Curitiba - DAELT

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA - ÊNFASE ELETROTÉCNICA
LUIZ PHELIPE DENARDIN CECATO
RAPHAEL FERREIRA MINATO
COMPARAÇÃO DE TRANSFORMADORES COM FATOR K E CONVENCIONAIS
ALIMENTANDO CARGAS NÃO LINEARES
CURITIBA
2007
1
LUIZ PHELIPE DENARDIN CECATO
RAPHAEL FERREIRA MINATO
COMPARAÇÃO DE TRANSFORMADORES COM FATOR K E CONVENCIONAIS
ALIMENTANDO CARGAS NÃO LINEARES
Trabalho apresentado na disciplina de Projeto
Final de Curso II como requisito parcial para a
conclusão do Curso de Engenharia Industrial
Elétrica - Ênfase em Eletrotécnica - do
Departamento
Acadêmico
de
Eletrotécnica,
Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Joaquim Eloir Rocha, Dr.
CURITIBA
2007
2
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus, a todos os nossos familiares, ao nosso orientador
Joaquim Eloir Rocha, e a todos que contribuíram de algum modo para execução desse
trabalho: a COMTRAFO – Indústria e Comércio de Transformadores Elétricos LTDA e ao
Instituto LACTEC.
Gostaríamos de agradecer também a todos nossos amigos que de certa forma
vivenciaram este trabalho conosco.
3
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo a comparação da elevação de temperatura de
transformadores com fator K e convencionais quando alimentando cargas não lineares. Foram
desenvolvidos dois protótipos de 25kVA, sendo um deles um transformador convencional e
um segundo com fator K. Foi desenvolvida, também, uma carga não linear de mesma potência
e foram realizados ensaios de elevação de temperatura nos laboratórios da empresa que
fabricou os transformadores e no Instituto LACTEC. São mostrados os resultados dos ensaios
com carga não linear e carga senoidal de cada um dos transformadores e comprovado a
eficácia dos transformadores com fator K perante os convencionais para os dois tipos de
carga.
4
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 8
LISTA DE GRÁFICOS ............................................................................................................ 11
LISTA DE TABEL AS ............................................................................................................ 12
CAPÍTULO 1 – PROPOSTA DO PROJETO .......................................................................... 13
1.1
Introdução ................................................................................................................. 13
1.2
Problema ................................................................................................................... 14
1.3
Justificativa ............................................................................................................... 14
1.4
Objetivos................................................................................................................... 15
1.4.1
Objetivo geral ................................................................................................... 15
1.4.2
Objetivos específicos ........................................................................................ 15
1.5
Método de pesquisa .................................................................................................. 15
1.6
Estrutura do trabalho ................................................................................................ 16
CAPÍTULO 2 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................... 17
2.1
Introdução ................................................................................................................. 17
2.2
Práticas recomendadas pela IEEE para transformadores alimentando cargas não
lineares .................................................................................................................................. 17
2.2.1
Introdução ......................................................................................................... 17
2.3
Perdas no transformador e o efeito das correntes harmônicas nestas perdas ........... 20
2.4
Capacidade equivalente de um transformador.......................................................... 23
2.4.1 .................................................................................................................................. 25
2.4.2
Fator de perdas harmônicas para perdas parasitas no enrolamento .................. 25
2.4.3
Fator de perdas harmônicas para outras perdas por dispersão.......................... 26
2.5
Considerações para o projeto especificando um novo transformador ...................... 27
2.5.1
Filtro de corrente harmônico ............................................................................ 28
2.5.2
Impacto no neutro ............................................................................................. 28
2.5.3
Equipamento de correção de fator de potência ................................................. 28
2.5.4
Escudos eletrostáticos ....................................................................................... 28
2.5.5
Considerações para o projeto de partes externas .............................................. 29
2.5.6
Análise do espectro harmônico......................................................................... 29
2.5.7
Considerações para o projeto dos enrolamentos .............................................. 30
5
2.6
Comparação do fator K definido pela Underwriter Laboratories com a definição de
fator de perdas harmônicas dada pela IEEE Std C57.110-1998 ........................................... 31
2.6.1
Definição de fator K pela Underwriter Laboratories ........................................ 31
2.6.1.1
2.7
Relações entre fator K e fator de perdas harmônicas ................................... 32
Ensaios de elevação de temperatura em transformadores ........................................ 33
2.7.1
Ensaios de elevação de temperatura em transformadores com carga linear..... 33
2.7.1.1
Medição da temperatura ambiente ................................................................ 34
2.7.1.2
Medição da temperatura em ensaio com carga ............................................. 35
2.7.1.3
Método Termoelétrico .................................................................................. 35
2.7.1.4
Método de Variação de Resistência.............................................................. 36
2.7.1.4.1
Determinação da resistência no instante do desligamento ..................... 36
2.7.1.4.2
Correção na elevação de temperatura para corrente reduzida ................ 36
2.7.2
Ensaios de elevação de temperatura com carga não linear ............................... 37
2.7.3
Recomendação IEEE para medição de elevação de temperatura sobre
condições de carga não senoidal ....................................................................................... 38
2.7.3.1
Medição da temperatura de componentes de transformadores ..................... 39
2.7.3.2
Medição da temperatura no enrolamento ..................................................... 39
2.7.3.3
Medição da temperatura no núcleo ............................................................... 39
2.7.3.4
Medição da temperatura do invólucro e da estrutura ................................... 40
2.7.3.5
Medição da temperatura do líquido .............................................................. 40
2.7.3.6
Condições da carga elétrica .......................................................................... 40
2.7.3.7
Características de carga no enrolamento secundário .................................... 40
2.7.3.8
Requerimentos em relação aos instrumentos elétricos ................................. 41
CAPÍTULO 3 – CARGA NÃO LINEAR ................................................................................ 42
3.1
Introdução ................................................................................................................. 42
3.2
Finalidade ................................................................................................................. 42
3.3
Projeto da carga ........................................................................................................ 42
3.3.1
TRIAC .............................................................................................................. 45
3.3.2
Circuito de controle .......................................................................................... 46
3.3.3
Reostato líquido ................................................................................................ 47
3.4
Implementação.......................................................................................................... 49
3.5
Dificuldades enfrentadas .......................................................................................... 52
3.6
Desempenho do circuito ........................................................................................... 53
CAPITULO 4 - PROTÓTIPOS ................................................................................................ 55
6
4.1
Desenvolvimento dos Protótipos .............................................................................. 55
4.2
Montagem dos Protótipos ......................................................................................... 61
4.3
Alteração dos protótipos ........................................................................................... 68
4.4
Análise dos custos .................................................................................................... 69
4.5
Ensaios de verificação .............................................................................................. 70
4.5.1
Medição da relação de transformação .............................................................. 72
4.5.2
Ensaio de saturação .......................................................................................... 73
4.5.3
Ensaio a vazio ................................................................................................... 74
4.5.4
Ensaio de curto-circuito .................................................................................... 76
CAPITULO 5 – ENSAIOS DE ELEVAÇÃO DE TEMPERATURA ..................................... 79
5.1
Preparação para os testes .......................................................................................... 79
5.2
Ensaio de elevação de temperatura convencional .................................................... 82
Elevação de temperatura K-1 – carga senoidal ................................................ 83
5.2.1
5.2.1.1
Elevação de temperatura a vazio .................................................................. 83
5.2.1.2
Elevação de temperatura em carga ............................................................... 85
5.2.1.3
Análise das medições.................................................................................... 86
Elevação de temperatura K-20 – carga senoidal .............................................. 87
5.2.2
5.2.2.1
Elevação de temperatura a vazio .................................................................. 87
5.2.2.2
Elevação de temperatura em carga ............................................................... 87
5.2.2.3
Análise das medições.................................................................................... 87
5.2.3
5.3
Comparação entre ensaios K-1 e K-20 com carga senoidal ............................. 88
Preparações para as medições com carga não linear - COMTRAFO....................... 89
5.3.1
A necessidade do ensaio de elevação de temperatura ...................................... 89
5.3.2
Adaptação do ensaio de elevação de temperatura ............................................ 90
5.3.3
Medição de elevação de temperatura com carga não senoidal ......................... 91
5.3.4
Medição com carga não senoidal – 65A RMS ................................................. 95
5.3.5
Comparação dos resultados obtidos para o transformador com fator K-20 ..... 97
5.3.6
Medição da elevação de temperatura carga não linear – transformador K-1 ... 98
5.3.7
Comparação dos resultados obtidos para o fator K-1 ..................................... 100
5.3.8
Elevação de temperatura no transformador K-20 com 74A RMS.................. 102
5.3.9
Comparação do resultado obtido com corrente a 74A RMS .......................... 104
Medições com carga não linear – Laboratório do LACTEC .................................. 105
5.4
5.4.1
O laboratório de ensaios de elevação de temperatura..................................... 106
5.4.2
Preparação para as medições no LACTEC..................................................... 108
7
5.4.3
Início das medições – elevação de temperatura no protótipo K-20 ................ 112
5.4.4
Elevação de temperatura com carga não linear – protótipo K-20 .................. 114
5.4.5
Comparação dos resultados obtidos no protótipo K-20.................................. 117
5.4.6
Início das medições – elevação de temperatura no protótipo K-1 .................. 120
5.4.7
Elevação de temperatura com carga não linear – protótipo K-1 .................... 122
5.4.8
Comparação dos resultados obtidos no protótipo K-1.................................... 124
5.4.9
Comparação dos resultados obtidos nos transformadores K-1 e K-20 ........... 125
5.4.10
Utilização do termovisor para monitoramento da temperatura ...................... 125
CAPITULO 6 - CONCLUSÃO.............................................................................................. 129
CAPITULO 7 - REFERÊNCIAS ........................................................................................... 130
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Campo eletromagnético criado por uma corrente de carga em um transformador. . 22
Figura 2 - TRIAC - BTA41 ...................................................................................................... 44
Figura 3 - Esquema de ligação dos TRIACs por fase............................................................... 44
Figura 4 - Característica estática dos TRIACs ......................................................................... 45
Figura 5 - Circuito chaveador ................................................................................................... 46
Figura 6 - Reostato líquido ....................................................................................................... 47
Figura 7 - Eletrodo do reostato líquido..................................................................................... 48
Figura 8 - Proteção contra gases corrosivos provenientes da solução eletrolítica.................... 49
Figura 9 - Circuito de controle da carga não linear .................................................................. 50
Figura 10 - Circuito de potência do chaveador ........................................................................ 50
Figura 11 - Circuito chaveador completo com ventilação ........................................................ 51
Figura 12 - Carga não linear em funcionamento ...................................................................... 52
Figura 13 - Tela de ensaio de carga não linear realizado na COMTRAFO ............................. 54
Figura 14 - Oscilógrafo no ensaio com carga não linear realizado na LACTEC ..................... 54
Figura 16 - Estudo mecânico transformador K-1 ..................................................................... 57
Figura 17 - Estudo mecânico transformador K-20 ................................................................... 60
Figura 18 - Núcleo cortado aguardando montagem ................................................................. 61
Figura 19 - Bobinamento da BT ............................................................................................... 62
Figura 20 - Execução da camada entre AT e BT ...................................................................... 63
Figura 21 - Bobinamento da AT sobre BT ............................................................................... 63
Figura 22 - Bobina após fabricação .......................................................................................... 64
Figura 23 - Comparação entre bobina do K-1 e K-20 .............................................................. 64
Figura 24 - Montagem do núcleo K-20 .................................................................................... 65
Figura 25 - Montagem núcleo K-1 ........................................................................................... 65
Figura 26 - Bobinas montadas no núcleo ................................................................................. 66
Figura 27 - Fechamento do núcleo ........................................................................................... 66
Figura 28 - Transformador aguardando painel ......................................................................... 67
Figura 29 - Protótipos finalizados aguardando ensaios de rotina ............................................. 67
Figura 30 - Corte na viga para melhor refrigeração ................................................................. 68
Figura 31 - Hastes de fibra para separar a viga do núcleo ........................................................ 69
Figura 32 - Laboratório de ensaio da COMTRAFO................................................................. 71
9
Figura 33 - Equipamentos de ensaio – laboratório COMTRAFO ............................................ 71
Figura 34 - Área de ensaio - laboratório COMTRAFO ........................................................... 71
Figura 35 – Medição da relação de transformação - K-1 ......................................................... 72
Figura 36 - Medição da relação de transformação - K-20 ........................................................ 73
Figura 37 - Ensaio de saturação - K-1 ...................................................................................... 73
Figura 38 - Ensaio de saturação – K-20 ................................................................................... 74
Figura 39- Ensaio a vazio - K-1 ............................................................................................... 74
Figura 40 - Tela durante o ensaio a vazio - K-1 ....................................................................... 75
Figura 41 - Tela durante o ensaio a vazio - K-20 ..................................................................... 75
Figura 42 - Ensaio a vazio - K-20 ............................................................................................ 76
Figura 43 - Ensaio de curto-circuito – K-1 ............................................................................... 76
Figura 44 - Ensaio de curto-circuito - K-20 ............................................................................. 77
Figura 45 - Tela durante o ensaio em carga - K-1 .................................................................... 77
Figura 46 - Tela durante o ensaio em carga - K-20 .................................................................. 78
Figura 47 - Relé térmico de proteção ....................................................................................... 80
Figura 48 - Tela de monitoramento dos ensaios ....................................................................... 80
Figura 49 - TCs utilizados - classe de isolação 15kV............................................................... 81
Figura 50 - TPs e demais instrumentos para a medição ........................................................... 81
Figura 51 - Disposição dos sensores de temperatura segundo a norma ................................... 82
Figura 52 - Ensaio convencional de elevação de temperatura.................................................. 82
Figura 53 - Elevação de temperatura a vazio ........................................................................... 83
Figura 54 - Ensaio elevação de temperatura em carga - K-20.................................................. 87
Figura 55 – Elevação de temperatura BT – K-20 ..................................................................... 88
Figura 56 - Elevação de temperatura AT - K-20 ...................................................................... 88
Figura 57 – Distorção gerada por corrente nominal cortada em 90º ........................................ 91
Figura 58 - Ensaio K-20 com carga não linear ......................................................................... 92
Figura 59 - Ensaio com a corrente de 65A RMS ...................................................................... 95
Figura 60 - Elevação de temperatura 74A RMS - K-20 ......................................................... 102
Figura 61 - Equipamentos de medição – LACTEC ................................................................ 107
Figura 62 - Bancada com os equipamentos de medição da LACTEC ................................... 107
Figura 63 - Software utilizado para elevação de temperatura de transformadores a óleo ...... 108
Figura 64 - Área climatizada onde foram realizados os ensaios ............................................ 108
Figura 65 - Circuito chaveador ............................................................................................... 109
Figura 66 - Transformador K-20 pronto para o ensaio ........................................................... 109
10
Figura 67 - K-20 sendo ensaiado ............................................................................................ 110
Figura 68 - TCs e TPs para os ensaios ................................................................................... 111
Figura 69 - Oscilógrafo utilizado nos ensaios ........................................................................ 111
Figura 70 - Registrador para controle do espectro harmônico ............................................... 112
Figura 71 - Transformador durante ensaio em carga .............................................................. 112
Figura 72 - Circuito de carga .................................................................................................. 114
Figura 73 - Reostatos em funcionamento ............................................................................... 115
Figura 74 - Estabilização carga não linear - LACTEC........................................................... 123
Figura 75 - Distribuição da temperatura - K20 – 11h 51min ................................................. 126
Figura 76 - Distribuição da temperatura - K20 – 14h 32min ................................................. 126
Figura 77 - Fonte da Califórnia Instruments .......................................................................... 127
Figura 78 - Ensaio a vazio convencional ................................................................................ 128
Figura 79 - Ensaio a vazio com distorção harmônica de tensão ............................................. 128
11
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1- Estabilização elevação de temperatura - K-1 a vazio ............................................. 84
Gráfico 2 - Estabilização K-20 - 92A cortado em 90º .............................................................. 93
Gráfico 3 - Estabilização ensaio 65A RMS - K-20 .................................................................. 96
Gráfico 4 - Estabilização 65A RMS - K-1 ............................................................................... 99
Gráfico 5 - Estabilização 74A RMS - K-20 ........................................................................... 103
Gráfico 6 - Estabilização ensaio convencional em carga - K-20 LACTEC ........................... 113
Gráfico 7 - Estabilização ensaio carga não linear - K-20 LACTEC ...................................... 116
Gráfico 8 - Estabilização temperatura carga não linear - K1 ................................................. 123
12
LISTA DE TABEL AS
Tabela 1 - Cálculo transformador K-1 ...................................................................................... 56
Tabela 2 - Cálculo transformador K-20 .................................................................................... 59
