 e 23 kV) • Interligações: para compatibilizar os diversos níveis de tensão das LTs que aportam. Quadro – Potência instalada em subestações do setor elétrico brasileiro. POTÊNCIA INSTALADA EM SUBESTAÇÕES - MVA Em 31.12 2001 1999 2000 2001 Entradas Retiradas 25 kV/outras (1) 74.196,0 75.109,0 75.109,0 0,0 0,0 69 kV/outras 18.777,1 18.902,1 19.094,4 192,3 0,0 88 kV/outras 5.717,2 5.717,2 5.717,2 0,0 0,0 138 kV/outras 46.251,6 46.707,1 47.384,0 676,9 0,0 230 kV/outras 34.732,7 35.928,7 36.779,7 851,0 0,0 345 kV/outras 33.610,4 34.480,4 34.480,4 0,0 0,0 440 kV/outras 15.137,0 15.437,0 15.437,0 0,0 0,0 500 kV/outras 47.636,9 49.538,9 53.510,9 3.972,0 0,0 750 kV/outras 16.200,0 16.750,0 18.250,0 1.500,0 0,0 (1) Apenas transformadores elevadores de usinas Fonte: Boletim Semestral do SIESE Síntese 2001 (disponível em: http://www.eletrobras.gov.br/mercado/siese/). Objetivo: definir modelo do transformador para estudos de transmissão de potência elétrica em regime permanente (em condições equilibradas). Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 2 de 21 Transformador ideal de dois enrolamentos Transformador ideal → resistência dos enrolamentos é nula (tensão induzida pela variação do fluxo é igual à tensão terminal) e que a permeabilidade do núcleo é infinita (fluxo fica confinado ao núcleo e enlaça todas as espiras). ( )ti1 ( )tv1 + – N1 espiras ( )tmφ ( ) ( )tv2 + – ( )ti2 N2 espiras Fluxo em 1: ( ) ( )tt mφφ =1 Fluxo em 2: ( ) ( )tt mφφ =2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )t dt dNt dt dNtv t dt dNt dt dNtv m m φφ φφ 2222 1111 == == ( ) ( ) 2 1 2 1 N N tv tv = A potência instantânea de entrada, ( )tp1 , é igual a potência instantânea de saída, ( )tp2 : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )titvtitvtptp 221121 ⋅=⋅⇒= ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 1 2 2 1 N N tv tv ti ti == Enrolamentos onde se ligam as fontes de energia e as cargas são geralmente denominados primário e secundário, respectivamente. Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 3 de 21 Transformador ideal em regime permanente senoidal • 1I 2I Transformador Ideal • Ideal 1V + – 2V + – 21 :NN Regime permanente senoidal: 2 1 2 1 N N V V = ⇒ 1 1 2 2 V N NV = 1 2 2 1 N N I I = ⇒ 1 2 1 2 I N N I = Utilizando 1 2 N N a = (relação de espiras): 12 VaV = ⇒ 21 1V a V = 12 1 I a I = ⇒ 21 IaI = Reflexão de impedâncias: 2 2 2 1ref 2 Z N NZ = 1 2 1 2ref 1 Z N NZ = Exemplo – No circuito da Figura anterior, 20001 =N , 5002 =N , V 012001 o=V e A 3051 o−=I , quando uma impedância 2Z é ligada ao secundário. Determinar 2V , 2I , 2Z e a impedância ref2Z que é definida como sendo o valor de 2Z referido ao primário do transformador (impedância refletida). Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 4 de 21 Modelo do transformador ideal em pu Tensões nominais como tensões de base;. pri baseV – Tensão de base (nominal) do primário [kV] sec baseV – Tensão de base (nominal) do secundário: pribase 1 2sec base VN NV = [kV] baseS a potência de base do sistema: pri base basepri base V S I = pri base 2 1 pri base 1 2 base sec base basesec base IN N V N N S V S I === pri base 1 pu 1 V VV = ⇒=== pri base 1 pri base 1 2 1 1 2 sec base 2 pu 2 V V V N N V N N V VV pu 1pu 2 VV = pri base 1 pu 1 