Testes em Transformadores e Análise de Artigo

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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIEVANGÉLICA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ALMY JUNIOR
ARTUR VINÍCIUS 
MATHEUS NEPOMUCENO
NATHÁLIA CEDRO
TRABALHO DE ELETROTÉCNICA
TESTES EM TRANSFORMADORES, NTC-10 CELG (ENEL), ANÁLISE DE ARTIGO 
ANÁPOLIS – GO
2018
ALMY JUNIOR
ARTUR VINÍCIUS 
MATHEUS NEPOMUCENO
NATHÁLIA CEDRO
TRABALHO DE ELETROTÉCNICA
TESTES EM TRANSFORMADORES, NTC-10 CELG (ENEL), ANÁLISE DE ARTIGO 
Trabalho apresentado à matéria de Eletrotécnica do curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário UniEvangélica como requisito para completar a nota da primeira verificação de aprendizado.
ANÁPOLIS – GO
2018
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO	4
2 TRANSFORMADORES	5
2.1 Ensaio em Curto-circuito	6
2.2 Ensaio em vazio	8
3 NTC-10	10
4 Análise de artigo	13
4.1 Transformadores	13
4.2 Relações de transformação	13
4.3 Relação de potência em transformadores	14
4.4 Transformador trifásico	14
4.5 Tipos de ligação de transformadores trifásicos	15
4.6 Resfriamento de transformadores trifásicos	15
4.7 Características dos transformadores	16
4.8 Rendimento	17
4.9 Impedância Percentual	17
5 CONCLUSÃO	17
6 REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS	18
1 INTRODUÇÃO
Transformadores são máquinas elétricas estáticas, destinadas à transmissão de tensões por meio de indução eletromagnética. Realizam o controle do valor da tensão transmitida, aumentando, reduzindo ou mantendo-a constante, sem alterar a potência e frequência original. São constituídos de três elementos básicos: duas bobinas, que são interligadas por um material ferromagnético condutor, o qual possui núcleo com permeabilidade magnética elevada.
Os transformadores são sujeitos a perdas geralmente de cobre devido ao calor e de ferro por conta da interação com o núcleo, sendo assim, os parâmetros de transformadores ideais não são usuais, necessitando de ensaios e testes para alterar a funcionalidade do transformador, os ensaios mais comuns são ensaio em curto-circuito e ensaio em vazio que possibilitam a obtenção de resultados para a determinação do rendimento do transformador.
Devido aos diversos tipos de transformadores e os perigos que ele pode causar, empresas de distribuição de energia procuraram padronizar os acessórios e equipamentos para a utilização nos serviços prestados e também para que possam cessar o risco que os mesmos podem causar, pensando nisso foi desenvolvida a NTC-10.
	
 2 TRANSFORMADORES
Os transformadores são equipamentos responsáveis pela transformação de valores de tensão de saída com a energia, potencia e frequência inicial conservada. São formados por dois enrolamentos de condutores onde o primário recebe a tensão a ser alterada e o local de saída da tensão é chamada de secundária.
O princípio que norteia os transformadores é o eletromagnetismo, associação da Lei de Faraday e Lei de Lenz. Faraday afirma que o valor da tensão induzida em uma simples espira de fio é proporcional à razão de variação das linhas de força que passam através daquela espira ( ou se concatenam com ela ). Sendo assim a variação do campo magnético induz a tensão em um condutor nomeado de indução eletromagnética. 
Lenz foi um complementador do estudo onde conseguir afirmar que a tensão induzida desencadeará, em circuitos fechados, a formação de corrente elétrica, que circulará no sentido tal que seu efeito magnético se oponha à variação que produziu.
Os transformadores ideais são aqueles em que não apresentam perdas como de cobre ou ferro do primário ao secundário e são caracterizados pela relação existe das grandezas, sendo elas : tensão (V), corrente (I) e número de espiras (N). Representada pela equação a seguir.
Entretanto esses transformadores ideais não são usualmente utilizados. Diferente dos transformadores ideias os transformadores reais utilizados em diversas aplicações apresentam perdas por serrem constituídos por núcleo de ferro há perdas de cobre devido ao calor no processo de transferência e perda de ferro no núcleo. A identificação pode ser feita por diversos processos sendo o ensaio em curto-circuito e ensaio vazio os principais.