Tabela 3 - Análise de custos dos protótipos ............................................................................. 70
Tabela 4 - Preço COMTRAFO ................................................................................................. 70
Tabela 5- Relação de transformação - K-1 ............................................................................... 72
Tabela 6 - Relação de transformação - K-20 ............................................................................ 73
Tabela 7 - Estabilização de ensaio de temperatura K-1 - a vazio ............................................. 84
Tabela 8 - Elevação de temperatura BT - K-1 .......................................................................... 86
Tabela 9 - Elevação de temperatura AT - K-1.......................................................................... 86
Tabela 10 - Estabilização K-20 - 92A cortado em 90° ............................................................. 93
Tabela 11- Elevação de temperatura 65A RMS - K-20 ........................................................... 95
Tabela 12 - Elevação de temperatura 65A RMS BT - K-20 .................................................... 96
Tabela 13 - Elevação de tempereatura 65A RMS AT - K-20 .................................................. 96
Tabela 14 - Elevação de temperatura 65A RMS - K-1 ............................................................ 99
Tabela 15 - Elevação temperatura 65A RMS BT - K-1 ......................................................... 100
Tabela 16 - Elevação de temperatura 65A RMS AT - K-1 .................................................... 100
Tabela 17 - Elevação de temperatura 74A RMS - K-20 ........................................................ 103
Tabela 18 - Elevação de temperatura 74A RMS BT - K-20 .................................................. 104
Tabela 19 - Elevação de temperatura 74A RMS AT - K-20 .................................................. 104
Tabela 20 - Estabilização ensaio convencional em carga - K-20 LACTEC .......................... 113
Tabela 21 - Estabilização ensaio carga não linear - K-20 LACTEC ...................................... 116
Tabela 22 - Comparação entre pontos quentes - ensaios K-20 .............................................. 118
Tabela 23 - Elevação de temperatura K-20 convencional estimada – BT.............................. 119
Tabela 24 - Elevação de temperatura K-20 convencional estimada – AT ............................. 119
Tabela 25 - Elevação de temperatura K-20 carga não linear estimada – BT ......................... 119
Tabela 26 - Elevação de temperatura K-20 carga não linear estimada – AT ......................... 120
13
CAPÍTULO 1 – PROPOSTA DO PROJETO
1.1
Introdução
No ambiente de trabalho atual, o aumento do número de equipamentos eletrônicos
como reatores, conversores eletrônicos, equipamentos de comunicação e outras cargas que
utilizam chaves semicondutoras têm criado um grande problema para engenheiros e
proprietários de instalações devido à característica não senoidal de suas cargas. A natureza
não linear da alimentação de energia necessária a estes equipamentos gera harmônicos de
corrente que causam sobreaquecimento e perda de potência em transformadores, torques
oscilatórios em motores de indução, desgaste de isolamentos, e várias outras anomalias
nocivas ao sistema elétrico, conforme exposto por PHIPPS (1994).
Com todos estes problemas gerados pelas distorções harmônicas, diversos estudos
foram realizados com o intuito de quantificá-los. A entidade denominada Underwriters
Laboratory - UL criou uma forma de mensurar estes harmônicos conforme sua intensidade em
um sistema, obtendo um parâmetro denominado fator K. Através deste valor é possível
preparar os equipamentos sensíveis à presença de distorções em uma rede elétrica,
sobredimensionando-os, instalando-se filtros, ou mesmo isolando-os do resto do sistema, caso
não suporte a quantidade de harmônicos presentes na rede.
O fator K, ou fator de perdas harmônicas, conforme a generalização feita pela
recomendação C57.110-1998 do Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE,
também se tornou útil como forma de caracterizar um equipamento especialmente voltado
para suportar as tensões e correntes não senoidais presentes em um circuito elétrico. Os
transformadores convencionais, pela mesma recomendação da IEEE, têm sua potência
reduzida para que possam operar sem problemas sob um determinado fator K, ou como é
mencionado na recomendação, são desclassificados em sua potência, visto que estes não
dependem apenas do seu design, mas também da operação efetiva da carga, de acordo com
TACI e DOMIJAN (2004). A diminuição de sua potência nominal, para tal aplicação onde
está presente a distorção de tensão e corrente, permite que o transformador suporte o
aquecimento causado devido às perdas induzidas pelos harmônicos. Mas essa solução não é
financeiramente benéfica, pois se perde uma parte da capacidade do transformador.
14
A indústria moderna, preocupada com o aumento da utilização de equipamentos
geradores de harmônicos, criou o conceito de transformador de fator K como mostra FRANK
(1997). Ele é um equipamento que possui características construtivas que permite utilizar toda
a potência nominal, sem necessidade de desclassificação, sob um determinado volume de
harmônicos na rede. O transformador com fator K e seu novo conceito de projeto é algo muito
recente no mercado internacional, gerando muitas discussões sobre seus resultados e
aplicabilidade. No Brasil, vêm sendo realizadas várias pesquisas sobre tal tecnologia, com a
finalidade de fabricar um produto que atenda as necessidades das instalações elétricas
nacionais de uma forma mais barata e segura.
1.2
Problema
O estudo de transformadores com fator K e convencionais alimentando cargas não
lineares é muito recente e escasso no Brasil. Não há nenhuma padronização com relação ao
desempenho sob tais condições e nenhum método de ensaio que comprove a eficácia de um
transformador com fator K em relação a um transformador convencional.
1.3
Justificativa
Com a elaboração de métodos de medição para transformadores alimentando cargas
não senoidais, obtendo valores de temperatura e rendimento, torna-se possível a elaboração de
um relatório capaz de demonstrar os efeitos da tal situação nestes equipamentos e comprovar
a eficácia do transformador com fator K sobre a carga não linear correspondente. Com os
dados coletados neste ensaio, no protótipo da empresa cedente, pode-se responder as dúvidas
presentes no mercado sobre os efeitos de cargas não senoidais, e ainda mostrar as vantagens
de um transformador com fator K, respondendo a questionamentos de clientes sobre os
resultados e garantias que podem ter ao instalar o equipamento. Também pode-se sugerir
posteriormente que os métodos de medição utilizados sejam adotados pelas empresas
fabricantes e clientes para avaliar os transformadores que serão submetidos a tais cargas não
senoidais.
15
1.4
Objetivos
1.4.1 Objetivo geral
Comparar um transformador convencional com um transformador com fator K sobre
carga não linear através de medições de elevação de temperatura.
1.4.2 Objetivos específicos
 Estudar os métodos de ensaio de transformadores convencionais;
 Estudar de forma detalhada as recomendações propostas pela IEEE C57.110 –
1998;
 Desenvolver uma carga geradora de harmônicos;
 Adaptar ensaios de elevação de transformadores a seco para situações de carga
não linear;
 Ensaiar um protótipo de um transformador a seco com fator K de potência
nominal de 25kVA e um transformador a seco convencional de mesma potência,
ambos fornecidos pela empresa COMTRAFO – Indústria e Comércio de
Transformadores LTDA, nos laboratórios da empresa cedente e nos laboratórios
do LACTEC;
 Comparar os dados obtidos comprovando a eficácia do transformador com fator
K em relação ao convencional.
1.5
Método de pesquisa
Serão estudados os métodos de ensaios de transformadores convencionais por meio de
livros, normas e laboratórios. Também, será realizada uma pesquisa sobre cargas harmônicas
e seus efeitos em transformadores com intuito de obter o conhecimento necessário para o
desenvolvimento de uma carga geradora de harmônicos.
Após estes estudos, terá início o desenvolvimento da carga e implementação do
método de ensaio. Concluída esta etapa, será agendada uma data para a realização dos ensaios
no instituto LACTEC e no laboratório da empresa COMTRAFO – Indústria e Comércio de
16
Transformadores LTDA., a qual cederá o protótipo do transformador a seco com fator K e o
transformador a seco convencional, ambos de potência nominal de 25kVA, para tais
propósitos. Finalmente, analisar-se-á os resultados obtidos, através dos quais se poderá
comprovar a eficácia do protótipo, sugerindo possíveis modificações no projeto do mesmo.
1.6
Estrutura do trabalho
A estrutura desse trabalho está organizada em sete capítulos, conforme descrito:
O primeiro capítulo será destinado à introdução do tema proposto, o problema a ser
resolvido e as justificativas que levam à necessidade da resolução do problema, o objetivo
principal e específico deste trabalho, e o método de pesquisa a ser utilizado.
O segundo capítulo se voltará para o aspecto teórico da tecnologia englobada neste
trabalho, esclarecendo o conhecimento atual sobre o assunto, utilizando-se de revisões
bibliográficas estudadas.
O terceiro capítulo será destinado ao projeto da carga não linear e implementação da
mesma.
O quarto capítulo será destinado ao desenvolvimento dos protótipos - projeto,
construção e ensaios de verificação dos mesmos.
O quinto capítulo tratará da realização dos ensaios de elevação de temperatura
propriamente dito, a metodologia utilizada, dificuldades enfrentadas, resultados, etc.
O sexto capítulo será destinado às conclusões que foram obtidas pela equipe após o
término do projeto.
O sétimo e último trará as referências bibliográficas que foram utilizadas pela equipe.
17
2
Capítulo
CAPÍTULO
2 –2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1
Introdução
Neste capítulo se estará ampliando e aprofundando os conceitos necessários para a
realização deste trabalho, por meio de uma revisão bibliográfica que engloba um estudo mais
aprofundado da recomendação IEEE Std C57.110-1998 e seus tópicos, uma revisão do ensaio
de rendimento em transformadores convencionais e uma revisão do ensaio de elevação de
temperatura
em transformadores, constantes nas normas NBR 5380 e NBR 10295
respectivamente. Os conceitos necessários para o desenvolvimento da carga não linear serão
abordados em um capítulo à parte.
O estudo da IEEE Std C57.110-1998 trará toda uma conceituação e teoria sobre cargas
não lineares em transformadores e seus efeitos, com recomendações práticas para
transformadores convencionais e especialmente projetados (com fator K) para alimentar
cargas não senoidais.
A revisão do ensaio de rendimento em transformadores demonstrará a teoria
relacionada, a metodologia para ensaios com carga linear e mostrará algumas adaptações de
fabricantes para o ensaio com cargas não lineares.
E por último a revisão do ensaio de elevação de temperatura em transformadores
convencionais explicará os conceitos e fatores envolvidos neste ensaio, bem como sua
execução. Como foi feito para os ensaios de elevação de temperatura, será abordado também
metodologias utilizadas por fabricante para ensaios de transformadores alimentando cargas
não senoidais.
2.2
Práticas
recomendadas
pela
IEEE
para
transformadores
alimentando cargas não lineares
2.2.1 Introdução
O amplo uso de equipamentos retificadores em cargas industriais e o aumento de
cargas eletrônicas como computadores e conversores para ajuste de velocidade de motores em
18
pequenas fábricas, centros comerciais e mesmo em grandes centros residenciais ligados à
pequenos e médios transformadores de força têm causado um aumento substancial no
conteúdo harmônico na rede destes equipamentos. É muito comum o fator de corrente
harmônica exceder 0,05 por unidade (pu), o qual é o limite especificado para as “condições
usuais de serviço”, segundo as recomendações das normas do IEEE C57.12.00-1993 e
C57.12.01-1998. Também é conhecido que um maior conteúdo harmônico na corrente causa
maiores perdas parasitas nos condutores dos enrolamentos dos equipamentos e aumentos de
temperatura nas partes estruturais devido ao fluxo de dispersão.
Este aumento de cargas não lineares tem criado a necessidade de se aplicar certas
práticas especiais quando há cargas harmônicas no circuito de transformadores de distribuição
de pequena e média potência. A IEEE Std C57.110-1998 define como se deve proceder em
tais situações. Esta própria IEEE reconhece que estes métodos tendem a ser extremamente
conservativos. Logo as recomendações para utilização destes transformadores de baixa
potência para uma carga menor que a nominal serão menos aplicáveis.
Esta recomendação também estabelece que transformadores a óleo têm diferentes
limitações que transformadores à seco, devendo a abordagem para cada tipo ser diferenciada
quando necessário.
Os transformadores que irão suprir cargas não lineares devem ser especificados com
base no espectro da corrente harmônica. Caso esta não seja conhecida, suposições
conservadoras são utilizadas, sob o risco de sobredimensionar o transformador para a
aplicação desejada.
Para uma análise mais profunda dos efeitos dos harmônicos sobre os transformadores,
é necessário estabelecer certas considerações iniciais. As IEEE Std C57.12.90-1993 e IEEE
Std C57.12.91-1995 categorizam as perdas em transformadores em perdas sem carga (perdas
de excitação), perdas em carga (perdas pela impedância), e perdas totais (a soma de ambas as
perdas anteriores). Perdas em carga são subdividadas em perdas ôhmicas e perdas por
dispersão. As perdas por dispersão são determinadas subtraindo-se as perdas ôhmicas
(calculadas a partir da resistência medida) das perdas em carga.
Segundo a IEEE Std C57.110-1998, as perdas por dispersão podem ser definidas como
as perdas devido ao fluxo de dispersão eletromagnético nos enrolamentos, núcleo, braçadeiras
do núcleo, escudos magnéticos, caixa do transformador, etc. O fluxo de dispersão pode ser
subdividido em fluxo de dispersão no enrolamento e fluxo de dispersão nos outros
componentes (POSL). As perdas por dispersão no enrolamento incluem as perdas parasitas na
superfície dos condutores do enrolamento e perdas devido à circulação de correntes entre
19
superfícies e enrolamentos paralelos. Todas essas perdas são consideradas como constituintes
da perda parasita no enrolamento, PEC. Logo as perdas totais, dadas em watts, são
estabelecidas conforme a equação abaixo:
PLL  P  PEC  POSL
(1)
Onde:
PLL = perdas totais
P = perdas ôhmicas
PEC = perdas por dispersão nos enrolamentos
POSL = perdas por dispersão em outros componentes
Se o valor RMS da corrente a plena carga aumenta devido aos harmônicos, as perdas
ôhmicas aumentarão da mesma forma.
BISHOP (1993), CREPAZ (1970) e BLUME (1951) demonstram que as perdas por
correntes parasitas no enrolamento (PEC) no espectro de freqüência tendem a serem
proporcionais ao quadrado da corrente de carga e ao quadrado da freqüência. Esta é a
característica que pode causar perdas excessivas nos enrolamentos e consequentemente um
aumento anormal de temperatura nos enrolamentos em transformadores suprindo correntes
não lineares.
É reconhecido que outras perdas por dispersão (POSL) no núcleo, braçadeiras e outras
partes estruturais também irão aumentar em uma taxa proporcional à corrente ao quadrado.
Entretanto, essas perdas não irão aumentar a uma taxa proporcional ao quadrado da
freqüência, como nas perdas dos enrolamentos. Estudos de fabricantes e outros pesquisadores
têm mostrado que as perdas parasitas em barramentos, conexões, e outras partes estruturais
aumentam por um fator de expoente harmônico menor ou igual a 0,8. Como transformadores
a seco não apresentam uma caixa envolvente e líquido isolante, aumentos de temperatura nas
partes estruturais são menos críticas que nos enrolamentos. Já para transformadores a óleo,
um aumento de temperatura nas partes estruturais irá corresponder a um aumento na
temperatura do óleo isolante, devendo este efeito ser necessariamente levado em conta
durante estudos.
Correntes de carga harmônicas são freqüentemente acompanhadas de uma
componente de corrente contínua (CC). Esta componente CC aumenta as perdas no núcleo do
transformador levemente, mas aumenta substancialmente a corrente de magnetização e o
ruído sonoro. Para componentes de corrente contínua relativamente pequenas (até o valor
20
RMS da corrente de excitação do transformador sob tensão nominal) não há praticamente
efeito na capacidade de carga do transformador, segundo a IEEE Std C57.110-1998. Mas para
componentes CC da corrente de carga maiores deve se considerar seu efeito sobre o
transformador.
2.3
Perdas no transformador e o efeito das correntes harmônicas nestas
perdas
Para conhecimento melhor das perdas e seus efeitos em transformadores, a fim de se
obter uma compreensão mais completa do tema em estudo, uma abordagem mais profunda e
explicativa sobre as perdas existentes no transformador é dada a seguir.
A IEEE Std C57.110-1998 expõe que transformadores de força de até 50 MVA são
quase sempre do tipo núcleo envolvido. Os enrolamentos de alta e baixa tensão são cilindros
concêntricos envolvendo uma perna vertical do núcleo de seção transversal retangular ou
circular. As pernas verticais do núcleo e os jugos horizontais que constituem o circuito
magnético são feitos de lâminas finas de aço-silício. Na parte superior e inferior dos jugos
têm-se as partes estruturais que podem ser metálicas ou de materiais isolantes.
Transformadores a óleo são fechados dentro de um tanque de aço, enquanto
transformadores a seco podem ser livres ou envolvidos por uma estrutura metálica, conforme
o grau de proteção. Se uma corrente contínua passa através dos enrolamentos de um
transformador, uma simples perda ôhmica é produzida. Entretanto, se uma corrente alternada
de mesma magnitude passa através dos enrolamentos, perdas adicionais são produzidas. Isto
pode ser explicado da seguinte forma. Quando os enrolamentos do transformador transportam
corrente alternada, cada condutor é envolvido por um campo eletromagnético alternado no
qual a força eletromagnética é diretamente proporcional a magnitude da corrente. Uma figura
do campo produzido por uma corrente nominal fluindo por todos os condutores dos
enrolamentos é mostrada na figura 1, a qual é uma visão da seção transversal através do
núcleo, enrolamentos, estrutura e tanque. Cada condutor metálico ligado pelo fluxo
eletromagnético experimenta uma tensão induzida interna que faz com que correntes parasitas
fluam no condutor. As correntes parasitas produzem perdas que são dissipadas na forma de
calor, produzindo uma elevação de temperatura adicional no condutor sobre seus arredores.
Este tipo de perdas extras além das perdas ôhmicas são freqüentemente referidas como perdas
21
por dispersão. Mesmo que todas as perdas extras sejam perdas por correntes parasitas, a
porção nos enrolamentos é a geralmente chamada perdas por correntes parasitas, P EC, e a
porção fora dos enrolamentos é chamada de outras perdas por dispersão, POSL.
Perdas por correntes parasitas nos condutores dos enrolamentos são proporcionais ao
quadrado da força do campo eletromagnético (ou ao quadrado da corrente de carga que
produz o campo) e ao quadrado da freqüência da corrente alternada. As outras perdas por
dispersão são geralmente proporcionais à corrente elevada a uma potência pouco menor que
1, por que a profundidade de penetração do fluxo eletromagnético em outras partes metálicas
(geralmente aço) varia com a força do campo. (Para correntes harmônicas de freqüências
muito altas o fluxo eletromagnético pode não penetrar totalmente nos condutores dos
enrolamentos, mas é conservativo supor que as perdas por correntes parasitas, PEC, é
proporcional ao quadrado da freqüência da corrente harmônica). Quando o transformador está
sujeito a uma corrente de carga que tenha conteúdo harmônico considerável, as perdas
parasitas extras nos condutores dos enrolamentos e em outras partes metálicas irão elevar a
temperatura dessas partes acima da temperatura normal de operação sob condições nominais.
Experiências têm mostrado que os condutores dos enrolamentos são as partes mais críticas na
determinação de uma temperatura aceitável de operação, logo, o objetivo deve ser prevenir
que as perdas nos condutores quando o equipamento alimentar carga não linear não excedam
as perdas permitidas quando o mesmo estiver operando com freqüência nominal.
O enrolamento mais interno de um transformador de núcleo envolvido tipicamente
tem perdas de correntes parasitas maiores que o enrolamento externo a este, pois o fluxo
eletromagnético tem uma tendência maior para franjear para dentro para o caminho de menor
relutância da perna do núcleo. Além disso, o local de maiores perdas por correntes parasitas
geralmente é a região onde se encontram os últimos condutores do enrolamento interno. Isto é
o resultado do fato que esta é a área de maior densidade de fluxo eletromagnético radial
(espaçamento mais perto das linhas de fluxo direcionadas radialmente na figura 1) e que o
fluxo radial passa através da largura do condutor retangular do enrolamento, já que a largura
de um condutor é de 3 a 5 vezes a dimensão da espessura e a perda por corrente parasita é
proporcional ao quadrado da dimensão.
Correntes harmônicas fluindo através da impedância do transformador e através da
impedância do sistema podem também produzir alguma pequena distorção harmônica na
forma de onda da tensão nos terminais do transformador. Tais harmônicos de tensão também
causam perdas harmônicas extras no núcleo do transformador. Entretanto, as experiências têm
22
indicado que o aumento da temperatura do núcleo nunca será o parâmetro limitador para
determinação de magnitudes seguras de correntes não senoidais.
Figura 1 - Campo eletromagnético criado por uma corrente de carga em um transformador.
FONTE: TRANSFORMERS COMMITTEE OF THE IEEE POWER ENGINEERING SOCIETY. IEEE
recommended practice for establishing transformer capability when supplying nonsinundal load currents.
(1998)
23
2.4
Capacidade equivalente de um transformador
A capacidade equivalente de um transformador é a capacidade do mesmo em suportar
cargas não lineares, mantendo as perdas máximas permitidas, por meio da redução da corrente
nominal de regime permanente e baseia-se nas seguintes premissas:
1) O transformador, exceto pela distribuição de corrente de carga harmônica, deve
operar de acordo com a IEEE Std C57.12.00-1993 ou a IEEE Std C57.12.01-1998.
2) O transformador deve ser capaz de suprir uma corrente de carga de qualquer
conteúdo harmônico desde que as perdas totais, as perdas em cada enrolamento, e
a densidade de perdas da região de maiores perdas parasitas não excedam os níveis
para plena carga, freqüência nominal, e condições de onda senoidal. É também
pressuposto que a condição limitante é a densidade de perdas na região de maiores
perdas parasitas no enrolamento.
Para a IEEE Std C57.110-1998, a maior preocupação em um transformador operando
sob condições de cargas harmônicas é o sobreaquecimento dos enrolamentos, logo, é
conveniente considerar a densidade das perdas nos enrolamentos na base p.u. (corrente base é
a corrente nominal e as perdas base são as perdas ôhmicas sob corrente nominal). Dessa
forma a Equação (1) aplicada para condições nominais de carga pode ser escrita da seguinte
forma:
PLL R ( pu)  1  PEC  R ( pu)  POSLR ( pu)
(2)
Onde:
PLL-R = perdas totais em pu
PEC-R = perdas por dispersão nos enrolamentos em pu
POSL-R = perdas por dispersão em outros componentes em pu
Dadas as perdas por correntes parasitas sob condições nominais para um enrolamento
do transformador ou parte dele (PEC-R), as perdas por correntes parasitas devido a qualquer
corrente de carga não senoidal definida pode ser expressa por:
24
PEC  PEC  R
h  hMAX

