TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA (1)

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TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA
ENGENHARIA ELÉTRICA – UNIVERSIDADE ESTÁCIO DE SÁ
CAMPOS DOS GOYTACAZES/2017
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA
Figura 1 – Principio de Funcionamento
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Um transformador trifásico é construído em três conjuntos de bobinas, cada um abrigando os enrolamentos do circuito primário e secundário. Dessa forma, é possível realizar tensões de fase e tensões de linha.
As tensões de fase são aquelas medidas entre um dos condutores de fase e o condutor neutro, enquanto as tensões de linha são as medidas entre dois condutores de fase.
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Diagrama de Tensões de Linha e de Fase de Um Sistema Trifásico.
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Os transformadores trifásicos podem ser construídos em banco trifásico, que é composto por três transformadores monofásicos, ou núcleo trifásico.
A conexão em banco trifásico facilita a manutenção e substituição dos transformadores, porém com maior custo de investimento.
 A ligação núcleo trifásico resulta em transformadores menores e mais baratos devido a necessidade de menos material ferromagnético, porém com menor flexibilidade de manutenção.
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Existem dois grupos de transformadores trifásicos:
Transformador de força: atua na geração, transmissão e distribuição energia em concessionárias e subestações, variando entre 5 e 200 MVA.
Transformador de distribuição: tem como papel fundamental rebaixar a tensão que vai ser entregue aos clientes de empresas distribuidores de energia. Normalmente, ficam instalados nos postes ou subterraneamente, com potência que varia de 15 a 300kVA. A tensão e o enrolamento também são variados, e se adequam a todo tipo de situação
TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
VANTAGENS:
1)Volume de material condutor na transmissão em sistemas trifásicos é menor para a mesma quantidade de energia transmitida quando comparado com sistemas monofásicos ou outros sistemas polifásicos.
2)Capacidade dos geradores aumenta em função do número de fases.
3) A potência em sistemas trifásicos é constante, possibilitando um funcionamento mais suave dos motores.
4) Capacidade de potência aparente maior.
5) Motores elétricos necessitam de campos magnéticos girantes, o qual não é possível ser gerado em sistemas monofásicos.
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RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
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RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
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RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
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RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
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RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
Em transformadores trifásicos, a relação de transformação é definida pela relação entre a tensão de linha do primário e a tensão de linha do secundário. Portanto, dependendo da ligação, a relação de transformação pode ser diferente da relação de espiras, como será visto a seguir.
Conexão Y- ∆:
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RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
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RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
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LIGAÇÃO ESTRELA-TRIÂNGULO
Com três enrolamentos no primário e três no secundário, um transformador trifásico pode ser conectado em Estrela (Y) ou Delta (D) com quatro possibilidades de ligação (conexão):
Cada esquema de ligação atende a uma necessidade específica de suprimento.
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LIGAÇÃO ESTRELA-TRIÂNGULO
Exemplo de conexão Y - ∆ para BANCO TRIFÁSICO: 
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LIGAÇÃO ESTRELA-TRIÂNGULO
Exemplo de conexão Y - ∆ para NÚCLEO TRIFÁSICO: 
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LIGAÇÃO ESTRELA-TRIÂNGULO
1 – Triangulo / triangulo;
2 – Estrela / triangulo, com centro estrela diretamente aterrado, aterrado por impedância ou isolado.
3 – Triangulo / estrela, com centro estrela diretamente aterrado, aterrado por impedância ou isolado;
4 – Estrela / triangulo, com centro estrela diretamente aterrado, aterrado por impedância ou isolado. 
 
Formas de aterramento para tipos de ligação Y - ∆ - Y:
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LIGAÇÃO ESTRELA-TRIÂNGULO
Principal aplicação da conexão Y-∆ e ∆−Y:
• A conexão ∆−Y é mais empregada como transformador elevador em subestações de geração
• A conexão ∆−Y é mais empregada como transformador abaixador em subestações industriais
• O neutro do lado de alta-tensão pode ser aterrado
• O lado em ∆ funciona como um filtro para correntes harmônicas.