2.1 Ensaio em Curto-circuito
A importância dos ensaios está na realização de testes objetivados a verificar o funcionamento dos transformadores e determinar parâmetros entre eles a partir dos resultados obtidos. Para que se obtenha estabilidade e segurança durante o funcionamento de tais equipamentos, os mesmos podem ser alterados ou mantidos a depender do resultado fim dos testes.
 No ensaio em curto-circuito o enrolamento do transformador que trabalha com maior tensão é utilizado como primário e o que trabalha com menores tensões é utilizado como secundário, isso ocorre porque a as medições são mais confiáveis já que a corrente ideal é atingida ao aplicar pequeno valor de tensão no primário.
O ensaio é realizado com o enrolamento secundário do transformador monofásico sendo curto circuitado, amparado por um amperímetro, um wattímetro e um voltímetro e uma fonte variável de tensão alternada para que seja possível a medição das grandezas. Podendo ser representado na figura a seguir :
Figura 1: Ensaio curto-circuito
São medidos com os instrumentos a corrente de curto-circuito (Icc) no amperímetro, a tensão de curto-circuito (Vcc) no voltímetro e potência de curto-circuito (Pcc) no wattímetro. Ocurto-circuito feito no enrolamento secundário de um transformador simula o equipamento operando com carga máxima. 
A tensão deve ser inserida gradativamente até que a corrente no circuito seja igual a corrente nominal do transformador. É necessário cerca de 10 a 15% do valor de tensão nominal do do transformador para se atingir a corrente nominal durante o ensaio. A tensão Vcc é, então, uma tensão no enrolamento primário que faz surgir no circuito secundário em curto a corrente nominal. É importante monitorar a corrente nominal no secundário, pois um pequeno aumento de tensão no primário gera um grande aumento de corrente no secundário.
O ensaio possibilita o cálculo do , através das equações seguintes:
Representação do circuito equivalente ao ensaio em curto-circuito
Figura 2 -Circuito equivalente completo
A perda total no cobre é calculada através da equação apresentada abaixo, em que r1, r2, I1 e I2 representam respectivamente as resistências no enrolamento primário e secundário e as correntes no primário e secundário 
No circuito a impendância equivalente é calculada com a equação a seguir:
Outra grandeza importante que pode ser calculada com os dados obtidos durante a realização dos ensaios no transformador é rendimento, que é dado da seguinte forma:
Rendimento = Potência de saída 
 Potência de Entrada
No entanto, fatores como a perda no cobre e a perda no ferro comprometem o rendimento do transformador. Logo, esses fatores devem ser adicionados no denominador da equação, já que são inversamente proporcionais ao rendimento.
2.2 Ensaio em vazio 
Os ensaios em vazio são aqueles utilizados para parametrizar as perdas de ferro no transformador, seja por corrente parasita ou histerese magnética, bem como o rendimento desse. De acordo com Costa procedimento determina ainda: “(i) o valor da resistência equivalente às perdas no ferro; (ii) a reactância de magnetização; (iii) a razão de transformação”. Para o cálculo desses parâmetros faz-se a análise do circulo equivalente do transformador em curto-circuito.
No procedimento experimental dos ensaios a vazio, a verificação desses parâmetros é realizado utilizando a tensão e frequência nominal do transformador, isto é, as tensões e frequências que esse transformador foi projetado para trabalhar, e que são específicas na placa da máquina elétrica. Em vazio, a corrente no primário é pequena,, as perdas no cobre do primário são desprezíveis, e a potência em vazio equilibra praticamente as perdas do ferro. Estas perdas variam com a tensão de entrada, mas permanecem praticamente constantes quando a fem induzida na bobina é constante.
Nesse procedimento um dos terminais do transformador estará vazio - semcarga, em aberto -, enquanto o enrolamento com o menor valor de tendão estará submetido aos valores nominais.Estando um dos terminais abertos a corrente será nula nesse. Após o primário à tensão e frequência nominal, mede-se a tensão nominal (Vn), corrente de magnetização (lm) e a potência a circuito aberto, (Pca).