(
h 1
Ih 2 2
) h
IR
(3)
Onde:
PEC = perdas por dispersão no enrolamento devido a qualquer ordem harmônica
PEC-R = perdas por dispersão no enrolamento devido a corrente nominal
Ih = corrente eficaz do harmônico considerado
IR = corrente nominal na freqüência nominal
h = ordem do harmônico considerado
As perdas ôhmicas sob carga nominal é 1 por unidade. Para correntes não senoidais, a
equação para a corrente RMS em p.u. (corrente base é a corrente nominal), será:
I ( pu) 
h  hMAX

h 1
I h ( pu)
2
(4)
Onde:
I (pu) = corrente eficaz em pu
Ih (pu) = corrente eficaz do harmônico considerado em pu
A Equação (3) também pode ser escrita em p.u. (corrente de base é a corrente nominal
e perdas base são as perdas ôhmicas sob corrente nominal):
PEC ( pu)  PEC  R ( pu)
h  hMAX
I
h 1
h
( pu ) 2 h 2
(5)
As equações de (2) a (5) assumem que as correntes de aplicação medidas são tomadas
sobre as correntes nominais do transformador. Já que isto é raramente encontrado em campo,
um novo termo é necessário para descrever as perdas parasitas no enrolamento sobre a
corrente medida e freqüência da rede, PEC-O. Três suposições em adição às premissas básicas
anteriormente feitas são necessárias para clarear o uso deste termo:
1) As perdas parasitas são aproximadamente proporcionais ao quadrado da
freqüência. Essa suposição irá fazer com que qualquer equação subseqüente seja
precisa para condutores pequenos e baixas freqüências harmônicas, com erros para
uma combinação de grandes condutores e altas freqüências harmônicas.
25
2) As perdas parasitas são função da corrente nos condutores, qualquer equação para
perdas pode ser expressa em termos da corrente de carga RMS, I.
3) Superposição de correntes parasitas é aplicável, o que irá permitir a adição direta
de perdas parasitas devido aos vários harmônicos.
As equações (3) e (5) podem ser escritas agora de uma forma mais generalizada:
PEC  PEC O
h  hMAX

(
h 1
Ih 2 2
) h
I
(6)
Removendo o termo de corrente RMS I, do somatório, a equação se torna:
h  hMAX

PEC  PEC O
2
Ih h2
h 1
I
(7)
2
O valor RMS da corrente não senoidal é dado por:
I
h  hMAX

h 1
Ih
2
(8)
O termo da corrente RMS I pode ser expresso em termos das freqüências
componentes:
h  hMAX
PEC  PEC O

2
Ih h2
h 1
h  hMAX

h 1
(9)
Ih
2
2.4.1
2.4.2 Fator de perdas harmônicas para perdas parasitas no enrolamento
É conveniente definir um único número que pode ser usado para determinar a
capacidades de um transformador em suprir energia para uma carga. FHL é um fator de
proporcionalidade aplicado às perdas parasitas no enrolamento, que representa o aquecimento
26
RMS efetivo como resultado da corrente de carga harmônica. FHL é uma relação das perdas
por correntes parasitas totais devido aos harmônicos, PEC, pelas perdas por correntes parasitas
na freqüência da rede (PEC-O). Esta definição é dada na forma da Equação (10) abaixo:
h  hMAX
FHL 
PEC

PEC O

2
Ih h2
h 1
h  hMAX

h 1
(10)
Ih
2
Onde:
FHL = fator de perdas harmônicas
PEC = perdas por correntes parasitas totais devido aos harmônicos
PEC-O = perdas por correntes parasitas na freqüência da rede
A equação anterior permite que FHL seja calculado em termos dos valores RMS reais
das correntes harmônicas. Vários equipamentos de medição permitem que sejam feitos
cálculos em termos de harmônicos normalizados pela corrente RMS total ou a corrente da
freqüência fundamental. A equação (10) pode ser adaptada para estas situações dividindo o
numerador e o denominador por I1, a corrente fundamental harmônica, ou por I, a corrente
RMS total.
2.4.3 Fator de perdas harmônicas para outras perdas por dispersão
Apesar do aquecimento devido às outras perdas por dispersão geralmente não ser
considerado em transformadores a seco, este pode ter um efeito substancial em
transformadores a óleo. Uma relação similar ao fator de perdas harmônicas para perdas
parasitas no enrolamento existe para estas outras perdas por dispersão no transformador, e
pode ser desenvolvida de uma maneira similar. Entretanto, as perdas devido às conexões no
barramento, partes estruturais, tanque, etc. são proporcionais ao quadrado da corrente e a
freqüência harmônica por um fator exponencial de 0,8, como mostra a Equação (11) a seguir:
27
POSL  POSL R
h  hMAX

h 1
(
I h 2 0 ,8
) h
IR
(11)
Onde:
POSL = perdas por dispersão em outros componentes devido a qualquer ordem
harmônica
POSL-R = perdas por dispersão em outros componentes
h = ordem do harmônico considerado
Ih = corrente eficaz do harmônico considerado
IR = corrente nominal na freqüência fundamental
As equações correspondentes ao fator de perdas harmônicas, normalizada para a
corrente fundamental ou normalizada para a corrente RMS pode ser escrita como:
h  hMAX
FHL  STR
2.5
 Ih 
 

h 1  I 

h  hMAX
 Ih


h 1  I
2
h 0 ,8



2
(12)
Considerações para o projeto especificando um novo transformador
A IEEE Std C57.110-1998 cita as considerações a seguir na especificação de um novo
transformador que pode alimentar cargas não lineares. Este transformador é conhecido pelo
mercado como transformador com fator K, onde suas características construtivas o tornam
aplicável a certos níveis de cargas não lineares, previamente especificados, sem que haja o
sobreaquecimento e necessidade de trabalhar com cargas menores que a nominal. O conceito
de fator K, como já explicado na introdução, será retomado no devido momento, com uma
comparação direta com o fator de perdas harmônicas.
28
2.5.1 Filtro de corrente harmônico
Onde for praticável, o usuário deve instalar filtros na linha secundária para reduzir
algumas das correntes harmônicas requeridas ao transformador. Se uma das freqüências
harmônicas está perto da freqüência de ressonância resultante do circuito filtrador, pode
ocorrer uma amplificação de corrente nesta freqüência.
2.5.2 Impacto no neutro
Quando as freqüências de corrente harmônica incluem harmônicos de ordem múltiplo
de três, correntes de seqüência zero fluem no neutro, estas por estarem em fase podem
ocasionar correntes até 3 vezes maiores do que a nominal no neutro. Dessa forma, uma prática
comum é dobrar o tamanho do condutor afim de se evitar problemas por sobreaquecimento.
2.5.3 Equipamento de correção de fator de potência
Equipamentos de correção de fator de potência são freqüentemente instalados para
diminuir custos. Cuidados devem ser tomados quando isto é feito, visto que a amplificação da
corrente em certas freqüências devido à ressonância no circuito pode ser bem alta. Somandose, a indutância que é reduzida no circuito geralmente permite que maiores correntes
harmônicas existam no sistema. Efeitos de aquecimento devido aos harmônicos nessas
condições podem causar danos no transformador ou outros equipamentos. As perdas
adicionais produzidas podem também aumentar os custos devido à maior energia necessária,
mesmo que o fator de potência seja melhorado.
2.5.4 Escudos eletrostáticos
Escudos eletrostáticos aterrados são freqüentemente especificados entre os
enrolamentos primário e secundário. A presença de escudos eletrostáticos tende a diminuir o
acoplamento capacitivo entre os enrolamentos. Isto reduz o acoplamento de transitórios entre
29
os enrolamentos. Distúrbios nas linhas produzidos por um equipamento conversor conectado
ao secundário do transformador serão reduzidos, mas não serão eliminados no primário do
transformador. Estes escudos não têm a intenção de reduzir as correntes harmônicas, mas em
virtude de seu acoplamento magnético a enrolamentos transportando tais correntes, perdas de
calor adicionais são reduzidas. Os escudos eletrostáticos são um suplemento, mas não
necessariamente uma alternativa para filtros de corrente harmônicas. Logo, um filtro ainda
pode ser necessário para atingir a qualidade de energia desejada.
Os escudos eletrostáticos também servem como proteção para o lado secundário do
transformador de transitórios que podem ser induzidos do enrolamento de alta tensão. Isto é
especialmente importante para transformadores com secundários não aterrados. Transitórios
no lado de alta tensão do transformador podem aumentar dramaticamente a onda de tensão
vista num enrolamento secundário não aterrado ao invés do que poderia ser esperado para um
enrolamento aterrado. Isto pode danificar os enrolamentos, partes do transformador e
equipamentos conectados no secundário do transformador. A presença de um escudo
eletrostático entre os enrolamentos primário e secundário reduz a magnitude dos transitórios
acoplados aos enrolamentos secundários.
2.5.5 Considerações para o projeto de partes externas
Correntes harmônicas podem substancialmente aumentar as perdas por dispersão em
partes estruturais fora dos enrolamentos. Afastamentos adicionais, uso de materiais não
magnéticos, a interrupção de potenciais caminhos de circulação de corrente, e o uso de
materiais protetores devem ser considerados como modos de reduzir os efeitos de
aquecimento da corrente harmônica na estrutura do equipamento. Estas outras perdas por
dispersão (POSL) devem ser incluídas nas perdas usadas para determinar a temperatura
máxima de elevação do óleo, em transformadores a óleo sob condições de carga não linear.
2.5.6 Análise do espectro harmônico
É preferível que o espectro harmônico ao qual o transformador será submetido seja
especificado ao fabricante. Uma análise precisa para o dimensionamento correto do
30
transformador pode apenas ser feito analisando-se o espectro harmônico. Se o espectro não
pode ser fornecido, então um cálculo do usuário ou uma estimativa do fator de perdas
harmônicas deve ser especificado. Entretanto, a unidade será dimensionada de uma forma
conservadora, compensando a falta de informação sobre a carga. O engenheiro responsável
pela especificação deve fornecer esta informação, já que o fabricante não pode assumir
valores sem um real conhecimento do sistema em que o transformador trabalhará.
2.5.7 Considerações para o projeto dos enrolamentos
Já que as correntes harmônicas podem substancialmente aumentar as perdas parasitas
no enrolamento, estas devem ser consideradas no cálculo de elevação de temperatura quando
um novo transformador é projetado. Para cada enrolamento, as perdas por correntes parasitas
em p.u. na região de maior densidade de perdas podem ser definidas para a freqüência e
corrente nominal de operação pelo fabricante sobre os termos da Equação (2), com POSL-R em
p.u. igual a zero, já que por definição não há nenhuma outra perda por dispersão no
enrolamento. A densidade de perdas em p.u. nesta região de maiores correntes parasitas pode
então ser recalculada para a corrente de carga não senoidal definida, combinando-se as
Equações (2), (5), (8), e (11).
PLL( pu)  I ( pu) .(1  FHL .PEC  R ( pu) )
2
(13)
Onde:
PLL = perdas totais em carga
I = corrente eficaz em pu
FHL = fator de perdas harmônicas
PEC-R = perdas por dispersão nos enrolamentos
Para ajustar a densidade das perdas em p.u. nos enrolamentos individuais, o efeito da
FHL deve ser conhecido nos mesmos. Assim o enrolamento de baixa tensão, com seu condutor
de seção transversal maior pode iniciar com uma densidade de perdas menores e uma menor
elevação de temperatura em relação ao primário, mas pode aumentar mais que este e exibir o
ponto de maior temperatura no transformador para cargas harmônicas. Isso quer dizer que há
um determinado valor de FHL para a carga, mas este pode gerar diferentes efeitos em
diferentes transformadores e diferentes enrolamentos.
31
Para transformadores a óleo, o aquecimento da temperatura do líquido isolante se dá
por perdas por dispersão nas partes estruturais e pelas perdas parasitas nos enrolamentos.
Nessas regiões mencionadas, considerando a densidade das perdas em p.u. obtida pela
Equação (13), com uma corrente não senoidal de magnitude RMS de 1 p.u., limites de
temperatura e aumento de temperatura dadas pelas IEEE Std C57.12.00-1993 e IEEE Std
C57.12.01-1998 devem ser respeitadas.
2.6
Comparação do fator K definido pela Underwriter Laboratories com
a definição de fator de perdas harmônicas dada pela IEEE Std
C57.110-1998
2.6.1 Definição de fator K pela Underwriter Laboratories
A definição para a classificação fator K para transformadores a seco é dada na UL
1561-1994 e UL 1562-1994. No parágrafo 7B.1 adicionado à UL 1562 em 12 de maio de
1992, o fator K é definido como uma classificação opcionalmente aplicada ao transformador
indicando sua capacidade para uso em cargas que se alimentam de correntes não senoidais. A
equação do fator K é dada como:

Fator K =  I h ( pu) h 2
2
(14)
h 1
onde:
Ih(pu) = corrente RMS no harmônico “h” em p.u.
h
= ordem do harmônico
A Underwriters Laboratories (UL) ressalta que transformadores classificados como
fator K não foram avaliados para uso em cargas harmônicas onde a corrente RMS de qualquer
harmônico, maior que o décimo, superar a corrente RMS fundamental em 1/h.
32
2.6.1.1 Relações entre fator K e fator de perdas harmônicas
A definição do fator K da UL é baseada no uso da corrente nominal do transformador
para o cálculo da corrente em p.u.. Substituindo a corrente nominal na equação do fator K
resulta em:
I
Fator K =   h
h 1  I R

2
 2
1
 h  2
IR


I
h 1
2
h
h2
(15)
onde:
IR = corrente de carga RMS nominal do transformador
O fator de perdas harmônicas definido pela IEEE Std C57.110-1998, é dada pela
Equação (16):
h  hMAX

FH L 
2
I h h2
h 1
h  hMAX

h 1
(16)
Ih
2
Rearranjando a equação tem-se:
h  hMAX

h 1
I h h  FHL
2
2
h  hMAX

h 1
Ih
2
(17)
Substituindo na Equação (15):
 h hMAX 2 
  Ih 
Fator K =  h 1 2  FHL
 I