I II = ⇒=== pri base 1 pri base 2 1 1 2 1 sec base 2 pu 2 I I I N N I N N I II pu 1pu 2 II = – + pu 1I pu 2I pu 1V + – pu 2V + – Transformador Ideal em pu pu 2I pu 2V + – pu 1I pu 1V Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 5 de 21 Circuito equivalente do transformador real de dois enrolamentos mjx ( )ti1 ( )tv1 + – N1 espiras ( )tmφ ( )φ ( )tv2 + – ( )ti2 N2 espiras Fluxo disperso em 1: ( )tdisp1φ Fluxo disperso em 2: ( )tdisp2φ • 1I 2I Transformador Real • Ideal 1V + – 2V + – 21 :NN (a) Transformador real de dois enrolamentos. (b) Transformador real de dois enrolamentos em regime permanente. 11 jxr + 22 jxr + mr Resistências enrolamentos não são nulas ( 1r e 2r ); Existem fluxos dispersos (reatâncias 1x e 2x ); Ocorrem perdas (variações no sentido do fluxo, histerese, e correntes parasitas induzidas no núcleo). Secundário em aberto → corrente de magnetização (impedância de magnetização mr e mx ). Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 6 de 21 Quando todos os parâmetros ( 1r , 1x , 2r , 2x , mr e mx ) e grandezas ( 1V , 1I , 2V e 2I ) estão em pu, o transformador ideal pode ser omitido (substituído por um curto-circuito). mjx 1I 2I Transformador Real em pu 1V + – 2V + – 11 jxr + 22 jxr + mr mI Parâmetros série (resistência dos enrolamentos e reatância de dispersão: 1r , 1x , 2r e 2x ): determinados por intermédio do ensaio de curto-circuito. mjx pu 0121 =≈ II pu 012 =I 1V + – 02 =V + – 11 jxr + 22 jxr + mr 0≈mI Corrente nominal nos enrolamentos Magnetização desprezada 2211 1 1 jxrjxr I VZ +++== Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 7 de 21 Impedância de magnetização: determinada por intermédio do ensaio de circuito aberto mjx mII =1 02 =I pu 011 =V + – 2V + – 11 jxr + 22 jxr + mr mI Tensão nominal nos enrolamentos mm mm jxr jxrjxr I VZ + ⋅ ++== 11 1 1 Considerando as características dos grandes transformadores → perdas nos enrolamentos1 (devido a 1r e 2r ) e no núcleo2 (devido a mr e mx ) são muito pequenas (quando comparadas com nominalS . 1I 2I 1V + – 2V + – jx 21 jxjxjx += 1 Cujo valor nominal corresponde à diferença entre as perdas totais e as perdas em vazio. 2 Ou perdas em vazio. Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 8 de 21 Quadro – Características de perdas, correntes de excitação e impedâncias. TRANSFORMADORESTRIFÁSICOS DE TENSÃO MÁXIMA 15 kV Potência [kVA] Corrente de excitação máxima [%] Perdas em vazio máximo [W] Perdas totais máximas [W] Impedância 75° C [%] 30 4,1 170 740 45 3,7 220 1.000 75 3,1 330 1.470 112,5 2,8 440 1.990 150 2,6 540 2.450 3,5 225 2,3 765 3.465 300 2,2 950 4.310 4,5 TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS DE TENSÕES MÁXIMAS 24,2 e 36,2 kV Potência [kVA] Corrente de excitação máxima [%] Perdas em vazio máximo [W] Perdas totais máximas [W] Impedância 75° C [%] 30 4,8 180 825 45 4,3 250 1.120 75 3,6 360 1.635 112,5 3,2 490 2.215 150 3,0 610 2.755 4,0 225 2,7 820 3.730 300 2,5 1.020 4.620 5,0 Fonte: Trafo Equipamentos Elétricos S.A. (disponível em http://www.trafo.com.br/) Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 9 de 21 Exemplo 1 – Um transformador monofásico tem 2000 espiras no enrolamento primário e 500 no secundário. As resistências dos enrolamentos são Ω= 21r e Ω= 125,02r ; as