É possível calcular a tensão de excitação por intermédio da tensão nominal. A corrente de excitação é a corrente essencial para o funcionamento do transformador, pois é responsável por magnetizar o núcleo ferromagnético do equipamento. A razão da aplicação de tensão nominal é que o fluxo mútuo produzido que atravessão núcleo tem praticamente a mesma amplitude daquele que um transformador operando com carga e tensão nominais. Isso faz com que a corrente gerada seja igual à corrente de excitação.
Por intermédio desse ensaio é possível efetuar o cálculo da impedância total do circuito aberto, faz-se o como na seguinte equação:
Impedância total do circulo aberto ;
= Resistência do primário;
= Resistência das perdas;
= Reatância de magnetização
Os valores de Rc e Xm são calculados nas equações seguintes:
Com os ensaios à vazio é possível potência reativa em vazio e a reatância magnético por meio das equações. Onde Vn= tensão nominal aplicada; P1 = Potência no primário.
O rendimento do transformador pode ser calculado por :
n = rendimento;
P2= Potência de saída;
Pcu= Potência de perda do cobre;
Pcp= Potência de perda por corrente parasita;
Ph= Perda no núcleo por histerese magnética.
3 NTC-10
O objetivo da NTC-10 é especificar e padronizar as principais características elétricas e mecânicas dos transformadores monofásicos e trifásicos, que são aplicáveis em redes de distribuição de tensões primárias 13,8 e 34,5 kV, com enrolamento do tipo cobre ou alumínio, imersos em óleo mineral isolante, resfriamento natural, para instalação em postes e plataformas. 
Estes transformadores descritos no objetivo da norma devem satisfazer normas da ABNT. Onde estas normas podem ser descritas como “ABNT NBR 5356 Partes 1 a 5 e ABNT NBR 5440’’. 
Tabela 1- Normas ABNT
	ABNT NBR 5356-1
	Transformador de potência - Parte 1: Generalidades. 
	ABNT NBR 5356-2
	Transformador de potência - Parte 2: Aquecimento. 
	ABNT NBR 5356-3
	Transformador de potência - Parte 3: Níveis de isolamento, ensaios dielétricos e espaçamentos externos em ar. 
	ABNT NBR 5356-4
	Transformador de potência - Parte 4: Guia para ensaio de impulso atmosférico e de manobra para transformadores e reatores. 
	ABNT NBR 5356-5
	Transformador de potência 
- Parte 5: Capacidade de resistir a curtos-circuitos. 
	ABNT NBR 5440
	Transformadores para
Redes aéreas de distribuição - 
Requisitos. 
Na NTC-10, mostra também como existe uma preocupação com as condições de instalação, transporte e funcionamento. Para a instalação existe certos requisitos a serem compridos tais como:
· Altitude limitada a 1000 m. 
· Temperatura: máxima do ar ambiente40°C e média, em um período de 24 horas,30°C. 
· Temperatura mínima do ar ambiente: 0°C. 
· Pressão máxima do vento: 700 Pa (70 daN/m2). 
· Umidade relativa do ar até 100%. 
· Exposição direta a chuva e poeira. 
· Nível de radiação solar: 1,1 kW/m2, com alta incidência de raios ultravioleta. 
Tais preocupações mostram como a empresa se compromete com a segurança de seus funcionários e também a segurança da população e também para zelar de seus equipamentos. Os diversos acessórios que um transformador comporta também devem ser listados nas normas técnicas da ABNT, onde mostra que a empresa procura uma padronização dos equipamentos e também buscam a garantia dos fabricantes.
Um dos acessórios que mais chamou a atenção foi o dispositivo de alivio de pressão. Dispositivo que deve segui os requisitos mínimos como:
· Pressão de alivio de 69 kPa (0,42 kgf/cm²) ±20%.
· Pressão de selamento mínima de 41,4 kPa (0,42 kgf/cm²).
· Taxa de vazão de 9,91 cm³/min x 105 cm³/min (35 pés cúbicos por minuto), a 103,5 kPa (1,06 kgf/cm²) e a 21,1°C. 