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CARREGAMENTO ADMISSÍVEL
O carregamento admissível é um estudo do comportamento de transformadores resfriados a óleo, sob o ponto de vista térmico, isto é, buscar-se a estabelecer as condições de carregamento limite para que as temperaturas no interior da máquina não excedam valores preestabelecidos. Lembrando-se que a constante de tempo térmica de transformadores é da ordem de grandeza de horas, tolera-se operar com a máquina em sobrecarga, cujo montante é definido em função dos patamares da curva diária, de modo que não resulte perda de vida útil apreciável. Em outras palavras, sobrecarregando-se uma unidade, sem prejuízo sensível, quer para sua vida útil, quer para o desempenho da rede, adia-se a entrada em serviço de nova unidade.
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CARREGAMENTO ADMISSÍVEL
A ABNT indica o procedimento a ser utilizado para a fixação do carregamento na norma NBR 5416- Des/11 – Aplicação de Carga em transformadores de potência, por outro lado, a ANSI conta, na norma de transformadores com o anexo C-47.94/1950 “Guide for loading Oil-Immserd Distribution and Power Transfomers”.
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Para a determinação da variação da temperatura do óleo quando há uma variação da carga do transformador assume-se que:
No instante da variação da carga, t=0, o óleo encontra-se na temperatura inicial, Tinic.
A temperatura ambiente, Tamb, mantém-se constante durante todo o transitório.
) A tensão primária do transformador não varia durante o transitório
A resistência ôhmica dos enrolamentos não varia com sua temperatura
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Tipos de transformadores quanto ao resfriamento:
ONAN – Enrolamentos imersos no óleo com circulação natural e resfriamento ao ar com circulação natural.
ONAF – Enrolamentos imersos no óleo com circulação normal e resfriamento ao ar com circulação forçada.
OFAF – Enrolamentos imersos no óleo com circulação forçada, sem fluxo de óleo dirigido, e resfriamento ao ar com circulação forçada.
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
OFWF – Enrolamentos imersos no óleo com circulação forçada, sem fluxo de óleo dirigido, e resfriamento com circulação de água forçada.
ODAF – Enrolamentos imersos no óleo com circulação forçada, com fluxo de óleo dirigido e resfriamento ao ar com circulação forçada.
ODWF – Enrolamentos imersos no óleo com circulação forçada, com fluxo de óleo dirigido e resfriamento com circulação de água forçada.
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Equação térmica do ponto quente - O calor gerado nas diversas partes dos transformadores resulta em elevação de temperatura dos enrolamentos e do óleo. E assim, são determinadas as respectivas temperaturas absolutas em relação a temperatura ambiente. 
O acréscimo e decréscimo das temperaturas do óleo e dos enrolamentos dependem de vários fatores, tais como: Perdas, Ciclo de trabalho, Condições ambientais, Características construtivas e sistema de refrigeração.
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Equacionamento - Na metodologia utilizada para estimativa das temperaturas do transformador, adotou-se o equacionamento descrito na norma IEEE Std C.57.91/95 e considerações da norma NBR 5416/97 para avaliação do comportamento térmico dos transformadores. A temperatura do ponto quente é determinada, consistindo-se de três componentes como mostra a equação:
θE = θA + ΔθO + ΔθE 
Onde:
θE - Temperatura do ponto quente do enrolamento [°C]
θA - Temperatura ambiente [°C] 
ΔθO - Elevaçãodo topo do óleo sobre o ambiente [°C]
ΔθE - Elevação do ponto quente sobre o topo do óleo [°C]
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Elevação de Temperatura do Óleo - A temperatura do topo do óleo (θO) pode ser calculada conforme a equação a seguir:
 θO = θA + Δθ0 
A temperatura do ponto quente, para operação em regime permanente á plena carga, e um dado padronizado no projeto do transformador. A título de exemplo, a norma NBR 5416/1981 fixa, para o carregamento nominal, a elevação da temperatura do ponto quente , sobre o ambiente, 80°c para transformadores de 65°c e em 65°c para transformadores de 55°c. 