reatâncias de dispersão são Ω= 81x e Ω= 5,02x . A carga ligada ao secundário é resistiva e igual a 12 Ω. A tensão aplicada ao enrolamento primário é de 1200 V. Determinar o fasor tensão secundária e a regulação de tensão do transformador: %100%Regulação carga 2 carga 2 vazio 2 V VV − = onde carga 2V é a magnitude da tensão no secundário com plena carga e vazio 2V é a magnitude da tensão no secundário em vazio. Exemplo 2 (Provão 2000) – Questão relativa às matérias de Formação Profissional Específica (Ênfase Eletrotécnica). Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 10 de 21 Transformador com relação não-nominal • Para controlar a tensão no sistema, muitas vezes os transformadores operam com relação de transformação diferentes da nominal ( )NOM2NOM1 : NN . • Apresentam um enrolamento com diversas derivações (taps), comutáveis sob carga (comutador sob carga) ou não (chave seletora). • Derivações numeradas: derivação “1” a de maior tensão. Média tensão Tensão [V] Primário Secundário Tensão máxima do equipamento [KV eficaz] Derivação N° 3φφφφ e 1φφφφ (FF) 1φφφφ (FN) 3φφφφ 1φφφφ 1 13.800 7.967 2 13.200 7.621 15,0 3 12.600 7.275 1 23.100 13.337 2 22.000 12.702 24,2 3 20.900 12.067 1 34.500 19.919 2 33.000 19.053 36,2 3 31.500 18.187 380/220 ou 220/127 2 terminais 220 ou 127 ou 3 terminais 440/220 ou 254/127 ou 240/120 ou 230/115 (FF) - tensão entre fases (FN) - tensão entre fase e neutro Fonte: Trafo Equipamentos Elétricos S.A. (disponível em http://www.trafo.com.br/) Alta tensão Tabela – Derivações típicas da regulação sob carga. Tensão primária [kV] Tensão secundária [kV] 138 %875,18230 ×± 69 69 23 %875,18138 ×± 13,8 23 %875,1869 ×± 13,8 Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 11 de 21 Considerando toda a impedância série concentrada em apenas um dos enrolamentos (refletida para o primário, por exemplo) e desprezando as perdas no núcleo. • 1I 2I • Ideal 1V + – 2V + – a NN :1 : 21jXR + 1E + – 2E + – Relação de espiras: Atual: 21 : NN Nominal: NOM2NOM1 :NN Potência de base baseS 1 2 N N a = a E E = 1 2 aI I 1 1 2 = Utilizando tensões nominais como base: pri baseNOM 1 NOM 2sec base pri base e VN NVV = NOM 1 NOM 2 pri base sec base NOM N N V V a == pri base basepri base V S I = pri base NOM pri baseNOM base sec base basesec base 1 I aVa S V SI === pri base 1 pu 1 V EE = ⇒=== pri base 1 NOM pri baseNOM 1 sec base 2 pu 2 V E a a Va Ea V EE pu 1 NOM pu 2 E a aE = pri base 1 pu 1 I II = ⇒=== pri base 1NOM pri base NOM 1 sec base 2 pu 2 1 1 I I a a I a I a I II pu 1 NOM pu 2 I a aI = Conclusão: mesmo em pu, TR com relação não nominal não pode ser substituído por CC. Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 12 de 21 Transformador de três enrolamentos O mjx ( )ti1 ( )tv1 + – N1 espiras ( )tmφ ( )tv2 + – ( )ti2 N2 espiras Fluxo disperso em 1: ( )tdisp1φ Fluxo disperso em 2: ( )tdisp2φ 1I 3I 1V + – 3V + – (a) Transformador de três enrolamentos. (b) Circuito equivalente em pu. 111 jxrZ += 333 jxrZ += mr ( )tv3 + – ( )ti3 N3 espiras Fluxo disperso em 3: ( )tdisp3φ 2I + 222 jxrZ += 2V – Terciário é freqüente em transformadores de força. Emprego do terciário: • Caminho para correntes de seqüência zero; • Conexão dos alimentadores de distribuição; • Alimentar os serviços auxiliares; • Conexão de compensação de reativos. Ponto comum “O” ≠ N Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 13 de 21 Impedâncias determinadas através de ensaios de curto-circuito entre os respectivos pares de enrolamentos (restante em aberto). 