· Taxa de admissão de ar faixa de 41,4 kPa (0,42 kgf/cm²) a 55,2 kPa (0,56 kgf/cm²) igual a zero. 
· Temperatura de operação de -29 °C a + 105 °C. 
Além disso, o dispositivo possui também as seguintes características: 
· Orifício de admissão de ¼ pol (6,4 mm) – 18 NPY. 
· Corpo hexagonal de latão de 16 mm, dimensionado para suportar uma força longitudinal de 45 kgf. 
· Disco externo de vedação para impedir, de forma permanente, a entrada de poeira, umidade e insetos; este deve ser de material não oxidável, com resistência mecânica suficiente para não sofrer deformação no manuseio. 
· Anel externo de material não oxidável, com diâmetro mínimo de 21 mm, para acionamento manual, dimensionado para suportar uma força mínima de puxamento de 11 kgf, sem deformação. 
· Anéis de vedação e gaxetas internas compatíveis com a classe de temperatura do material isolante do transformador. 
· Partes externas resistentes à umidade e corrosão. 
Além de seguir uma padronização de peças, a NTC-10 procura padronizar a montagem dos equipamentos, todos seguindo as respectivas normas da ABNT. Consequentemente esta padronização se estende as potencias dos equipamentos que podem ser 10; 15; 25 e 37,5 KVA para transformadores monofásico e 30, 45, 75, 112,5, 150, 225 e 300 KVA para transformadores trifásicos. 
Presando pelo meio ambiente e contra a poluição sonora a NTC-10 estabelece paramentos de potência sonora que os transformadores devem seguir, onde estes ruídos são de valores de:
· 48 dB para potências nominais do transformador equivalente com dois enrolamentos entre 10 e 45 kVA. 
· 51 dB para potência 75 kVA. 
· 55 dB para potências entre 112,5 e 300 kVA. 
Na questão de inspeções a NTC-10 se mostra bem rigorosa, prezando sempre pela segurança, onde os inspetores da empresa se fazem presente em todos os testes de ensaios, e realizando os testes necessários fazem que as fabricantes se adequem as normas estabelecidas pela ABNT. Podendo só ao final da realização dos testes a compra dos transformadores. 
4 Análise de artigo 
O artigo analisado é referente ao assunto maquinas elétricas sendo feito pela instituição Senai e dentro deste artigo existe vários pontos importantes que serão vistos a seguir.
4.1 Transformadores	
 O transformador é um dispositivo que permite elevar ou abaixar os valores de tensão ou corrente em um circuito de CA. A grande maioria dos equipamentos eletrônicos emprega transformadores, seja como elevador ou abaixador de tensões. Quando uma bobina é conectada a uma fonte de CA surge um campo magnético variável ao seu redor.
Aproximando-se outra bobina à primeira, o campo magnético variável gerado na primeira bobina “corta” as espiras da segunda bobina.
Como consequência da variação de campo magnético sobre suas espiras surge, na segunda bobina, uma tensão induzida.
E a bobina na qual se aplica a tensão CA é denominada de primário do transformador e a bobina onde surge a tensão induzida é denominada de secundário do transformador.
4.2 Relações de transformação 
 A aplicação de uma tensão CA ao primário de um transformador resulta no aparecimento de uma tensão induzida no seu secundário. Aumentando-se a tensão aplicada ao primário, a tensão induzida no secundário aumenta na mesma proporção e observa-se que a tensão do secundário é sempre a metade da tensão aplicada no primário e uma observação importante é saber que A relação entre as tensões no primário e secundário depende, fundamentalmente da relação entre o número de espiras no primário e secundário.
Analisando matematicamente a relação é analisada como é denominado de relação de transformação. 
Onde o VS = Relação de Transformação VP é a relação de transformação expressa à relação entre a tensão aplicada ao primário e a tensão induzida no secundário.
4.3 Relação de potência em transformadores
O transformador é um dispositivo que permite modificar os valores de tensão e corrente em um circuito de CA. Em realidade, o transformador recebe uma quantidade de energia elétrica no primário, transforma em campo magnéticoe converte novamente em energia elétrica disponível no secundário.