R




(18)
A Equação (18) fornece a relação entre o fator de perdas harmônicas e o fator K. Este
primeiro é uma função da distribuição das correntes harmônicas e é independente da
33
magnitude relativa. Já o fator K é dependente da magnitude e da distribuição da corrente
harmônica.
Para medições das correntes harmônicas em instalações existentes o valor numérico do
fator K é diferente do valor do fator de perdas harmônicas. Para um grupo de medidas de
correntes harmônicas o cálculo do fator K é dependente da corrente nominal secundária do
transformador. Para um novo transformador com correntes harmônicas especificadas em p.u.,
com base na corrente secundária nominal, o fator K e o fator de perdas harmônicas tem os
mesmos valores numéricos. O valor do fator K iguala-se ao valor do fator de perdas
harmônicas somente quando a raiz quadrada do somatório das correntes harmônicas ao
quadrado iguala-se a corrente secundária do transformador.
2.7
Ensaios de elevação de temperatura em transformadores
Um grande problema causado pelas correntes harmônicas nos transformadores é o
sobreaquecimento. Este fenômeno causa falhas prematuras no equipamento além de diminuir
a vida útil do mesmo. Isto ocorre, principalmente, devido ao aumento da temperatura alterar
as características químicas e mecânicas da isolação dos enrolamentos, causando curto-circuito
entre espiras e às vezes queima do transformador.
Sendo assim é extremamente importante que sejam feitos ensaios de monitoramento
da temperatura durante a operação dos equipamentos para garantir que estes problemas não
ocorram no campo.
2.7.1 Ensaios de elevação de temperatura em transformadores com carga linear
Conforme a NBR 10295 de 1988 o ensaio de elevação de temperatura com carga
linear é um ensaio de tipoi, que visa verificar se o transformador se comporta termicamente,
em condições normais de trabalho, conforme foi especificado. Este experimento é realizado
em duas etapas, onde primeiramente o transformador opera a vazio (sem carga), e
posteriormente o mesmo é submetido à carga nominal.
i
Ensaio de Tipo: é o mais simples dos modelos de certificação. Fornece uma comprovação de conformidade de
um item de um produto, em um dado momento. É uma operação de ensaio, única no seu gênero, efetuada de uma
só vez, limitando aí os seus efeitos.
34
Tanto para o ensaio realizado com aplicação de perdas em vazio como para o ensaio
com perdas em carga nominal, é necessário que o equipamento atinja o seu equilíbrio térmico.
No primeiro ensaio a elevação de temperatura T2 é medida quando se obtém variações de
temperatura inferiores a 1ºC por hora nos enrolamentos. Já quando o transformador alimenta
carga nominal é necessário que a temperatura não varie em mais de 2% da elevação de
temperatura permissível por hora ou 2ºC por hora, aquela que for menor, para que essa
condição seja satisfeita.
A elevação total da temperatura no transformador, com corrente nominal no
enrolamento e excitação nominal do núcleo, pode ser calculada pela equação a seguir:
 T
T  T1  1   2
  T1



1, 25



0 ,8
(19)
onde:
 T = elevação total de temperatura
 T1 = elevação de temperatura resultante do ensaio com carga nominal
 T2 = elevação de temperatura resultante do ensaio a vazio
2.7.1.1 Medição da temperatura ambiente
Para a medição da temperatura ambiente se faz necessário a utilização de diversos
termômetros, estando estes protegidos de correntes de ar, irradiações térmicas e
principalmente da própria irradiação de calor do equipamento. Com o objetivo de se evitar
erros devido a demora entre as variações da temperatura do transformador e a temperatura
ambiente, os termômetros devem ser colocados em recipientes preenchidos com óleo.
A temperatura média que deve ser adotada nos ensaios é a média das leituras feita
nestes termômetros. Em transformadores com resfriamento natural, deve-se utilizar pelo
menos 3 termômetros ao redor do transformador, a uma distância de um a dois metros e a
meia altura do mesmo. Já em transformadores com resfriamento forçado os termômetros
devem ser colocados na direção do fluxo de ar circundante às entradas dos trocadores de
calor, distante suficientemente do tanque e das superfícies refrigeradas, com intuito de se
evitar a influência por calor radiante.
35
2.7.1.2 Medição da temperatura em ensaio com carga
Este ensaio começa imediatamente após o ensaio de elevação de temperatura com
perdas a vazio, sendo realizado até que sejam obtidas as condições necessárias de temperatura
conforme exposto anteriormente. Nesta etapa um dos enrolamentos é percorrido por corrente
nominal enquanto que o outro é mantido curto-circuitado.
Para equipamentos enclausurados e não enclausurados, os termômetros ou termopares
devem ser colocados no centro da culatra superior e o mais próximo possível dos condutores
mais internos do enrolamento de baixa tensão e devem ser posicionados também na
extremidade superior destes. No caso de unidades trifásicas a medição deve ser feita na coluna
central. Em transformadores selados ou completamente enclausurados, os sensores de
temperatura são colocados no centro da tampa e no centro de um dos lados da superfície do
invólucro.
A elevação da temperatura nos enrolamentos do transformador aplicando-se carga
nominal pode ser medida por dois métodos distintos, sendo eles:
 Método termoelétrico
 Método de variação de resistências
A escolha do procedimento utilizado é um acordo entre o comprador e o fabricante.
2.7.1.3 Método Termoelétrico
Quando se utilizar o método termoelétrico deve-se colocar, no mínimo, um
termômetro em cada um dos grupos de alta e de baixa tensão. Caso o grupo de bobinas
consista de diversas bobinas, é necessário utilizar um termômetro para cada grupo.
A elevação de temperatura média do enrolamento é expressa a seguir:
T1    Ta
(20)
onde:
 T1 = elevação de temperatura média, em graus Celsius
 Θ = temperatura média do enrolamento medido pelo termômetro, em graus
Celsius
 Ta = temperatura ambiente, em graus Celsius
36
2.7.1.4 Método de Variação de Resistência
A elevação média da temperatura neste método é dada pela mesma Equação (20)
exposta anteriormente, todavia a temperatura média do enrolamento é dada pela Equação (21)
a seguir:

R
k      k
R
(21)
onde:
 Ro = resistência a frio, em ohms
 RΘ = resistência a quente, em ohms
 Θ = temperatura correspondente a RΘ, em graus Celsius
 Θo = temperatura correspondente a Ro, em graus Celsius
 k = 234,5 para enrolamento de cobre e 225 para enrolamento de alumínio
2.7.1.4.1 Determinação da resistência no instante do desligamento
Imediatamente após o desligamento da fonte de energia e finalização do efeito
indutivo, deve-se medir a resistência entre dois terminais do enrolamento em função do tempo
extrapolando a curva a fim de se obter também o valor da resistência no momento em que a
energia foi desligada.
Nos primeiros 4 minutos desta etapa do ensaio é necessário que se meça a resistência
dos enrolamentos pelo menos por 3 vezes para se obter uma extrapolação correta da curva.
2.7.1.4.2 Correção na elevação de temperatura para corrente reduzida
Aplicando-se o método de variação de resistência é possível realizar as medições com
uma corrente de ensaio (It)ii inferior a corrente nominal (In), contudo após as análises é
necessário efetuar uma correção destes valores através da equação abaixo:
ii
A corrente de ensaio (It) precisa ser ter valor mínimo de 90% da corrente nominal (I n)
37
I
 n   t   n
 It