12z : aplicada tensão no primário (para circular corrente nominal) com o secundário em curto- circuito e o terciário aberto mjx pu 0121 =≈ II 3I 1V + – 3V + – 111 jxrZ += 333 jxrZ += mr pu 012 =I 222 jxrZ += O 0≈mI 02 =V + – 2112 ZZZ += Para as demais combinações: 3223 ZZZ += 3113 ZZZ += • As impedâncias dos ramos são dadas por: ( )2313121 21 ZZZZ −+= ( )1323122 2 1 ZZZZ −+= ( )1223133 2 1 ZZZZ −+= • Este modelo pode apresentar resistências e/ou reatâncias negativas. • Transformadores de três enrolamentos apresentam enrolamentos com potências nominais diferentes (geralmente). Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 14 de 21 Autotransformador Transformador com acoplamento magnético e conexão elétrica (aditiva ou subtrativa). • 1I 2I • Ideal 1V + – 2V + – a N N I I aN N V V N N a == == = 1 2 2 1 2 1 2 1 1 2 1 • • Conexões Aditivas Conexões Subtrativas • • a NN :1 : 21 • • • • Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 15 de 21 Em geral, utiliza-se a conexão aditiva. xI yI xV + – yV + – • • (a) Autotransformador elevador. xI yI xV + – yV + – • • (b) Autotransformador rebaixador. 1I 1V + – 2V + – 2I 2V + – 1V + – 1I 2I Para o autotransformador elevador: 11 2 1 121 11 I a I N NIIII x +=+=+= 222 2 1 21 11 V a VV N NVVV y +=+=+= Potência de entrada: * 11 * 11 * 11 * 111111 IV a I a VI a VIVS xxx += += +== 1 11 S a S x += Potência de saída: * 22 * 11 IV a IVS yyy +== 2 11 S a S y += 1S e 2S : potências complexas de entrada e saída na conexão como transformador ideal. Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 16 de 21 O modelo do transformador em fase Transformadores em fase = transformador ideal ( kma:1 ) + impedância série kmz . k kmI kmkmkm jxrZ += m mkI kkk VV θ= p pmI kma:1 kkkmkkmp VaVaV θ== mmm VV θ= Da relação do transformador ideal em fase3: kkmp kmp k VaV aV V =⇒= 1 pmkmkmkmkm pm km IaIaa I I =⇒== * ( ) ( )mkkmkmmpkmpm VVaYVVYI −=−= ( )mkkmkmkmpmkmkm VVaYaIaI −== mkmkmkkmkmkm VYaVYaI −= 2 ( )mkkmkmpmmk VVaYII −−=−= mkmkkmkmmk VYVYaI +−= 3 Como não há dissipação de potência ativa ou reativa no transformador ideal: * * * ** =⇒=⇒=⇒= k p pm km k p pm km pmpkmkpmkm V V I I V V I IIVIVSS Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 17 de 21 Equivalente pipipipi de um transformador em fase A k kmI m mkI kV mV B C A, B, C admitâncias ( ) ( ) mkkmkkm VAVBAVBVVAI −+=+−= ( ) ( ) mkkm VAVBAI −++= ( ) ( ) mkmkmmk VCAVAVCVVAI ++−=+−= ( ) ( ) mkmk VCAVAI ++−= Comparando as expressões anteriores, tem-se: ( ) ( ) kmkm kmkmkm kmkm YaC YaaB YaA −= −= = 1 1 1=kma pu, ou seja, NOMaakm = : kmYA = , 0==CB 1<kma pu, ou seja, NOMaakm < : 0<B (capacitivo) e 0>C (indutivo) 1>kma pu, ou seja, NOMaakm > : 0>B (indutivo) e 0<C (capacitivo) Exemplo – Dado um transformador trifásico, 138/13,8 kV, 100 MVA, cuja reatância de dispersão vale 5% (na base do transformador), determinar o circuito equivalente do transformador se as bases do sistema são: a) 138/13,8 kV, 100 MVA b) 169/16,9 kV, 200 MVA c) 169/15 kV, 250 