A quantidade de potência absorvida da rede elétrica pelo primário do transformador é denominada de potência do primário, representada pela notação PP.
Ou seja a potência disponível no secundário é igual a potência absorvida no primário
A potência disponível no secundário é denominada de potência do secundário PS. 
Se não existem perdas, pode-se afirmar: PS = PP 
A potência do primário depende da tensão aplicada e da corrente absorvida da rede: Potência do Primário PP = VP x IP
 A potência do secundário é produto da tensão e corrente no secundário: Potência do Secundário PS = VS x
Considerando o transformador como ideal pode-se, então escrever que a relação de potências no transformador: PS =PP VS x IS = VP x IP 
4.4 Transformador trifásico
 Como já foi estudado, 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. É peça metálica construída com chapas de ferro-silício isoladas entre si e sobre a qual são montadas as bobinas. Os transformadores trifásicos, usados na distribuição de eletricidade, têm as mesmas funções que o transformador monofásico: abaixar ou elevar a tensão. Trabalham com três fases e são de porte grande e mais potentes que os monofásicos.
4.5 Tipos de ligação de transformadores trifásicos
As ligações internas entre as três fases do transformador trifásico podem ser feitas de duas maneiras:
 − Ligação em estrela (y); 
− Ligação em triângulo (∆). 
Tudo o que já foi estudado sobre as ligações em estrela e em triângulo vale também para os transformadores trifásicos.
As ligações em estrela e em triângulo são executadas tanto no primário quanto no secundário do transformador. Nos diagramas, as letras H e X representam, respectivamente, o primário e o secundário, enquanto as extremidades dos enrolamentos são identificadas por números.
As ligações do primário e do secundário podem ser combinadas de várias formas:
Para que as combinações de ligações sejam realizadas, os transformadores são divididos em dois grupos: − Grupo A: quando a tensão do secundário está em fase com a tensão do primário; − Grupo B: quando a tensão do secundário está defasada em 30º.
Para verificar se as ligações estão corretas, alimenta-se o transformador pelos lides ou terminais de tensão mais elevada com uma fonte de corrente trifásica apropriada. Em seguida, ligam-se os terminais H1 e X1 entre si (curto –circuito).
4.6 Resfriamento de transformadores trifásicos 
 Os transformadores, quando em funcionamento, apresentam uma pequena perda que também se manifesta sob a forma de calor. Assim, quanto maior a potência consumida, maior é a geração de calor dentro do transformador. Como a temperatura elevada traz danos irreparáveis ao funcionamento do transformador, deve-se mantê-la dentro de limites seguros
Segundo a norma da ABNT (EB91), existem dois tipos de resfriamento: − a seco; − com líquido isolante. 
Transformador Com Resfriamento Seco Segundo a norma EB91, “transformador a seco é o transformador cujos núcleos e enrolamento estão envoltos e refrigerados pelo ar do ambiente”. Dentro desse grupo estão todos os pequenos transformadores e os de baixa potência nos quais a troca de calor é feita com o ar. Para os transformadores desse grupo que necessitarem de maior refrigeração, usam-se ventiladores que forçam a circulação do ar. Isso acontece em aparelhos eletrônicos como os microcomputadores, por exemplo. 
Transformador Em Líquido Isolante De acordo com a norma EB91, transformador em líquido isolante “é o transformador cujos núcleo e enrolamento são imersos em líquido isolante”. Esse líquido isolante exerce duas funções: isolação e resfriamento, pois transfere para as paredes do tanque o calor produzido. Para cumprir essas funções, o óleo refrigerante deve possuir: elevada rigidez dielétrica; boa fluidez; capacidade de funcionamento em temperaturas elevadas. O líquido isolante que possui essa característica é o óleo mineral.
 4.7 Características dos transformadores
 Os transformadores, em geral, apresentam perdas de potência, quando estão em funcionamento. Essas perdas podem ser por efeito Joule (calor) e perdas no ferro. Além dessa característica, estudaremos o rendimento e a impedância percentual dos transformadores monofásicos e trifásicos.