q
(22)
onde:
 ∆Θn = elevação de temperatura do enrolamento, com corrente nominal, em
graus Celsius
 ∆Θt = elevação de temperatura do enrolamento, com corrente de ensaio It, em
graus Celsius
 q = expoente dependente do tipo de resfriamento – 1,6 para transformadores
com resfriamento natural e 1,8 para transformadores com resfriamento forçado
2.7.2 Ensaios de elevação de temperatura com carga não linear
DUGAN (1996) mostra que o sobreaquecimento em transformadores que alimentam
cargas não lineares se deve principalmente a três efeitos: o aumento do valor RMS da corrente
devido as harmônicas gerando maiores perdas no cobre; elevada perda por dispersão de fluxo
magnético gerando correntes parasitas nos enrolamentos, núcleo, partes metálicas, etc, já que
essas dependem do quadrado da freqüência; aumento das perdas nas lâminas do núcleo
devido as altas freqüências.
Algumas bibliografias ainda comentam que os efeitos destas perdas são comparados a
um aumento de 10 a 15% de carga, sendo equivalente a um aumento de 10o C em
transformadores a óleo e 30o C a 35 o C para transformadores a seco alimentando carga linear.
Atualmente não há nenhum ensaio normalizado de elevação de temperatura em
transformadores que alimentem cargas não senoidais. Estes quando ocorrem, são geralmente
determinados pelo próprio fabricante seguindo os princípios de ensaios com carga linear,
porém com algumas adaptações, como por exemplo: utilização de um maior número de
termopares, realização do ensaio com uma carga que possua uma taxa de distorção harmônica
(THD) definida, etc.
Em GALLI e COX, (1996) e THAMMARAT (2004), por exemplo, são mostrados
experimentos feitos por fabricantes como a Southwestern Electric Power Company
(SWEPCO) dos Estados Unidos e a T.D.TRANSFORMER CO., LTD. da Tailândia onde são
ensaiados transformadores a óleo alimentando cargas não lineares. Nestes ensaios as cargas
38
possuem o THD variando dentro de um intervalo, chegando, em alguns casos, a valores de até
48%. Além disso, são aplicados diversos termopares em várias regiões do transformador
como dutos de refrigeração, nos enrolamentos de alta e baixa tensão, entre o núcleo e os
enrolamentos, no próprio núcleo, etc, além dos que a norma exige.
Apenas para relembrarmos, THD é o valor RMS efetivo das componentes harmônicas
de uma forma de onda distorcida, quer dizer, o valor potencial de aquecimento dos
harmônicos em relação a fundamental e é calculada pela seguinte equação:
h max
THD 
M
h2
2
h
(23)
M1
Onde:
Mh = grandeza (corrente ou tensão) no harmônico “h”
M1 = grandeza (corrente ou tensão) fundamental
2.7.3 Recomendação IEEE para medição de elevação de temperatura sobre condições
de carga não senoidal
A IEEE Std C57.110-1998 propõe um método para realizar uma rigorosa medição de
elevação de temperatura sob condições de carga não senoidal. Segundo este método, a
medição deve ser realizada sob condições normais de serviço do equipamento, com a unidade
totalmente montada, com meios originais de resfriamento. Caso o transformador for equipado
com indicadores térmicos, transformadores de corrente tipo bucha, ou algum outro periférico,
tudo deve estar instalado ao realizar o teste.
As condições sobre as quais os limites de temperatura se aplicam são estabelecidas na
IEEE Std C57.12.01-1998 ou IEEE Std C57.12.00-1993 como aplicáveis a transformadores a
seco ou a óleo. Nota-se que limites especiais de elevação de temperatura podem ser aplicados
para certas condições de teste com cargas harmônicas. Estes limites devem ser aceitos pelo
fabricante e comprador somente para aplicações especiais. Ao menos que de outra forma
especificado, todos os transformadores devem ser testados na combinação de conexões e tapes
que dão a maior temperatura de elevação do enrolamento sobre cada condição de teste.
39
Como referência à definições e testes padrões, tem-se recomendada a IEEE Std
C57.12.91-1995 e IEEE Std C57.12.90-1993.
2.7.3.1 Medição da temperatura de componentes de transformadores
Devido a rápida variação espacial da temperatura interna, e na superfície de vários
componentes do transformador, termopares em contato íntimo é o método preferido de
medição de temperatura. A necessidade de vários termopares dentro das bobinas e núcleo do
transformador irá fazer com que estes sejam colocados durante a fabricação do equipamento a
ser testado. Devido às considerações feitas das circunstâncias do dielétrico no projeto e
roteamento dos termopares, desenhos detalhados do local e método de anexação dos
termopares devem ser incluídos no relatório de medição. As temperaturas devem ser gravadas
em intervalos regulares, não excedendo trinta minutos.
2.7.3.2 Medição da temperatura no enrolamento
Termopares devem ser anexados diretamente nas espiras do enrolamento, em locais
determinados através de estudos térmicos e eletromagnéticos, que determinem o local onde
possa haver a maior elevação de temperatura. Os termopares devem ser colocados em
transformadores trifásicos no enrolamento central e em um enrolamento lateral no mínimo, e
ambos nas bobinas primária e secundária em todos os transformadores. A elevação de
temperatura média dos enrolamentos deve ser determinada pelo método da resistência.
2.7.3.3 Medição da temperatura no núcleo
Termopares devem ser anexados diretamente nas superfícies do núcleo em locais
determinados por estudos térmicos e eletromagnéticos onde se tenha a maior elevação de
temperatura esperada. Espera-se que esses sejam dentro das curvas da janela do enrolamento
em proximidade com as bobinas nas quais as forças do campo harmônico estão concentradas.
Os termopares devem manter contato firme com a superfície e serem termicamente isolados
do meio ao redor.
40
2.7.3.4 Medição da temperatura do invólucro e da estrutura
Termopares ou termômetros devem ser colocados para gravar as máximas
temperaturas exteriores do invólucro e temperaturas das partes estruturais susceptíveis a
grandes elevações de temperatura. Particularmente, ferro ou ligas próximos aos terminais que
carregam grandes correntes ou ao núcleo magnético devem ser monitorados em sua elevação
de temperatura.
2.7.3.5 Medição da temperatura do líquido
Em transformadores a óleo, a temperatura máxima do líquido deve ser medida por um
termopar ou termômetro adequado imerso a aproximadamente 50mm abaixo da superfície do
líquido. A temperatura média do líquido deve ser tomada como igual a temperatura máxima
menos a metade da diferença na temperatura do líquido em movimento entre a parte superior
e inferior dos dutos de resfriamento.
2.7.3.6 Condições da carga elétrica
A intenção do teste de elevação de temperatura sob condições de cargas harmônicas é
simular as condições de serviço reais. Para isto, um espectro da freqüência de corrente deve
ser especificado para cada condição de carga a ser testada, e estes devem ser padronizados ou
aceitos por um usuário específico. O enrolamento primário deve ser energizado diretamente
de uma fonte senoidal, enquanto o enrolamento secundário deve estar conectado a um sistema
que tenha a capacidade de gerar as correntes harmônicas necessárias.
2.7.3.7 Características de carga no enrolamento secundário
O enrolamento secundário, ou enrolamentos, devem ser conectados a um sistema de
carga capaz de produzir correntes da magnitude e conteúdo harmônico desejado. O sistema de
carga pode consistir de uma combinação de dispositivos naturais de comutação, ou chaves
ativas, controlando a conexão de dispositivos lineares ou não lineares. O uso predominante de
41
reatores e capacitores como carga é favorável, e isto reduz significativamente a demanda de
energia na fonte do enrolamento primário.
Para testes de baixo conteúdo de harmônicos o uso de dispositivos naturais de
comutação, em conjunto com reatores e componentes resistivos tem se mostrado adequado. A
reatância de dispersão do transformador e reatância de dispersão do resistor de carga devem
ser levadas em conta no projeto do circuito. Reatâncias externas de alto valor irão reduzir
significativamente o conteúdo harmônico das correntes no secundário do transformador.
Para testes de alto conteúdo harmônico, é necessário usar dispositivos de chaveamento
ativo para permitir que pulsos de corrente mais agressivos sejam requisitados do enrolamento
secundário. Vários circuitos de carga em paralelo podem ser utilizados para dividir a carga e
gerar componentes harmônicos específicos.
Nota-se que diferentes condições de elevação de temperatura podem ser geradas por
diferentes cargas harmônicas possuindo o mesmo fator de perdas harmônicas, FHL. Logo o
espectro de freqüência da corrente obtido no teste deve ser registrado.
2.7.3.8 Requerimentos em relação aos instrumentos elétricos
A grande gama de freqüências de tensão e corrente que estão presentes nesse tipo de
teste impõe condições extras em relação à calibração e precisão do sistema de instrumentação
em freqüências mais elevadas. O sistema completo deve ter uma largura de banda declarada
não inferior a 3 kHz, incluindo os transformadores de corrente e tensão e o sistema de
gravação. A análise de Fourier deve ser capaz de interpretar um sinal de 3 kHz utilizando uma
janela de dados suficientemente grande para manter a precisão.
42
3
CAPÍTULO
3 – CARGA
LINEAR
CAPÍTULO
3 – CARGA
NÃONÃO
LINEAR
3.1
Introdução
Como citado anteriormente, o capítulo 3 é destinado à carga não linear que foi
desenvolvida para a realização dos ensaios propostos neste trabalho. Neste capítulo será
explicado o seu funcionamento e o motivo pelo qual esta foi necessária. Será apresentado,
também, as dificuldades enfrentadas durante o seu desenvolvimento, bem como o seu
desempenho depois de implementada.
3.2
Finalidade
As recomendações para os ensaios de elevação de temperatura de transformadores que
alimentam cargas não lineares propostas pela IEEE C57.110-1998, recomendam que estes
devem ser realizados sob condições normais de operação. Desta forma para que não fosse
necessário o investimento de capital em grandes equipamentos capazes de gerar um conteúdo
harmônico relevante e principalmente para poder submeter os protótipos a diferentes situações
de carga, fez-se necessário o desenvolvimento deste dispositivo.
A implementação desta foi importante também para que os transformadores
estivessem sujeitos às mesmas condições em todos os ensaios, já que isto é fundamental para
uma análise correta dos resultados.
3.3
Projeto da carga
As distorções harmônicas geradas pela carga foram obtidas através da utilização de
dispositivos semicondutores que devido às suas características intrínsecas são capazes de
oferecer irrestrita condução à passagem de corrente elétrica ou um total bloqueio da mesma,
possibilitando assim a criação de uma forma de onda resultante com harmônicos de diversas
ordens além da fundamental.
Como a equipe estava trabalhando com dois transformadores idênticos de 25 kVA,
tensões de 380/220V e como a carga deveria possibilitar que fossem feitos diversos tipos de
43
ensaios diferentes, o componente semicondutor a ser escolhido deveria apresentar valores
mínimos de tensão e corrente para que proporcionasse flexibilidade ao circuito.
Para o caso do ensaio acontecer com a carga conectada ao primário do transformador
que era ligado em delta com tensão de 380V fase fase, os requisitos mínimos exigidos para o
componente seriam:
S 3F  3  I 3F  VL
25000  3  I 3 F  380
I 3 F  37,98 A
I 1F 
I 1F
I 3F
3
 21,93 A
V pico  2  V L
V pico  2  380
V pico  537,4V
Já quando a carga for conectada ao secundário do transformador que é ligado em
estrela e cuja tensão é de 220V fase fase, a mesma estaria sujeita aos seguintes valores de
tensão e corrente:
S 3 F  3  I 3 F  VL
25000  3  I 3 F  220
I 3 F  65,61A
I 1F  I 3 F  65,61A
V pico  2  V L
V pico  2  220
V pico  311,13V
Após uma análise dos preços dos componentes semicondutores disponíveis no
mercado que poderiam atender as necessidades da equipe, esta optou pela utilização de
TRIACs de 40A e 600V.
44
Figura 2 - TRIAC - BTA41
Para que a carga conseguisse trabalhar em ambas as situações propostas anteriormente,
ligada tanto ao primário como ao secundário do transformador, foram colocados 3 TRIACs
por fase de 40A e 600V em paralelo conforme mostrado na figura abaixo. Desta forma a
capacidade em suportar corrente que cada uma das fases da carga tinha foi triplicada,
possibilitando assim que a equipe trabalhasse com folga na maioria dos ensaios além de ter a
possibilidade de ensaiar os protótipos em situações atípicas de funcionamento (maiores níveis
de distorções harmônicas, maiores picos de corrente, etc.).
Figura 3 - Esquema de ligação dos TRIACs por fase
45
3.3.1 TRIAC
TRIAC é um termo utilizado para identificar o triodo semicondutor de corrente
alternada. Este é um componente que como os SCRs são acionados através de um sinal no
gatilho, entretanto os mesmos diferem dos SCRs por terem a capacidade de conduzir corrente
em ambos os sentidos em resposta a um sinal de gate positivo ou negativo sendo então muito
utilizados no controle de circuitos que trabalham com corrente alternada.
O seu acionamento pode se dar através da aplicação de um sinal de gate ou através da
aplicação de tensão entre os terminais. Para o primeiro caso este componente se mostra muito
vantajoso visto que circuitos de grande potência podem ser controlados através de uma
corrente muito pequena. Este controle é chamado de controle de fase.
A figura a seguir demonstra as características estáticas dos TRIACs e o seu símbolo.
Figura 4 - Característica estática dos TRIACs
No quadrante (I), a polaridade no terminal principal "2" é positiva em relação ao
terminal principal "1". No quadrante (III), a tensão no terminal principal "2" é negativa em
relação ao terminal principal "1". Aumentando a tensão positiva aplicada ao terminal "2",
como mostra a curva no quadrante (I), atinge-se a tensão de break-over VBO na qual o
dispositivo comuta de um estado de bloqueio para um estado de condução. O TRIAC
permanece no estado ligado até que a corrente "Ia" caia abaixo da corrente de manutenção
(IH) quando então ele se desliga. Se a tensão V21 é invertida (V21<0), a mesma ação
comutação ocorre como mostra a curva no quadrante (III). Assim, o TRIAC é capaz de
chavear do estado ligado para o estado desligado e vice-versa, para qualquer polaridade de
V21.
46
3.3.2 Circuito de controle
O circuito de controle que foi implementado para a carga é mostrado abaixo:
Figura 5 - Circuito chaveador
Esta estrutura é conhecida como controle de fase, já que permite que seja controlado o
instante em que o pulso no gate é aplicado, controlando assim o início da condução do
TRIAC e consequentemente a porcentagem do ciclo da onda que estará alimentando a carga.
O funcionamento do circuito se dá basicamente através do braço do circuito formado
pelo potenciômetro e pelo capacitor. Quando o valor de tensão no capacitor atinge o valor de
break-over do DIAC este começa a conduzir permitindo que uma corrente chegue ao gatilho
do TRIAC, comutando-o do estado de bloqueio para condução. À medida que é alterado o
valor da resistência do potenciômetro altera-se a constante de tempo do circuito RC, ou seja, a
velocidade com que o capacitor atinge o valor de tensão de break-over do DIAC, variando o
instante em que o TRIAC comuta do estado de bloqueio para condução permitindo então a
passagem de corrente no circuito da carga.
Para se evitar o efeito de histerese que tornaria o tempo de disparo desigual de ciclo
para ciclo, já que o capacitor não estaria descarregado totalmente como estava no primeiro
ciclo, utiliza-se dos dois circuitos formados pelos diodos e resistores que tem por finalidade
resetar o tempo do capacitor para o mesmo valor em todos os ciclos.
47
3.3.3 Reostato líquido
Para se conseguir realizar os ensaios de forma correta, a equipe precisava construir um
dispositivo capaz de dissipar os 25.000W que seriam utilizados durante os mesmos.
A equipe pensou em criar uma carga composta por reostatos convencionais, entretanto
além destes apresentarem um custo elevado seria necessário a associação de vários elementos
em série e paralelo para que se atingisse o valor de resistência necessário para a realização dos
ensaios sem que estes fossem comprometidos devido a alta potência. Tudo isso demandaria
um espaço físico relativamente grande que infelizmente o laboratório da empresa não possuía,
já que o calor dissipado por estes elementos não poderia influenciar na temperatura ambiente
do laboratório. Após alguns estudos a melhor solução encontrada pela equipe foi a utilização
de reostatos líquidos, já que estes não ocupam muito espaço físico, podem assumir diferentes
valores de resistência e principalmente podem ser desenvolvidos pela própria equipe com o
custo relativamente baixo.
Figura 6 - Reostato líquido
Neste tipo de carga utiliza-se basicamente de uma cuba, na qual se fazem mergulhar
placas metálicas ligadas aos terminais do equipamento elétrico. A solução eletrolítica pode se
tornar mais ou menos condutora mediante ao aumento ou diminuição da concentração, já que
a condutividade desta depende da quantidade de íons dissolvidos.
48
Teoricamente, o reostato líquido pode dissipar qualquer potência. Basta apenas que
haja solução eletrolítica em quantidade suficiente para que a convecção do líquido mantenha
um ciclo de troca de calor constante, e a solução não entre em ebulição, pois caso isto
aconteça, o líquido fervendo pode transbordar rapidamente, e acarretar graves conseqüências
para a instalação ou pessoas próximas.
Os eletrodos que foram utilizados inicialmente tinham o formato da figura abaixo.
Este teoricamente propiciaria uma melhor distribuição da corrente em cada uma das fases e
um melhor fluxo térmico da água aquecida, entretanto viu-se que o mesmo dificultava a
colocação de um neutro o que impediria o fechamento da estrela do sistema e portanto a
equipe teve que modificar o formato dos eletrodos como será mostrado posteriormente.
Estes eletrólitos podem ser uma fase e o neutro da rede, ou as três fases, dependendo
do tipo de carga desejado (delta ou estrela).
Figura 7 - Eletrodo do reostato líquido
No caso deste trabalho a equipe utilizou água misturada com sal marinho como
solução eletrolítica. Desta forma quando era necessário aumentar a resistência mais água era
adicionada à solução, já para diminuir a mesma era acrescentado sal marinho. Uma precaução
que a equipe precisou tomar foi em relação aos gases provenientes da evaporação da mistura,
água e cloreto de sódio, como estes são corrosivos foi necessário cobrir o recipiente para
evitar a dissipação dos mesmos.
49
Figura 8 - Proteção contra gases corrosivos provenientes da solução eletrolítica
O inconveniente de se trabalhar com reostatos líquidos é que estes demandam um
maior cuidado na sua utilização. Devido ao fato da resistência depender diretamente da
concentração da solução eletrolítica e a dissipação de potência da fonte nos eletrólitos fazerem
com que esta solução evapore, a resistência acaba tendo o valor variado ao longo do tempo, já
que com a evaporação do solvente (água), haverá uma maior quantidade de soluto (sal
marinho), o que provocará o aumento da condutividade e consequentemente a diminuição da
resistência.
A medição da resistência era feita através de um multímetro especial, Minipa MX101,
que utiliza corrente alternada para a obtenção dos valores. Isto foi necessário para que esta
não apresentasse erros, já que caso fosse utilizado um multímetro convencional o valor
medido poderia ser influenciado pelo efeito da polarização das moléculas de água que ocorre
pelo fato destes utilizarem corrente contínua na medição.
3.4
Implementação
Todos os componentes utilizados pela equipe foram adquiridos em lojas convencionais
de eletrônica.
Primeiramente foi elaborado o circuito de controle do chaveador. Este como foi
explicado anteriormente tem como finalidade controlar o momento do disparo do TRIAC.
50
Cada fase possui um circuito de controle que é composto de 2 resistores, 1 potenciômetro, 1
capacitor, 4 diodos e 1 DIAC.
Figura 9 - Circuito de controle da carga não linear
Após finalizado o circuito de controle, a equipe partiu para o desenvolvimento do
circuito de potência da carga. Esta era a parte mais complicada, visto que, como este estaria
também sujeito as correntes que circulariam nos reostatos, os semicondutores responsáveis
pelo chaveamento deveriam suportam as altas correntes sem que isso o danificasse. Para que
isso fosse possível além da utilização de mais TRIACs por fase, foi necessário a utilização de
dissipadores e ventiladores afim de que todo o calor gerado fosse dissipado.
Figura 10 - Circuito de potência do chaveador
51
Figura 11 - Circuito chaveador completo com ventilação
Terminado tanto o circuito de controle como de potência da carga, partiu-se para o
desenvolvimento do reostato líquido.
Foram utilizados tambores de 200 litros de óleo para a composição da cuba. Cada um
destes foi cortado ao meio, limpo e protegido com pedaços de fibra para que não houvesse a
possibilidade da passagem de corrente dos eletrodos para o recipiente, o que acabaria gerando
corrente de fuga para a terra.
Os eletrodos foram cortados em uma máquina chamada guilhotina e depois levados
para uma outra que tinha como finalidade moldar as chapas ao formato cilíndrico desejado.
Cada um dos 3 eletrodos foram separados entre si por isoladores e então, conectados a
cabos que posteriormente seriam ligados à carga ou ao secundário do transformador,
dependendo da ligação escolhida.