MVA Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 18 de 21 Transformador em fase: expressão do fluxo de potência da barra k para a barra m: k kmI kmkm km jxrZ += m mkI kkk VV θ= p pmI kma:1 kkkmkkmp VaVaV θ== mmm VV θ= [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )kmkmkmkmmkkmkmkmkkm kmmkkmkmkmkmkmkkm mkkmkmkmkkmmkmkmkkmkmk mkmkmkkmkmkkmkkm jjbgVVajbgVa VVjbgajbgVa VVYaYVaVYaVYaV VYaVYaVIVS θθ θ sencos 2 2 ***22****2 *2* +−−−= −−−= =−= − = =−== ( ) ( ) ( )kmkmkmkmmkkmkmkkmkm bgVVagVaP θθ sencos2 +−= ( ) ( )mkkmmkkmmkkmkmmmk bgVVagVP θθ sencos2 +−= ( ) ( ) ( )kmkmkmkmmkkmkmkkmkm bgVVabVaQ θθ cossen2 −−−= ( ) ( )mkkmmkkmmkkmkmmmk bgVVabVQ θθ cossen2 −−−= Exercício para casa: Conhecidos os parâmetros que definem o transformador em fase e os fasores das tensões terminais, mostrar como é possível determinar as perdas de potência ativa e reativa neste transformador. Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 19 de 21 O modelo do transformador defasador • Equipamento capaz de controlar relação de fase entre a tensão do primário e do secundário. • Relação de transformação (pu) → número complexo ( ϕje:1 ou ϕ1:1 ) k kmI kmkmkm jxrZ += m mkI kkk VV θ= p pmI mmm VV θ= kmje ϕ:1 kmkkk j p VVeV km ϕθϕ +== kmkkkkkmk j kkmpj kmp k VVVeVtV etV V km km ϕθθϕϕϕ +=⋅===⇒== 1 11 pm j pmkmkm j km pm km IeItIet I I kmkm ϕϕ −− ==⇒== ** ( ) ( )mkkmkmmpkmpm VVtYVVYI −=−= ( ) ( ) mkmkmkkmmkmkmkkmkmkmmkkmkmkmpmkmkm VYtVYVYtVYttVVtYtItI ***** −+=−=−== ( ) ( ) mkmkkmkmmkmkkmkmmkkmkmpmmk VYVYtVYVYtVVtYII +−=+−=−−=−= Não pode ser representado por um circuito equivalente do tipo pi. Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 20 de 21 Transformador defasador: expressão do fluxo de potência da barra k para a barra m: k kmI kmkmkm jxrZ += m mkI kkk VV θ= p pmI mmm VV θ= kmje ϕ:1 kmkkk j p VVeV km ϕθϕ +== [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]kmkmkmkmkmkmmkkmkmk kmmkkmkmkmkmkmk mkkmkmkmkmkmkmkkmk mkmkmkkmkkmkkm jjbgVVjbgV VVjbgjbgV VVYtYVVYtVYV VYtVYVIVS ϕθϕθ θϕ +++−−−= −−−= =−= −= =−== sencos 1 2 2 ***2**** *** ( ) ( )[ ]kmkmkmkmkmkmmkkmkkm bgVVgVP ϕθϕθ +++−= sencos2 ( ) ( )[ ]kmkmkmkmkmkmmkkmkkm bgVVbVQ ϕθϕθ +−+−−= cossen2 Exercício para casa: Determinar a expressão do fluxo de potência complexa da barra m para a barra k. Utilizando esta expressão equacionar as perdas de potência ativa e reativa neste transformador. Modelagem e Análise de Sistemas Elétricos em Regime Permanente O transformador – Sérgio Haffner Versão: 10/9/2007 Página 21 de 21 Expressões gerais dos fluxos de corrente e de potência Para linhas de transmissão e transformadores com kmjkmkm eat ϕ+= Corrente: ( ) ( ) mkmkmkshkmkmkmkmkm VYtVjbYttI ** −++= ( ) ( ) mkmjkmkshkmkmkmkm VYeaVjbYaI kmϕ−−++= 2 ( ) ( ) mshkmkmkkmkmmk VjbYVYtI ++−= ( ) ( ) mshkmkmkkmjkmmk VjbYVYeaI km ++−= + ϕ Potência: ( ) ( ) ( ) ( )[ ]kmkmkmkmkmkmmkkmkmkkmkm bgVVagVaP ϕθϕθ +++−= sencos2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]kmkmkmkmkmkmmkkmshkmkmkkmkm bgVVabbVaQ ϕθϕθ +−+−+−= cossen2 Tabela Parâmetros para os diferentes equipamentos nas expressões gerais dos fluxos. Equipamento kma kmϕ shkmb Linha de transmissão 1 0 Transformador em fase 0 0 Transformador defasador puro 1 0 Transformador defasador 0
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