 
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Correção do valor da resistência ôhmica do enrolamento - Para compensar a variação das perdas ôhmicas com a temperatura dos condutores dos enrolamentos do transformador, deve-se aplicar fator de correção da variação da resistência do enrolamento com a temperatura. O ensaio de operação com a temperatura de plena carga é levado a efeito aplicando-se as perdas de plena carga, que correspondem a uma temperatura média do enrolamento de 75°C, para isolação de 55°C, e de 85°C, para isolação de 65°C. Entretanto, lembrando que em estudos térmicos de transformadores utiliza-se a temperatura do ponto quente e não a temperatura média do enrolamento, a correção da resistência devera ser feita de 5 a 10°C acima da temperatura média do enrolamento. 
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Nessas condições, o fator de correção para 55°C, será;
Kres= 234,5 + Temperatura do ponto quente = 234,5 + Ths
 234,5 + 85 234,5 + 85
e para transformadores 65°C, por
Kres= 234,5 + Temperatura do ponto quente = 234,5 + Ths
 234,5 + 95 			 234,5 + 95
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Variação da temperatura ambiente - Considerando a temperatura ambiente constante iremos analisar a variação das temperaturas internas do transformador quando ocorre um degrau na temperatura ambiente. A elevação da temperatura do óleo sobre a do ambiente é dada por θo e elevação da temperatura do ponto quente sobre a do óleo dada por θh, quando ocorre um degrau, ΔTamb, na temperatura ambiente. A temperatura do óleo, no instante em que ocorre o degrau ,t=0, não pode variar, portanto, tem-se;
 to(0-)= tamb + θ0(0-) e t0(0+)= tamb + Δtamb + θ0(0+) 
E sendo:
 to(0-)= t0(0+)
Resulta:
 θ0(0+) = θ0(0-) - Δtamb
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EQUACIONAMENTO TÉRMICO
Assim, um novo transitório térmico se inicia no instante t=0, quando a elevação da temperatura do óleo sobre o ambiente é dada por θ0inic = θ0(0-) - Δtamb e que, ao término do transitória alcança o valor θ0reg = θ0, na hipótese que a constante de tempo térmica do ponto quente é nula tem-se:
 
 th(t)= θh+ θ0(t) + tamb + Δtamb
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PERDA DE VIDA DOS TRANSFORMADORES
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PERDA DE VIDA DOS TRANSFORMADORES
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VIDA ÚTIL DE TRANSFORMADORES
O equacionamento apresentado permite a determinação da perda de vida útil de transformadores quando operando em determinada situação de carregamento e de temperatura ambiente. Entretanto, é usual desejar-se conhecer qual será a perda de vida, e de consequência, a vida útil, de um transformador que opera com dado ciclo diário de carga e de temperatura ambiente. Neste caso, inicialmente, há que se estabelecer a temperatura do óleo no instante inicial. Para tanto, lembra-se que o instante inicial corresponde ao instante final do dia, isto é, as temperaturas no tempo t=0 devem ser iguais às do tempo 24, e como a temperatura não pode variar instantaneamente resulta que no tempo 0 e 24 horas as temperaturas devem ser iguais. O procedimento geral resume-se nos passos a seguir
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VIDA ÚTIL DE TRANSFORMADORES
TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
KAGAN – CAP.5
CHAPMAN, J. Stephen, 2013, Fundamentos de Máquinas Elétricas 5° Edição.
Transformadores Trifásicos. Disponível em: http://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/trafo3.pdf.
Tensões Simples e Compostas. Disponível em: http://elee.ist.utl.pt/realisations/CircuitsElectriques/SistemasTrifasicos/ConceitosBasicos/3_aula.htm. 
Tensões Simples e Compostas. Disponível em: http://elee.ist.utl.pt/realisations/CircuitsElectriques/SistemasTrifasicos/ConceitosBasicos/3_aula.htm. 
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ALUNOS:
João William: 201202129269
José Ricardo: 201702461645
Júlia Ferreira Thurler: 201301032581
Leonardo dos Santos Barreto: 201402222092
Lucas Tavares: 201401009786
Marcio Antonio Rosa: 201502212897
Matheus Thomaz Ribeiro : 201401009816
Wagner Cardoso: 201402053551
Guilherme de Oliveira Pinto: 201201297061