52
Figura 12 - Carga não linear em funcionamento
3.5
Dificuldades enfrentadas
Durante os ensaios a equipe enfrentou várias dificuldades que acabaram atrasando o
cronograma inicial.
Um dos equipamentos em que a equipe enfrentou maior dificuldade foram os reostatos
líquidos. Além da grande dificuldade de se controlar a resistência dos mesmos, visto que esta
variava ao longo do ensaio, vários detalhes acabaram atrasando ainda mais o início das
medições.
Inicialmente, foi colocado os eletrodos das 3 fases em um único recipiente, entretanto
devido ao alto valor da corrente durante os ensaios, a solução eletrolítica acabava evaporando
muito rápido. Um outro problema de se ter os 3 eletrodos próximos é que estes não permitiam
a circulação de corrente para o neutro, visto que devido a proximidade dos mesmos era mais
fácil da corrente circular entre as fases do que para o neutro. A solução encontrada pela
equipe foi de separar cada uma das fases em uma cuba isolada.
A equipe ainda enfrentou o problema de fuga de corrente dos eletrodos para a terra, já
que devido ao fato das cubas serem metálicas e a solução condutora, a corrente poderia
circular facilmente pela mesma. Foi necessária a utilização de algo que isolasse os tambores
do chão, na COMTRAFO foi utilizado um tapete isolante capaz de suportar até 50 kV de
tensão, enquanto que no LACTEC foram utilizadas madeiras para a mesma finalidade.
53
Ao se separar cada um dos eletrodos em recipientes isolados a equipe não tomou o
devido cuidado de isolar o neutro do contato com os tambores. Isto alterava a condutividade
de cada uma das fases o que impedia o correto funcionamento do circuito chaveador.
Utilizou-se então de pedaços de madeira para que este contato fosse evitado e o circuito
pudesse funcionar corretamente.
Todavia, os reostatos não foram os únicos equipamentos que preocuparam a equipe.
Esta enfrentou ainda o problema de sobreaquecimento dos componentes semicondutores o
que obrigou a mesma a utilizar ventiladores para a dissipação do calor.
A equipe ainda precisou utilizar ventiladores também para a refrigeração dos
disjuntores. Com o decorrer das medições o ambiente onde se encontrava a carga acabava
esquentando bastante, mesmo com a utilização de disjuntores capazes de suportar 70A de
corrente, estes acabavam desarmando com o passar do tempo.
3.6
Desempenho do circuito
Após solucionados todos os imprevistos que foram citados anteriormente o circuito
apresentou um comportamento satisfatório.
A carga se comportou como projetada, ou seja, nas 3 fases foi possível alterar o ângulo
em que a corrente começaria a circular na carga, o que possibilitou à equipe escolher a
distorção harmônica que desejaria trabalhar, simulando, assim, os esforços reais que os
transformadores estão sujeitos quando alimentam cargas não lineares.
Para os ensaios, entretanto, foi padronizado um nível de distorção harmônica para que
as análises comparativas pudessem ser feitas. As formas de onda e os valores de distorção
podem ser vistos nas figuras que seguem.
54
Figura 13 - Tela de ensaio de carga não linear realizado na COMTRAFO
Figura 14 - Oscilógrafo no ensaio com carga não linear realizado na LACTEC
55
4
CAPITULO
4 - Protótipos
CAPÍTULO
4 – PROTÓTIPOS
4.1
Desenvolvimento dos Protótipos
Adicionando conhecimento ao projeto, foi dada a oportunidade pela empresa
COMTRAFO para que a equipe não só pudesse realizar os testes em seus transformadores,
mas também desenvolver o projeto destes protótipos em fábrica, aplicando o “know-how” da
empresa, com as conclusões das pesquisas em livros e artigos sobre as influências das cargas
não senoidais em transformadores. Mais especificamente, a equipe realizou os cálculos
elétricos dos transformadores em questão, dimensionando condutores, núcleo, perdas,
elevação de temperatura e outros fatores que serão abordados adiante, utilizando das fórmulas
próprias da empresa, adicionando o cálculo de perdas parasitas devido aos harmônicos no
protótipo com fator K e realizando alterações construtivas visando aumentar a suportabilidade
em relação às perdas harmônicas do transformador especial em questão.
Iniciando o desenvolvimento dos protótipos, o primeiro transformador a ser calculado
foi o fator K-1, ou seja, um transformador convencional, que suporta apenas as perdas
parasitas de uma carga senoidal, ou seja, suporta “1x” as perdas parasitas. Para iniciar o
projeto deste transformador, foi fornecido um projeto base da empresa de um transformador
de 20 kVA de potência, tipo seco resinado. Este tipo de transformador se caracteriza pela
ausência de óleo e tanque, sendo composto apenas pela parte ativa e vigas de sustentação,
isolando-se as camadas e bobinas com papel resinado. O transformador a seco resinado é
muito empregado onde há necessidade de transformação de baixas tensões (menor ou igual a
1,2kV), baixa manutenção e segurança, pois não propaga chamas, e a ausência de óleo lhe
confere o título de transformador ecologicamente correto.
A partir do projeto base escolhido, aumentou-se a potência para 25 kVA, conforme
proposto neste trabalho, e foram recalculados os novos valores das variáveis dos
transformadores como: perdas, impedância, indução, elevação de temperatura, perdas
parasitas e perdas adicionais, levando sempre em conta o custo dos protótipos.
No cálculo do transformador fator K-1, após elevar a potência para 25 kVA do projeto
base, foi necessário a substituição dos condutores por condutores maiores, aumento no
número de espiras e aumento do tamanho do núcleo, para evitar a saturação e manter as
perdas dentro do definido. Para a escolha dos condutores, usou-se do estoque da empresa de
56
matéria prima, procurando a melhor opção, que atenderia as perdas e elevação de temperatura
máxima estabelecidas. Após a escolha dos condutores, foi ajustado o entre centro do núcleo,
de forma a manter impedância dentro dos limites estabelecidos, e a altura da janela do núcleo,
dimensionando conforme o tamanho das bobinas, e o espaço mínimo necessário que deve ter
até as vigas.
Para uma melhor visualização do transformador e dos parâmetros envolvidos, a
planilha a seguir mostra o valores definidos e calculados para o transformador de 25 kVA
convencional (fator K-1).
Tabela 1 - Cálculo transformador K-1
Na planilha, a pessoa que está calculando insere os valores nas células que estão em
amarelo e analisa o cálculo efetuado pelo programa. É importante citar aqui, que uma célula
influencia em diversas outras que por sua vez influenciam em outras. Desta forma é preciso
verificar todas as variáveis do cálculo a cada dado inserido, seja na escolha do tipo de
condutor, no número de camadas por enrolamento, número de espiras, etc. preocupando-se
sempre se os valores de perdas estão dentro do permitido pela norma, se não está sendo
desperdiçando muito cobre, se a altura dos enrolamento não é superior a altura da janela do
núcleo, etc.
Após, completado esta etapa de cálculo elétrico, inicia-se a próxima etapa do projeto
do transformador, onde são realizados os cálculos mecânicos, montagem de vigas e desenhos
do transformador para a montagem em fábrica. Esta etapa foi realizada pelos projetistas
mecânicos da empresa, e tem-se a seguir o estudo dimensional do transformador fator K-1.
57
Figura 16 - Estudo mecânico transformador K-1
Finalizando o projeto do transformador convencional de 25 kVA seco resinado, a
equipe partiu para o projeto do transformador com fator K-20.
Neste projeto foi utilizado o transformador convencional de 25 kVA recentemente
calculado, e foi realizada uma adequação para atender as características de uma carga não
senoidal. As características consideradas de uma carga não linear, que refletem importantes
modificações nos transformadores, foram:
 Aumento de perdas parasitas;
58
 Prováveis componentes de corrente contínua da carga;
 Harmônicos múltiplos de 3;
Estas características citadas resultam basicamente em:
 Maior elevação de temperatura do transformador, degradando a isolação e
diminuindo sua vida útil;
 Maiores perdas e aquecimento do núcleo;
 Maior corrente de neutro, aquecendo além do projetado o condutor e suas
proximidades;
Para minimizar os efeitos no transformador devido a estas características de carga não
senoidal, a equipe tomou, com orientação da empresa, as seguintes decisões:
 Modificar a geometria do transformador, de forma que os condutores sofram
menos influência do campo magnético no sentido axial (vertical), para que as
perdas parasitas sejam diminuídas, e que haja uma maior circulação e área de
contato com o ar, diminuindo o aquecimento.
 Trabalhar com materiais de uma maior classe de isolação (classe H) que
suportem maiores temperaturas
 Trabalhar com induções mais baixas, evitando a possibilidade de saturação do
núcleo.
 Aumentar a bitola do condutor do neutro do transformador, para suportar as
elevadas corrente causadas pelos harmônicos múltiplos de 3.
Uma outra recomendação que foi vista nas referências bibliográficas foi a utilização de
blindagem eletrostática. Entretanto em transformadores de pequena potência como os
protótipos deste projeto isto não é utilizado devido ao alto custo da mesma. Os fabricantes,
então, dobram a isolação de cada uma das camadas do enrolamento, a fim de proteger o
transformador dos picos de tensão gerados pelos harmônicos com um baixo custo.
Estas recomendações resultam basicamente no chamado transformador com fator K,
ou seja, estas mudanças tornam o transformador apto a suportar certo conteúdo harmônico,
determinado pela intensidade destas mudanças. Mas cabe ressaltar que estas mudanças
implicam em outros fatores que devem ser trabalhados, que tornam o transformador mais
59
competitivo e eficiente. Estes fatores são o diferencial da empresa, e, portanto serão
abordados neste trabalho apenas de forma generalizada.
Para melhor compreender as mudanças no transformador com fator K, segue-se a
planilha com seus valores calculados.
Tabela 2 - Cálculo transformador K-20
Analisando ambas as planilhas de cálculo é possível comparar as diferenças
construtivas que foram utilizadas para melhorar as perdas parasitas e consequentemente ter
um melhor desempenho quando alimentando cargas não senoidais.
Nota-se que o transformador K-1 foi construído com um fio de 4,0 x 6,0 na BT
enquanto que no transformador com fator K-20 o fio escolhido foi o 2,8 x 8,4. Esta alteração
diminui as perdas parasitas devido ao fluxo axial distorcido gerado pelos harmônicos, já que
com um menor comprimento radial a incidência do fluxo será menor. Nota-se também a
diferença da classe de isolação do material, que para transformadores com fator K deve ser
maior. Pode-se comparar também a diferença do valor da indução nos dois protótipos e
também a espessura da isolação em cada um dos transformadores.
Tem-se a seguir o estudo dimensional do transformador em questão.
60
Figura 17 - Estudo mecânico transformador K-20
Nota-se, comparando com o K-1, que a grande diferença é com relação a altura dos
dois protótipos. Isto ocorre, pois no K-20 utilizaram-se condutores com um comprimento
axial maior do que o que foi utilizado no K-1, afim de se diminuir as perdas parasitas devido
ao fluxo magnético axial. O fato do transformador K-20 ter uma altura maior do que o K-1
ainda colabora para que o aquecimento no mesmo seja menor, já que haverá uma melhor
convecção de ar.
Concluído os projetos destes transformadores, na primeira semana de janeiro, o setor
de programação e controle de produção da empresa inseriu sua fabricação conforme a agenda
de fábrica disponível. Como a fábrica já estava com um mês de trabalhos à frente, a produção
61
destes transformadores correu conforme surgia pequenos espaços em cada parte do processo
de produção, ficando ambos prontos no final do mês de janeiro.
Durante o a produção, a equipe pode acompanhar cada etapa do processo, registrando
com fotos e descrições a montagem dos protótipos. O próximo tópico mostra este trabalho de
acompanhamento realizado ao longo do mês de janeiro.
4.2
Montagem dos Protótipos
Com o projeto em mãos, o setor de controle de produção distribui os projetos de cada
componente do transformador pela fábrica. A produção de um transformador a seco resinado
de baixa potência inicia-se por 3 componentes de produção independente: bobinas, viga, e
corte do núcleo.
Na caldeiraria, é realizada a montagem das vigas, cortando-se as chapas de aço e
dobrando-as conforme o projeto mecânico do transformador.
O corte do núcleo geralmente é terceirizado pelas fábricas de transformadores, pois é
necessário um grande maquinário de tecnologia para cortar as chapas de aço-silício e mão-deobra. A fábrica recebe então o núcleo já cortado, pronto para ser realizada a montagem do
mesmo.
Figura 18 - Núcleo cortado aguardando montagem
62
Os enrolamentos são fabricados em máquinas para bobinar a alta ou baixa tensão, ou
seja, cada máquina tem uma capacidade de dimensionamento e suportabilidade do peso do
enrolamento. Máquinas para bobinar enrolamentos de alta tensão podem trabalhar com
bobinas de diâmetros maiores, e máquinas de bobinar enrolamentos de baixa tensão
geralmente agüentam um elevado peso. Estas características são mais levadas em conta para
projetos de transformadores de tensões maiores que os protótipos criados.
No caso deste projeto, os enrolamentos da maior e menor tensão foram bobinados na
mesma máquina, ou como se referem os projetistas de transformador, bobinagem de alta
tensão sobre a baixa tensão, devido às características do transformador e sua dimensão.
Tem-se a seguir fotos do processo de bobinagem de ambos os transformadores.
Figura 19 - Bobinamento da BT
O enrolamento da baixa tensão é bobinado sobre um molde feito de um papel parecido
com papelão. Cada uma das espiras é isolada da espira que está ao seu lado por um material
chamado asberit. Este mesmo material é utilizado para fazer as cabeceiras das bobinas, já que
ao se bobinar o enrolamento ficam espaços nas cabeceiras que devem ser preenchidos para
que o formato do enrolamento seja um cilindro perfeito.
Para se isolar uma camada de enrolamento da outra é utilizado um papel isolante
chamado delterm e então aplicado uma camada de resina, que ao secar além de ser isolante
proporcionará resistência mecânica ao enrolamento.
63
Figura 20 - Execução da camada entre AT e BT
Figura 21 - Bobinamento da AT sobre BT
A bobinagem do enrolamento de alta tensão é feita da mesma forma que o
enrolamento de baixa tensão. O enrolamento finalizado recebe mais uma camada de papel
isolante e resina.
64
Figura 22 - Bobina após fabricação
Na figura 23, pode-se comparar as bobinas dos dois protótipos. Nota-se facilmente a
diferença da altura das bobinas de cada um dos protótipos, conforme foi mostrado
anteriormente.
Figura 23 - Comparação entre bobina do K-1 e K-20
65
Após concluída a fabricação das vigas e o fornecimento do silício, pode-se iniciar a
montagem do núcleo. O núcleo é montado em uma mesa preparada, deitado, onde são
empilhadas cada chapa de silício conforme o projeto especifica.
Figura 24 - Montagem do núcleo K-20
Concluído o empilhamento, o núcleo é amarrado para que as chapas fiquem no lugar, e
as vigas são presas nas bases do núcleo, dando a sustentabilidade necessária para levantar o
mesmo.
Figura 25 - Montagem núcleo K-1
66
Antes de o núcleo receber as bobinas, estas devem passar pela estufa, por um período
mínimo de 24 horas, em referência à sua dimensão e classe de tensão, com a finalidade de
eliminar praticamente toda a umidade presente nestas bobinas.
Retiradas as bobinas da estufa, a parte superior do núcleo é então aberta, e são
inseridos os enrolamentos, fechando o núcleo logo em seguida.
Figura 26 - Bobinas montadas no núcleo
Figura 27 - Fechamento do núcleo
67
Completada mais esta etapa do processo de produção, resta apenas realizar as soldas
para cada enrolamento com os terminais de saída no painel.
Figura 28 - Transformador aguardando painel
Assim, o processo de produção dos transformadores a seco resinados se dá por
terminado, e as peças prontas para os testes propostos.
Figura 29 - Protótipos finalizados aguardando ensaios de rotina
68
4.3
Alteração dos protótipos
Após realizados os ensaios de rotina e iniciados os primeiros ensaios de elevação de
temperatura, percebeu-se que ambos os protótipos não estavam tendo uma circulação eficiente
de ar, já que, devido a baixa potência dos mesmos as distâncias entre os enrolamentos e a viga
do núcleo era pequena.
Desta forma, a equipe optou por fazer uma remodelagem da estrutura mecânica de
ambos os protótipos, afim de melhorar a refrigeração destes. Foram feitos cortes nas vigas
(tanto superior como inferior) do núcleo na região onde estava o canal entre os enrolamentos
de alta e baixa tensão e foram colocadas vigas de fibra para distanciar as vigas superiores do
núcleo, já que por estarem próximas dificultavam a circulação de ar.
Figura 30 - Corte na viga para melhor refrigeração
69
Figura 31 - Hastes de fibra para separar a viga do núcleo
4.4
Análise dos custos
O grande objetivo da equipe era conseguir desenvolver um transformador que
suportasse distorções harmônicas com o custo próximo ao do transformador convecional, já
que caso o custo fosse muito alto seria mais fácil sobredimensionar o equipamento, pois desta
forma o transformador conseguiria suportar as distorções harmônicas sem necessidade de
investimento em pesquisa e desenvolvimento.
A equipe trabalhou principalmente com modificações que diminuíssem as perdas
parasitas criadas pelos fluxos magnéticos distorcidos gerados pelas harmônicas que são
induzidas nos condutores. Como se pode ver comparando as tabelas de cálculo dos
transformadores, estas modificações não alteraram significativamente a quantidade de cobre e
material ferro-magnético que foi utilizado no protótipo do K-20. Esses são os componentes
que apresentam maior impacto no custo de fabricação de um transformador, já que além dos
demais componentes serem comuns em ambos os protótipos, estes são utilizados em menor
quantidade e possuem um custo menor. Para se ter idéia o preço do kg da chapa de aço é de
R$ 2,70, enquanto que o do papel isolante o preço é R$ 10,00 o kilo, porém utiliza-se apenas
algumas gramas desse último.
Abaixo está um estudo comparativo do custo comparativo dos dois protótipos.
70
Tabela 3 - Análise de custos dos protótipos
Caso a equipe fosse optar por sobredimensionar o equipamento afim do mesmo
suportar as distorções harmônicas, seria necessário um sobredimensionamento de 40% (este é
um valor geralmente utilizado no mercado nacional para um K-20), o que impactaria em uma
nova potência de 35kVA.
Potência (kVA) Preço (R$)
25
R$ 8.263,00
35
R$ 10.814,00
Tabela 4 - Preço COMTRAFO
Ao se comparar o preço de venda de um transformador desta potência com um de
25kVA, a diferença chega a 23,6%.
Dessa forma ao se analisar todos os custos envolvidos nos dois transformadores e o
preço de um transformador sobredimensionado, percebe-se que a equipe atingiu o objetivo
desejado já que a diferença foi de apenas 8,3%. É importante citar que o preço de venda, em
alguns casos, para um fator K-20 pode ser até 40% maior do que um fator K-1.
4.5
Ensaios de verificação
Com os transformadores prontos em fábrica, o laboratório de ensaios da empresa
realiza os ensaios de rotina nos transformadores, para verificar se os produtos estão conforme
o projetado. Ou seja, se os valores de perdas, impedância, relação de transformação, etc, estão
dentro do esperado. Os ensaios realizados são: ensaio de saturação, medição da relação de
transformação e determinação do grupo de ligação, medição da resistência dos enrolamentos,
medição das perdas e da corrente em vazio, medição das perdas em curto-circuito e
determinação da tensão de curto-circuito e ensaio do dielétrico por tensão induzida. Além
destes, o cliente ainda pode solicitar outros tipos de ensaio (ensaios de tipo), como nível de
ruídos, aquecimento, análise físico-química e cromatográfica do óleo isolante, etc. Alguns o
laboratório da fábrica possui aparelhos e certificação para realizá-los, e outros mais especiais
apenas alguns laboratórios do Brasil podem executar (medição das descargas parciais,
impedância de seqüência zero, etc.).
71
Figura 32 - Laboratório de ensaio da COMTRAFO
Figura 33 - Equipamentos de ensaio – laboratório COMTRAFO
Figura 34 - Área de ensaio - laboratório COMTRAFO
72
Os protótipos deste trabalho também passaram por estes ensaios, atendendo os valores
garantidos pelo projeto.
4.5.1 Medição da relação de transformação
Figura 35 – Medição da relação de transformação - K-1
Neste ensaio é verificado se a relação de transformação do transformador está
conforme projetada. Primeiramente conecta-se um equipamento chamado TTR ao primário e
ao secundário do transformador (a conexão obedece ao esquema de ligação do
transformador), então, aciona-se uma manivela que está ligada a um alternador que tem como
finalidade gerar uma tensão induzida no transformador, esta é transformada pelos
enrolamentos e medida no TTR. Este procedimento é feito em todos os enrolamentos do
transformador.
Os valores obtidos no transformador com fator K-1 foram os seguintes:
Transformador Convencional - K-1
X0 - X1 / H3 - H1
X0 - X2 / H1 - H2
X0 - X3 / H2 - H3
3,004
3,003
3,003
Tabela 5- Relação de transformação - K-1
Como ambos os protótipos 380/220V ligados em triângulo no primário e estrela no
secundário, a relação de transformação deveria ser de 3, já que no ensaio foi conectado o
73