Perdas Por Efeito Joule As perdas por efeito Joule ocorrem em forma de calor, devido à resistência ôhmica dos enrolamentos; elas são chamadas de perdas no cobre. Outras perdas são conhecidas como: perdas do núcleo que ocorrem pelo efeito da histerese magnética, e perdas adicionais devidas às correntes parasitas (ou correntes de Foucault). As perdas no cobre dos transformadores monofásicos são calculadas através da fórmula: 
PCu = R1 . I 2 1 + R2 . I 2 2
Para o cálculo de perda nos transformadores trifásicos, a fórmula é: 
PCu = 3 (R1 . IF 2 1 + R 2 2 . IF2 )
4.8 Rendimento
Para este cálculo, usa-se a seguinte fórmula:
Onde: η é o rendimento na temperatura ambiente; 
75ºC é o rendimento na temperatura de trabalho;
 V2 é a tensão secundária em volts; 
I2 é a corrente secundária em ampères; 
PCu indica as perdas no cobre à temperatura ambiente; 
PCu (75ºC) indica as perdas à temperatura de trabalho;
PFe indica as perdas no ferro.
4.9 Impedância Percentual 
A impedância percentual ou tensão de curto-circuito percentual corresponde a uma parte da tensão nominal do enrolamento primário suficiente para fazer circular a corrente nominal do enrolamento secundário, desde que este esteja fechado em curto-circuito.
O valor da impedância percentual varia entre 3 e 9% e vem marcado na placa dos transformadores com os símbolos Z% UK% ou Vcc%. 
Este valor é calculado com a seguinte fórmula:
5 CONCLUSÃO
Os transformadores elétricos são máquinas de extrema importância na atualidade visto que são responsáveis por alterar tensões durante os processos de transmissão de energia dos locais de geração para os grandes centros consumidores. Além, de serem amplamente utilizados em grande parte dos equipamentos elétricos para que a tensão da rede seja transformada em uma tensão utilizada pelos equipamentos.
Existem estudos na associação da Lei de Faraday e Lei de Lenz que quantificam o rendimentos dos transformadores, onde são encontrados parâmetros de transformadores ideais, entretanto estes equipamento possuem aspectos quantitativos irreais o que leva a necessidade da execução de testes para obter o rendimento necessário.
Os Ensaios mais utilizados quando se trata de transformadores são o ensaio em curto-circuito e o ensaio em vazio, estes se complementam e possibilitam a obtenção de resultado necessário para o cálculo do rendimento.
 Tendo visto que a NTC-10 é uma importante norma para a empresa Celg (ENEL) foi possivel que o principal objetivo da norma é manter uma padronização e manter um elevado controle de qualidade do produto que a empresa oferece, tendo em vista que os serviços prestados pela a empresa são de grande importância para o desenvolvimento social da população que ela abrange.
	 Foi analisado também que os transformadores são dispositivos que permitem elevar ou abaixar os valores de tensão ou corrente em um circuito de CA e hoje a grande maioria dos equipamentos eletrônicos emprega transformadores.
 E existem cálculos necessários para que ocorra a melhor utilização deste equipamento em projetos que se desejam utiliza-los como as relações de transformação e a relação de potência em transformadores.
 Outros requisitos importantes é saber o funcionamento de transformadores trifásicos, assim como os tipos de ligação que ocorrem e o modo certo de fazer o resfriamento dos mesmos, podendo dessa maneirausa-los em projetos do dia- a – dia quando forem necessários.
6 REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS
IRIVING, L. Kosow, Ph. D. Maquinas Elétricas e Transformadores, Volume 1.
BARBOSA Matheus, SAID Victor. Ensaios com Transformadores, Instituto Federal de educação ciência e tecnologia.
APOSTILA – Máquinas Elétricas – Eletrotécnica Teoria e Prática Curso Eletricista de Manutenção - SENAI-MG 1998
APOSTILA – Fundamentos de Máquinas Elétricas e Comandos Elétricos SENAI – MG - 1999.
https://www.eneldistribuicao.com.br/go/documentos/NTC10.pdf
1
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I
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