equipamento de medição de forma que se obtivesse tensão de linha (380V) no primário e de
fase no secundário (127V).
Figura 36 - Medição da relação de transformação - K-20
Da mesma forma que no transformador convencional (fator K-1), este ensaio foi bem
sucedido apresentando os seguintes valores:
Transformador Especial - K-20
X0 - X1 / H3 - H1
X0 - X2 / H1 - H2
X0 - X3 / H2 - H3
3,002
3,004
3,004
Tabela 6 - Relação de transformação - K-20
4.5.2 Ensaio de saturação
Figura 37 - Ensaio de saturação - K-1
74
Este é um ensaio de extrema importância já que nele são avaliadas as características
magnéticas do núcleo do transformador. É aplicada tensão e corrente em diversos níveis de
forma que se consiga determinar o valor de indução do núcleo, as curvas de perdas W/kg e
VA/kg. Estas informações são de extrema importância para o fabricante, já que com estas
pode-se fazer um estudo e analisar se não está sendo desperdiçado material, se o valor da
indução está adequado, etc.
Figura 38 - Ensaio de saturação – K-20
4.5.3 Ensaio a vazio
Figura 39- Ensaio a vazio - K-1
75
O ensaio a vazio é também conhecido como ensaio de perdas no núcleo ou ensaio de
perdas no ferro. A partir de uma fonte AC, energiza-se um dos lados do transformador,
mantendo-se o outro aberto (sem carga).
Figura 40 - Tela durante o ensaio a vazio - K-1
Figura 41 - Tela durante o ensaio a vazio - K-20
Como o secundário está aberto e não há circulação de corrente pelo mesmo, este pode
ser desprezado. A corrente que circula no primário do transformador tem valor desprezível
(muitas vezes inferior a nominal) o que faz com que as perdas no mesmo sejam desprezíveis
76
também. Desta forma, as únicas perdas que são consideradas são as desenvolvidas no núcleo
do transformador.
Figura 42 - Ensaio a vazio - K-20
4.5.4 Ensaio de curto-circuito
Figura 43 - Ensaio de curto-circuito – K-1
Este ensaio também é conhecido como ensaio de perdas no enrolamento ou ensaio de
perdas no cobre. A partir de uma fonte de corrente alternada, energiza-se um dos lados do
transformador, curto-circuitando o outro lado. Para simular as perdas em carga, aplica-se
77
corrente nominal no enrolamento curto-circuitado. Como as perdas do núcleo dependem da
tensão aplicada e esta é baixa neste ensaio, as perdas no núcleo podem ser desprezadas.
Figura 44 - Ensaio de curto-circuito - K-20
Neste ensaio, pode-se obter a impedância percentual do transformador. Esta é de
extrema importância, pois devido a ela haverá uma queda proporcional de tensão quando
circular corrente nominal pelo transformador.
Figura 45 - Tela durante o ensaio em carga - K-1
78
Figura 46 - Tela durante o ensaio em carga - K-20
79
5
CAPITULO
5 – Ensaios
deELEVAÇÃO
elevação de temperatura
CAPÍTULO
5 – ENSAIOS
DE
DE TEMPERATURA
5.1
Preparação para os testes
Possuindo os protótipos então verificados em laboratório, atendendo as especificações
do projeto proposto, parte-se então para a preparação do laboratório e dos instrumentos para o
ensaio de elevação de temperatura convencional, seguido da medição de elevação de
temperatura sob carga não senoidal, que nada mais é do que a aplicação da mesma
metodologia do ensaio de elevação de temperatura, modificando o curto circuito no
enrolamento secundário por uma carga não linear.
Logo, tem-se a pergunta: pode-se chamar a modificação do ensaio de elevação de
temperatura convencional de “ensaio”? Houve discussões entre as entidades consultadas,
principalmente na defesa da primeira parte deste projeto. Portanto, ao analisar esta questão, a
equipe decidiu chamar esta modificação do ensaio de elevação de temperatura de apenas
medição de elevação de temperatura sob carga não senoidal, pelo argumento de que uma
medição só pode ser chamada de ensaio a partir do momento que sua metodologia está
devidamente explicada, aceita e oficializada no meio científico.
Uma preocupação da equipe durante os ensaios foi com relação ao monitoramento da
temperatura em vários pontos do transformador, já que isto era uma recomendação da IEEE
C57.110-1998. A empresa fabricante dos transformadores, então, disponibilizou 3 relés de
proteção térmica, chamados PCPT3, que servem para proteção dos transformadores contra
sobreaquecimento. Cada PCPT3 possui 3 canais de medição, desta forma foi possível o
monitoramento de até 9 pontos distintos em cada um dos protótipos.
80
Figura 47 - Relé térmico de proteção
Na preparação para o ensaio de elevação de temperatura e a medição de elevação de
temperatura com carga não linear, viu-se a necessidade de uma bancada extra para monitorar
não só o lado do enrolamento do primário do transformador, mas também o secundário do
transformador. Pois para ensaios convencionais, o monitoramente é apenas de um lado,
geralmente o da alimentação, sendo suficiente para obtenção dos resultados necessários. Mas,
neste caso, deve-se ter um monitoramento completo da alimentação e do fornecimento de
energia para a carga.
Melhor explicando, este monitoramento trata-se da visualização das formas de onda de
corrente e tensão de cada fase, seu valor RMS, valor médio, distorção harmônica total e
valores de cada componente harmônico da grandeza.
Figura 48 - Tela de monitoramento dos ensaios
81
Para a leitura dos valores nesta bancada extra, foi necessária a instalação de 3 TC´s e 3
TP´s adicionais. E, para evitar a compra destes instrumentos, apenas para realizar estas
medições, foram emprestados do estoque da unidade da empresa que realiza serviços de
recuperação do grupo à qual a COMTRAFO pertence. Os únicos transformadores de corrente
em estoque que esta empresa possuía eram de classe de isolação de 15 kV, sendo que para as
medições uma isolação de 0,6 kV já seria suficiente. Já os TP´s que foram emprestados do
estoque possuíam classe de isolação adequada para o ensaios, 0,6 kV. As relações de
transformação dos instrumentos eram de 100/5A nos TCs e 8/1 nos TPs.
Figura 49 - TCs utilizados - classe de isolação 15kV
Figura 50 - TPs e demais instrumentos para a medição
Conectado os TP´s e TC´s ao módulo de medição e monitoramento dentro do
laboratório, os ensaios estavam prontos para começarem.
82
5.2
Ensaio de elevação de temperatura convencional
Com os transformadores no laboratório, foi decidido iniciar as medições com o
transformador fator K-1. Posicionando-o conforme foto a seguir, foram inseridas as sondas
para medição de temperatura (termopares) nas regiões indicadas pela norma NBR 10295, que
são três: Parte superior do núcleo, logo acima da bobina central; Canal entre enrolamento de
alta e baixa tensão, próximo ao topo da bobina, e canal entre alta e baixa tensão, no meio da
bobina.
Figura 51 - Disposição dos sensores de temperatura segundo a norma
Isolada a área próxima ao transformador, para evitar correntes de ar que pudessem
alterar os valores medidos, e posicionados os termômetros a óleo para medição da
temperatura ambiente conforme norma, o ensaio de elevação de temperatura pode ser
iniciado.
Figura 52 - Ensaio convencional de elevação de temperatura
83
5.2.1 Elevação de temperatura K-1 – carga senoidal
5.2.1.1 Elevação de temperatura a vazio
A primeira etapa do ensaio de elevação de temperatura é a medição da temperatura
com o transformador em vazio. Logo, abre-se o secundário, e alimenta-se o primário,
monitorando o aquecimento dos três pontos definidos a cada 30 minutos, até a estabilização
das temperaturas nestes pontos.
Esta estabilização, conforme definido pela norma responsável, se dá quando a
diferença de temperatura no intervalo de uma hora é menor que dois grau, ou seja, a
temperatura do transformador em cada ponto definido deve-se elevar em menos de dois grau
durante uma hora, para atingir a condição de estável.
Figura 53 - Elevação de temperatura a vazio
A seguir é mostrado a tabela com os valores de temperatura monitorados em cada
ponto, até atingir a estabilização. A leitura de cada um dos pontos é feita a cada 30 minutos,
onde são coletados os valores de temperatura nas sondas e nos termômetros e lançados na
tabela. Assim que é atingido o valor de estabilização a linha em qual isto ocorreu tem a sua
cor alterada.
84
Tabela 7 - Estabilização de ensaio de temperatura K-1 - a vazio
Estabilização - Vazio
57,0
54,0
51,0
48,0
45,0
42,0
Temperatura (ºC)
39,0
36,0
33,0
30,0
27,0
24,0
21,0
18,0
15,0
12,0
9,0
6,0
3,0
0,0
08:30:00
09:00:00
09:30:00
10:00:00
10:30:00
11:00:00
11:30:00
12:00:00
12:30:00
13:00:00
13:30:00
14:00:00
14:30:00
Horário
TABELA
Temp. canal inferior
Temp. canal superior
Temp. canal culatra
Temp. ambiente média
MENU
Gráfico 1- Estabilização elevação de temperatura - K-1 a vazio
A estabilização do ensaio de temperatura a vazio como os demais ensaios demorou em
torno de 6 horas para acontecer. Isto ocorreu, pois na empresa não havia uma sala climatizada
para a realização de tais ensaios, visto que os mesmos não são ensaios de rotina, mas de tipo.
Esta demora por muitas vezes acarretou problemas para a equipe, já que como o
laboratório priorizava os ensaios dos transformadores que eram vendidos, vários dos ensaios
dos protótipos tiveram que ser cancelados na metade por tomarem muito tempo.
85
Após a medição da temperatura de um dos enrolamentos pelo método da variação da
resistência, geralmente o primeiro era a BT, religava-se o transformador por mais uma hora
para que o mesmo atingisse novamente o equilíbrio térmico e transcorrido este tempo mediase o outro enrolamento.
5.2.1.2 Elevação de temperatura em carga
Finalizando a primeira etapa do ensaio, já se pode imediatamente iniciar a próxima
etapa, a elevação de temperatura com carga, curto-circuitando o secundário do transformador,
e aproveitando a temperatura de aquecimento que o transformador já atingiu, visando
diminuir o tempo de duração da estabilização. A norma dá preferência para que se realizem os
dois ensaios seqüencialmente, mas isto depende do tempo que levou a estabilização, e o
tempo que o laboratório pode trabalhar, pois freqüentemente este ensaio excede o período de
trabalho diário dos laboratórios.
Para resolver este empecilho, os laboratórios alimentam o transformador no final do
expediente e o deixam aquecendo a vazio, durante a noite inteira. No outro dia cedo, o
laboratório obtém os valores de temperatura que estão nos medidores, tomam como estáveis, e
realizam a medição da temperatura dos enrolamentos, iniciando logo em seguida a elevação
de temperatura em carga.
Pode haver alguma diferença na elevação a vazio entre monitorar a cada 30 minutos a
temperatura, ou obtê-la apenas no dia seguinte, mas nada que comprometa a qualidade dos
valores obtidos, segundo os próprios laboratórios.
Mesmo que as duas etapas de aquecimento não possam ser feitas seqüencialmente, os
resultados obtidos na elevação de temperatura dos enrolamentos serão muitos próximos,
podendo mudar apenas a temperatura de estabilização do núcleo (culatra). Ao questionar esta
estabilização da temperatura, a empresa informou que a temperatura do núcleo só começa a
influenciar na temperatura dos enrolamentos a partir do momento em que este atinge 100 °C,
desta forma o fato de se obter as medições apenas no dia seguinte não compromete o ensaio.
Para o ensaio com carga do K-1, não houve tempo hábil para realizar as medições após
o ensaio a vazio. Desta forma o transformador foi deixado ligado de um dia para o outro
curto-circuitado e as medições foram feitas apenas no dia posterior. Não sendo possível,
então, a obtenção da curva de estabilização do mesmo.
86
5.2.1.3 Análise das medições
Concluída ambas etapas, realiza-se o cálculo da elevação de temperatura:
Tabela 8 - Elevação de temperatura BT - K-1
Tabela 9 - Elevação de temperatura AT - K-1
Pela tabela anterior nota-se que para o ensaio de elevação com carga senoidal a
elevação de temperatura na BT foi de 120,87°C, enquanto que para a AT a elevação foi de
105,65° C.
87
5.2.2 Elevação de temperatura K-20 – carga senoidal
5.2.2.1 Elevação de temperatura a vazio
Aplicando os mesmos procedimentos usados para ensaio de elevação de temperatura
convencional no transformador com fator K-1, foram realizadas as medições no protótipo com
fator K-20. Entretanto em ambos os ensaios não foi possíveis recolher as informações para
traçar as curvas de estabilização.
5.2.2.2 Elevação de temperatura em carga
Após as medições a vazio, o secundário foi curto-circuitado, o transformador aquecido
até a estabilização, que ocorreu apenas no outro dia.
Figura 54 - Ensaio elevação de temperatura em carga - K-20
5.2.2.3 Análise das medições
Após ambos os ensaios, os seguintes valores de elevação foram obtidos para cada um
dos enrolamentos:
88
Figura 55 – Elevação de temperatura BT – K-20
Figura 56 - Elevação de temperatura AT - K-20
5.2.3 Comparação entre ensaios K-1 e K-20 com carga senoidal
No ensaio de elevação de temperatura com carga senoidal o transformador com fator
K-20 apresentou uma elevação de temperatura menor do que o com fator K-1. Isto já era
esperado, afinal de contas o cálculo do K-20 foi desenvolvido afim de que este tivesse uma
menor elevação de temperatura comparada com o K-1, independente se estiver trabalhando
com carga linear ou não linear.
89
5.3
Preparações para as medições com carga não linear - COMTRAFO
As preparações para as medições que permitiram comprovar a eficiência do
transformador com fator K em relação ao convencional colocaram a prova toda a capacidade
da equipe de criar soluções e resolver problemas. Visto que o projeto envolve protótipos e
novos métodos para realizar medições de transformadores em condições especiais, era
esperado que esta fosse uma etapa complicada, com muitos contratempos, e de grande
importância para o sucesso do trabalho.
5.3.1 A necessidade do ensaio de elevação de temperatura
Para comprovar o melhor desempenho de um transformador com fator K em relação a
um transformador convencional, de uma forma generalizada, o transformador com fator K
deve aquecer menos que o convencional, quando na mesma situação de carga não senoidal.
Este é o principal fator de avaliação. Mesmo que ainda existam problemas de saturação do
núcleo, acoplamento capacitivo e corrente de neutro, conforme citado anteriormente, o que
tem causado a grande parte da queima e inutilização de transformadores, com pouquíssimo
tempo de uso, é o superaquecimento devido às correntes não senoidais, causando deterioração
do isolamento, e logo curto-circuitos entre espiras e bobinas, como expõem vários
pesquisadores e fabricantes.
Outro fator é a dificuldade de se criar todas as condições presentes em uma rede
poluída de harmônicos, para que então se possa medir o rendimento, regulação, saturação e
perdas no núcleo, que dependem também da tensão aplicada. Nenhum laboratório no Brasil
apresenta tal condição, pois para obter a tensão real, é necessária uma carga de alta potência,
totalmente controlável, com variação do fator de potência, que possibilite atingir plena carga
no transformador. Isto seria possível com reostatos, indutores e capacitores muito potentes,
mas de altíssimo custo para laboratórios e empresas.
Com estas cargas de alta potência, seria possível realizar uma medição simulando o
transformador em condições de trabalho reais, com tensão e corrente nominal, mas segundo
os fabricantes e laboratórios certificados a alteração na temperatura medida seria mínima, em
relação ao resultado de um ensaio de aquecimento, pois a influência do calor gerado pelo
núcleo nas bobinas é desprezível. Segundo informações do fabricante deste protótipo, a
90
temperatura do núcleo só começa a influenciar na temperatura do transformador quando esta
passa dos 100 ºC. Atualmente, os fabricantes trabalham com temperatura do núcleo próxima
dos 70°C, com média de 25 W/m2 de perdas na culatra do núcleo e 2,5 W/m2 nas pernas do
núcleo, portanto, tem-se um alto aquecimento no jugo do núcleo, e um baixo aquecimento na
parte envolta pelas bobinas.
Ao estudar a norma referente ao ensaio de elevação de temperatura (NBR 10295),
observa-se que ela considera o aquecimento no núcleo, quando na realização do ensaio de
elevação a vazio, onde é aplicada tensão nominal, e depois agrega ao resultado do ensaio de
elevação de temperatura curto-circuitado, onde é aplicado corrente nominal. Este valor
resultante é o valor considerado de elevação de temperatura do transformador. Mas este valor
é muito próximo ao valor obtido na parcela do ensaio de elevação curto-circuitado, e será
sempre menor que o ponto mais quente do transformador, sendo este o principal valor levado
em conta por laboratórios e fabricantes.
Somando-se as razões acima a equipe teve a decisão de comparar o aquecimento do
transformador convencional com um fator K. E, logo, viu-se a necessidade de utilizar o
conceito e metodologia de um ensaio de elevação de temperatura na medição do aquecimento
de um transformador com carga não senoidal, já que a recomendação da IEEE C57.110-1998
mostra que o ensaio de elevação de temperatura deve ser feito em condições reais de
operação.
5.3.2 Adaptação do ensaio de elevação de temperatura
Analisando o conceito e metodologia do ensaio de elevação de temperatura, vê-se que
este pode ser facilmente adaptado para ensaio com uma carga não linear. Para o ensaio a
vazio, pode-se manter o mesmo procedimento, visto que a temperatura do núcleo não tem
influência significativa nos enrolamentos do transformador. Ou pode-se usar uma adaptação
para tentar atingir as condições reais do núcleo com cargas não lineares. Esta adaptação seria
na verdade a alimentação de um circuito chaveador pela rede, e a alimentação do
transformador com o secundário aberto por este circuito, tendo assim distorção da tensão no
transformador.
A modificação proposta pelo grupo para o ensaio de elevação com carga pode e deve
ser feita de forma que os enrolamentos do transformador tenham a corrente não senoidal que
simule uma situação real, sem necessidade de uma tensão plena aplicada. Nesta adaptação, o
91
curto-circuito do secundário é trocado por uma carga não linear que produza as distorções na
forma de onda da corrente, e que possa manter esta no valor mais próximo do real, sem
necessidade de manter uma tensão em um valor estável.
E é nesta adaptação que estas medições tornam-se viáveis economicamente para
qualquer potência desejada, pois um reostato convencional, de alta potência e caro, que estaria
no lugar do curto circuito no secundário do transformador, pode ser substituído pelo
denominado reostato líquido que já foi citado no capítulo anterior.
5.3.3 Medição de elevação de temperatura com carga não senoidal
Com o laboratório pronto e equipamentos preparados, reostatos líquidos calibrados
para fornecer a corrente necessária, e circuito chaveador em ótimo funcionamento, o primeiro
aquecimento com carga não linear pode ser finalmente iniciado. Para este primeiro
aquecimento, sendo realizado sobre o transformador com fator K-20, que já estava com as
sondas de temperatura inseridas desde a elevação em curto circuito, a composição da carga
não linear foi apenas composta do corte da onda senoidal em corrente nominal pelo circuito
chaveador, resultando em uma forma de onda e espectro harmônico conforme a tela do
módulo analisador a seguir:
Figura 57 – Distorção gerada por corrente nominal cortada em 90º
Como se pode ver através do chaveamento das ondas de corrente e tensão, foi possível
atingir altos valores de DHT (Distorção Harmônica Total). A equipe se preocupou em
92
adicionar um alto valor de harmônico de 3ª ordem, pois este é o que causa grandes problemas
em transformadores devido ao fato de serem de seqüência zero (estão em fase, o que faz o
valor da corrente de neutro chegar, em alguns casos, em até 3 vezes do valor nominal).
Observa-se que a onda senoidal de corrente, com pico de 92A, está cortada, resultando
em um valor pouco maior que a metade da corrente RMS antes aplicada. Melhor dizendo,
anteriormente tinha-se uma corrente de 65A RMS, composta apenas de uma componente em
60Hz, e agora tem-se uma corrente de apenas 39A RMS, o que obviamente produziria um
aquecimento menor nos condutores.
Figura 58 - Ensaio K-20 com carga não linear
93
Tabela 10 - Estabilização K-20 - 92A cortado em 90°
Estabilização - Carga
90,0
80,0
70,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
Horário
Temp. canal inferior
Temp. canal superior
14:15:00
14:00:00
13:45:00
13:30:00
13:15:00
13:00:00
12:45:00
12:30:00
12:15:00
12:00:00
11:45:00
11:30:00
11:15:00
11:00:00
10:45:00
10:30:00
10:15:00
10:00:00
09:45:00
09:30:00
09:15:00
09:00:00
08:45:00
08:30:00
08:15:00
0,0
08:00:00
Temperatura (ºC)
60,0
TABELA
Temp. canal culatra
Temp. ambiente média
Gráfico 2 - Estabilização K-20 - 92A cortado em 90º
MENU
94
Infelizmente, neste momento, a equipe enfrentou mais um imprevisto nos ensaios que
acabou comprometendo a análise dos resultados. Foi necessário uma recalibração dos
ohmímetros do laboratório da empresa. O que fez com que as medições das resistências a
quente não pudessem ser realizadas. Dessa forma a equipe não conseguiu saber efetivamente
qual a elevação de temperatura que o transformador foi exposto.
Entretanto, ao se fazer uma comparação entre o ponto mais quente do transformador
neste ensaio com o ponto mais quente do transformador no ensaio com carga não linear e
corrente de 65A RMS que será mostrado a seguir, nota-se que a elevação é bem menor no
ensaio realizado em que o valor RMS da corrente é metade (83°C contra 126ºC do ensaio com
65A RMS).
Contudo até este ponto a equipe não sabia o quanto uma parcela RMS composta de
harmônicos das mais variadas ordens produziria de calor ao transformador. Para então
determinar a influência da corrente composta por harmônicos no transformador, o ideal a
fazer seria comparar o aquecimento da aplicação de uma corrente puramente senoidal com o
aquecimento devido a uma corrente de mesmo valor RMS, mas composta por uma parcela a
freqüência de 60 Hz e demais parcelas compostas por harmônicos. E foi isto o realizado,
utilizando-se do valor de corrente do aquecimento convencional, feito com 65A RMS. Com
este valor de corrente RMS, estar-se-ia observando não só a influência dos harmônicos no
aquecimento dos enrolamentos, mas também realizando as medições de elevação de
temperatura sobre as mesmas condições impostas pelo ensaio de elevação de temperatura
convencional, podendo comparar desde já a eficiência deste transformador dimensionado para
suportar o aquecimento devido aos harmônicos.
Com a aplicação da onda senoidal cortada que gerava inicialmente 65 RMS, para se
atingir maiores níveis de corrente RMS, é necessário cortar a onda em um período de tempo
menor, mas isto diminui a quantidade de harmônicos aplicada ao transformador. Logo a
solução é alterar a amplitude dessa onda, tentando manter o mesmo conteúdo harmônico
obtido anteriormente, para se seguir uma padronização de distorção na corrente, de forma a
comparar corretamente o desempenho dos transformadores.
Aumentando-se a amplitude da corrente, barra-se na capacidade de pico máximo de
corrente suportada pelos TRIACs, pois com dois TRIACs de 40 A em paralelo, tem-se um
pico suportável de aproximadamente 113,14 A, levando-se em conta uma senóide de 80 A
como capacidade máxima por fase do chaveador. Logo, foi necessária a adição de mais um
triac em paralelo em cada fase do chaveador já montado como foi mostrado anteriormente.
95
Com a capacidade da carga aumentada, para se chegar à corrente RMS desejada, basta
apenas aumentar a concentração da solução eletrolítica, colocando sal e diminuindo sua
resistência. Logo a forma de onda continua a mesma, apenas sua amplitude é alterada.
Figura 59 - Ensaio com a corrente de 65A RMS
5.3.4 Medição com carga não senoidal – 65A RMS
Com as correntes em cada reostato próximas o suficiente para realizar a elevação,
iniciou-se o processo de aquecimento. Após atingida a temperatura de estabilização, tem-se os
resultados abaixo, em tabelas criadas pela equipe para controle e análise dos dados obtidos.
Tabela 11- Elevação de temperatura 65A RMS - K-20
96
Estabilização - Carga
140,0
130,0
120,0
110,0
Temperatura (ºC)
100,0
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
12:00:00
12:15:00
12:30:00
12:45:00
13:00:00
13:15:00
13:30:00
13:45:00
14:00:00
14:15:00
14:30:00
14:45:00
Horário
TABELA
Temp. canal inferior
Temp. canal superior
Temp. canal culatra
Temp. ambiente média
Gráfico 3 - Estabilização ensaio 65A RMS - K-20
Tabela 12 - Elevação de temperatura 65A RMS BT - K-20
Tabela 13 - Elevação de tempereatura 65A RMS AT - K-20
MENU
97
Com o ensaio de elevação de temperatura convencional e as medições de elevação de
temperatura com carga não senoidal, a equipe pôde realizar uma comparação entre as duas
situações as quais o transformador com fator K-20 foi exposto e analisar sua capacidade de
suportar harmônicos em relação à mesma corrente RMS.
5.3.5 Comparação dos resultados obtidos para o transformador com fator K-20
Os resultados obtidos nos ensaios realizados na empresa COMTRAFO, a primeiro
olhar, demonstram uma ótima temperatura obtida sob condições de carga não senoidal,
plenamente dentro da temperatura de trabalho recomendada do transformador, que possui
isolamento classe H, permitindo uma temperatura de trabalho de até 180°C. Mas este
resultado, se comparado com o aquecimento do transformador em condições normais, mostra
uma elevação de temperatura um pouco inferior, e isto causou um questionamento muito
grande na equipe e em técnicos consultados, pois, segundo as teorias normalmente utilizadas
para explicar o comportamento dos condutores, como por exemplo o “efeito skin”, correntes
de maiores freqüências causariam maiores perdas e por conseqüências maior aquecimento nos
condutores, e logo o transformador sob uma corrente distorcida deveria ter aquecido mais que
o ensaio realizado com corrente senoidal de mesmo valor RMS.
Em contrapartida, a IEEE cita que a principal causa de aquecimento devido aos
harmônicos são as correntes parasitas nos condutores, induzidas pelos condutores adjacentes.
Ou seja, ao passar corrente pelos condutores, um campo magnético é formado em volta
destes, e este campo gera correntes parasitas circulantes nos condutores próximos a estes, e
como a variação deste campo magnético depende da variação de corrente, freqüências
maiores induzem maiores variações de campo, logo maiores correntes parasitas nos
condutores. Logo, se a possibilidade de circulação destas correntes parasitas for diminuída,
como foi feito no protótipo com fator K-20, o aquecimento causado pelos harmônicos deve
diminuir. E se, segundo a norma, as perdas parasitas forem a principal influência para o
aquecimento causado pelos harmônicos, com um valor menor da componente de freqüência
fundamental nas medições com carga não linear e a diminuição das perdas parasitas no
protótipo, um aquecimento menor que o convencional seria viável, como o resultado obtido.
Não se pode descartar a possibilidade de algum imprevisto no ensaio, como correntes
de ar, ou a informação errada sobre a corrente RMS mostrada no módulo de medição. Mas
como a IEEE sustenta a possibilidade de redução de aquecimento através da redução das
98
perdas parasitas, especialmente realizada neste transformador, um aquecimento menor seria
explicável neste protótipo.
Como o tempo para realização dos ensaios na COMTRAFO estava se esgotando, e era
necessário pelo menos um mês de antecedência para marcar os ensaios no LACTEC, a equipe
decidiu executar a elevação de temperatura com carga não senoidal sobre o transformador
convencional, para então poder comparar melhor os resultados obtidos e analisar se houve
algum erro na medição ou nos aparelhos utilizados.
5.3.6 Medição da elevação de temperatura carga não linear – transformador K-1
Para realizar a elevação de temperatura no K-1, foi necessário inserir as mesmas
sondas utilizadas no transformador com fator K-20, trocando algumas que apresentaram
defeito na retirada do transformador, pois um esforço mecânico elevado as rompe com
facilidade, e inserí-las nas mesmas posições no transformador convencional. A equipe
também teve que trocar a água dos tambores, pois a oxidação durante o funcionamento dos
reostatos é elevada, e esta oxidação na água cada vez mais dificulta a calibração e manutenção
das correntes nos reostatos, visto que a solução torna-se saturada, e a inserção de sal na
solução começa a ter um efeito apenas momentâneo na corrente. A equipe percebeu isto no
final da segunda elevação no transformador com fator K-20, tendo que monitorar a corrente
com muito cuidado e jogar sal na solução quase todo instante para manter a corrente desejada.
Após calibrar as novas soluções nos reostatos líquidos, iniciou-se a elevação de
temperatura no protótipo com fator K-1.
99
Tabela 14 - Elevação de temperatura 65A RMS - K-1
Estabilização - Carga
150,0
140,0
130,0
120,0
110,0
Temperatura (ºC)
100,0
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
01:00:00
01:15:00
01:30:00
01:45:00
02:00:00
02:15:00
02:30:00
02:45:00
03:00:00
03:15:00
03:30:00
03:45:00
04:00:00
04:15:00
Horário
TABELA
Temp. canal inferior
Temp. canal superior
Temp. canal culatra
Temp. ambiente média
Gráfico 4 - Estabilização 65A RMS - K-1
MENU
100
Tabela 15 - Elevação temperatura 65A RMS BT - K-1
Tabela 16 - Elevação de temperatura 65A RMS AT - K-1
Com os dados acima em mãos, procedeu-se a analise das medições do transformador
convencional, com as medições do transformador com fator K-20.
5.3.7 Comparação dos resultados obtidos para o fator K-1
Novamente, o resultado do ensaio causou dúvidas e questionamentos. Comparando-se
o K-1 no ensaio de elevação de temperatura convencional com a elevação de temperatura com
carga não linear, ele praticamente teve o mesmo aquecimento. Isto levou a equipe a duas
possíveis conclusões: As medições da corrente não linear estão com valores inferiores ao
mostrados, ou a idéia de perdas e aquecimento com carga não linear não é vista da forma que
101
se imagina, sobre a mesma amplitude de corrente senoidal, mas sim uma amplitude maior em
RMS de corrente.
A primeira conclusão pode ser a mais aceitável primariamente, pois os resultados não
condizem com a teoria de aquecimento dos condutores, e também questionam a idéia de
perdas parasitas dita pela IEEE, a qual se tornaria mais aceitável caso o transformador K-1
aquecesse mais que no ensaio de elevação de temperatura convencional. E, se compararmos o
resultado do transformador K-1 com o K-20, pode-se ver que a diferença de temperatura entre
os dois transformadores aumentou na medição com carga não linear, o que comprovaria a
eficiência do protótipo K-20 para lidar com harmônicos. E estando com um erro de medição
para baixo, os resultados de temperatura subiriam, estando o transformador com fator K-20
quase na mesma temperatura nas duas situações, e o transformador convencional aquecendo
mais com carga não linear. Assim, considerando este erro para baixo de valores de corrente
distorcida, a teoria de que as perdas parasitas têm a maior influência no aquecimento dos
transformadores sob carga não senoidal seria atendida. Logo, o ensaio no LACTEC, em um
ambiente controlado, utilizando-se de vários aparelhos qualificados para estes tipos de
medições, afirmaria esta conclusão.
Por outro lado, se as medições estiverem corretas, e houver mesmo uma queda de
temperatura, significa que o conteúdo harmônico encontrado nas instalações e redes, que
causam um sobreaquecimento nos transformadores, é de uma ordem RMS maior que a
afirmada na instalação. Ou seja, quando é afirmada que uma rede com distorção possui, por
exemplo, 65A RMS de corrente, a 220V, resultando na potência de 25kVA, esta potência
afirmada estaria relacionada apenas à parcela da freqüência fundamental, sendo as outras
distorções uma parcela a mais de corrente RMS, que não é adicionado nestas informações,
fazendo com que a corrente verdadeira no sistema seja maior que o afirmado, aí sim causando
aquecimento nos transformadores. E também, poderia afirmar que a parcela de corrente
fundamental causa mais aquecimento nos condutores paralelos que as parcelas de freqüências
maiores, o que vai contra a análise da teoria de perdas parasitas aqui baseadas.
Na verdade, estas teorias baseadas não deixam de ser teorias, e estes estudos são muito
recentes, tornando estas influências de correntes distorcidas sobre enrolamentos em
transformadores cheias de incertezas.
E, para atingir mais resultados e informações possíveis, contribuindo para o
conhecimento na área, a equipe decidiu realizar uma elevação de temperatura no
transformador protótipo K-20 com uma corrente RMS composta de 65A à freqüência
fundamental mais uma parcela RMS de freqüências maiores. Ou seja, aplicar a corrente
102
nominal do transformador mais uma parcela de harmônicos, resultando em uma corrente RMS
maior que a nominal, para causar um aquecimento extra e testar novamente a suportabilidade
do transformador com fator K, inserindo também a idéia descrita anteriormente que as
instalações com distorções harmônicas possuem um conteúdo RMS maior que o geralmente
informado. Para isto, a amplitude da corrente aumentou ainda mais, mantendo a mesma
relação de distorção, sendo 65 A RMS na freqüência fundamental e mais 9 A RMS em
freqüências maiores.
5.3.8 Elevação de temperatura no transformador K-20 com 74A RMS
Verificando todos os instrumentos, trocando a solução dos reostatos, e os calibrando
novamente, preparou-se o transformador com fator K-20 para o ensaio, tomando-se o cuidado
de posicionar as sondas PT-100Ω nos mesmos lugares que anteriormente, para comparar
também os valores de temperatura atingidos nestes pontos.
Figura 60 - Elevação de temperatura 74A RMS - K-20
Nota-se que o valor da componente da corrente na freqüência fundamental foi mantido
no valor nominal, 65,1A, enquanto que foi adicionado cerca de 10A de corrente harmônica
em cada uma das três fases. É importante também notar que neste ensaio a DHT de corrente
foi de aproximadamente 70%.
103
Tabela 17 - Elevação de temperatura 74A RMS - K-20
Estabilização - Carga
180,0
170,0
160,0
150,0
140,0
130,0
110,0
100,0
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
Horário
Temp. canal inferior
Temp. canal superior
18:15:00
18:00:00
17:45:00
17:30:00
17:15:00
17:00:00
16:45:00
16:30:00
16:15:00
16:00:00
15:45:00
15:30:00
15:15:00
15:00:00
14:45:00
14:30:00
14:15:00
14:00:00
13:45:00
13:30:00
13:15:00
13:00:00
12:45:00
12:30:00
0,0
12:15:00
Temperatura (ºC)
120,0
TABELA
Temp. canal culatra
Gráfico 5 - Estabilização 74A RMS - K-20
Temp. ambiente média
MENU
104
Tabela 18 - Elevação de temperatura 74A RMS BT - K-20
Tabela 19 - Elevação de temperatura 74A RMS AT - K-20
5.3.9 Comparação do resultado obtido com corrente a 74A RMS
Nesta medição, o transformador teve um grande ganho de temperatura, com o ponto
mais quente chegando a alcançar os 162 graus Celsius, mostrando uma diferença de 14 graus
na elevação de temperatura. Logo, aplicando-se uma potência final de 28,12 kVA de
alimentação no transformador, sendo que 3,12 kVA são compostos apenas por harmônicos,
como informado nos módulos de medição, o ponto mais quente do transformador atingiu
níveis de temperatura acima do que a isolação de um transformador convencional, que é
classe F (155ºC), permite. Portanto, um transformador K-1 nestas condições não duraria nem
um décimo de sua vida útil, segundo o fabricante, ou pior: a resina isolante, acima da
temperatura permitida, começa a entrar em processo de cura, enfraquecendo a isolação entre
camadas, permitindo que descargas entre camadas e enrolamentos aconteçam em curtíssimos
prazos de tempo. Todavia, como os transformadores com fator K maior que 1 são projetados
105
com isolação classe H (180ºC), a temperatura atingida na medição estaria dentro das
condições de uso deste.
Logo, se harmônicos no sistema significam uma corrente RMS maior que a corrente
informada, pode-se esperar um aquecimento maior nos transformadores e uma redução da
vida útil dos mesmos.
Agora, considerando que estas medições também contiveram o mesmo erro de leitura,
reduzindo o valor real de harmônicos aplicados ao sistema, tem-se então um valor ainda maior
na relação entre elevação de temperatura por potência composta de harmônicos aplicada,
mostrando uma situação mais séria quando se trata de harmônicos em transformadores.
Devido a estes valores de temperatura atingidos, uma elevação de temperatura no
transformador convencional com 74 RMS de corrente foi descartada pela equipe, pois poderia
danificar o protótipo, e era necessária total integridade do mesmo para os ensaios que seriam
ainda realizados no LACTEC.
Portanto, as medições no laboratório da empresa foram encerradas, e esta se
comprometeu a averiguar a capacidade de medição de harmônicos de seus módulos,
aguardando os valores que viriam a ser obtidos no LACTEC. E assim que os resultados deste
laboratório certificado estivessem prontos, a equipe e a empresa poderiam analisar o ocorrido,
e repetir as medições em seu laboratório caso fosse necessário.
5.4
Medições com carga não linear – Laboratório do LACTEC
O LACTEC - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento é um centro de
pesquisa tecnológica, sem fins lucrativos, auto-sustentável, que tem por finalidade o
desenvolvimento de pesquisas e soluções para as necessidades da sociedade. Atualmente, o
LACTEC, como entidade auto-sustentável, obtém os recursos necessários através da venda de
projetos de pesquisa e desenvolvimento e outros serviços tecnológicos.
Foto da sede do LACTEC
106
Foto das instalações onde a equipe realizou as medições – LACTEC
Conhecendo este centro de pesquisa de referência nacional, a equipe, através da
empresa COMTRAFO, contatou o LACTEC quando ainda iniciava o projeto para
comparação de transformadores com fator K e convencionais alimentando cargas não
lineares, e apresentou a proposta para este centro de pesquisa. A proposta foi muito bem
vinda, e o LACTEC cedeu a realização destas medições propostas no projeto em seu
laboratório, sem custo algum para a equipe ou a empresa, desde que os resultados desta
pesquisa fossem compartilhados com o LACTEC, e posteriormente fossem elaborados artigos
sobre as medições realizadas, em parceira da equipe com o centro de pesquisa.
Foto do laboratório de alta tensão do LACTEC
5.4.1 O laboratório de ensaios de elevação de temperatura
O laboratório do LACTEC, no qual as medições foram realizadas foi projetado
especialmente para medições que necessitem de um ambiente climatizado e sem correntes de
ar. Possui três entradas de alimentação que, aliadas a um controle digital de valores de tensão,
corrente, potência, etc., é capaz de realizar os mais variados tipos de ensaios.
107
Para ensaios de elevação em transformadores, este laboratório possui um software de
controle do ensaio que foi desenvolvido especificamente para medições em transformadores a
óleo. Como os ensaios de elevação de temperatura em transformadores a óleo são diferentes
dos transformadores a seco a equipe não pode utilizar este software para as medições.
Figura 61 - Equipamentos de medição – LACTEC
Figura 62 - Bancada com os equipamentos de medição da LACTEC
108
Figura 63 - Software utilizado para elevação de temperatura de transformadores a óleo
Figura 64 - Área climatizada onde foram realizados os ensaios
5.4.2 Preparação para as medições no LACTEC
Finalizado os ensaios na COMTRAFO, os transformadores e os reostatos foram
enviados ao instituto LACTEC.
109
Foi programado no LACTEC uma semana inteira de medições, que ocorreu durante o
período de 14 a 18 de maio de 2007. Como no LACTEC a equipe não tinha a liberdade de
utilizar horários fora do expediente, cada dia teve de ser programado com cuidado, pois esta
era a única semana disponível para os ensaios e o prazo final para a entrega do projeto estava
marcada para segunda-feira da semana seguinte.
No primeiro dia de ensaios, a equipe e o responsável técnico do LACTEC para
executar as medições se reuniu e determinou o cronograma de ensaios e medições, para que
fossem executadas todas as medições naquela semana.
Após alguns ajustes no circuito chaveador e efetuado o posicionamento das sondas
conforme a NBR 10295 no transformador com fator K-20.
Figura 65 - Circuito chaveador
Figura 66 - Transformador K-20 pronto para o ensaio
110
Com a finalidade de manter os mesmos padrões de medição que foram utilizados na
COMTRAFO, a equipe levou dois dos relés PCPT3 utilizados anteriormente e, devido ao fato
do LACTEC estar acostumada a realizar ensaios de aquecimento apenas em transformadores
a óleo, e esta possuir apenas um termopar para a medição de temperatura (topo do óleo), a
equipe também levou sensores PT100Ω para medir os pontos que a norma recomenda.
Outras três sondas foram colocadas em pontos em que a equipe considerava que
haveria um maior aquecimento, uma na cabeceira da bobina lateral, entre AT e BT (fase 3),
outra no meio desta mesma bobina, também entre AT e BT, e outra na parte inferior da bobina
do meio, novamente entre a alta e baixa tensão, visto que é neste canal aonde se tem as
maiores temperaturas.
Os termômetros imersos em óleo foram posicionados em torno do transformador, para
captar a temperatura ambiente a qual estava submetido o ensaio conforme a norma
recomenda.
Figura 67 - K-20 sendo ensaiado
111
Figura 68 - TCs e TPs para os ensaios
Foi utilizado um oscilógrafo existente no LACTEC, afim de monitorar as formas de
onda das tensões nas três fases simultaneamente, permitindo o acompanhamento e regulação
das formas de onda de tensão na carga.
Figura 69 - Oscilógrafo utilizado nos ensaios
A equipe disponibilizou, também, um equipamento proveniente da UTFPR, capaz de
monitorar o espectro harmônico que estava sendo aplicada na carga. em tempo real, o que
facilitou a execução dos ensaios.
112
Figura 70 - Registrador para controle do espectro harmônico
5.4.3 Início das medições – elevação de temperatura no protótipo K-20
Após todos os preparativos e checagens nos instrumentos, deu-se início ao ensaio de
elevação de temperatura no transformador com fator K-20, com medição da elevação a vazio.
Como neste dia a equipe precisou fazer toda a montagem dos equipamentos e este ensaio
iniciou-se no final da tarde, o acompanhamento da estabilização não pode ser realizado, já que
os horários de expediente deveriam ser cumpridos. A equipe juntamente com os responsáveis
do LACTEC decidiu deixar o transformador ligado a vazio durante a noite toda, para que logo
na manhã do dia seguinte fossem realizadas as medições, pois o transformador já teria
atingido a estabilização.
No dia seguinte, após as medições dos valores de elevação a vazio, curto-circuitou-se
o secundário do transformador e a estabilização em carga teve início.
Figura 71 - Transformador durante ensaio em carga
113
Com o transformador estabilizado, iniciaram-se as medições de resistência.
Tabela 20 - Estabilização ensaio convencional em carga - K-20 LACTEC
Estabilização - Carga
130,0
120,0
110,0
100,0
Temperatura (ºC)
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
10:00:00
10:30:00
11:00:00
11:30:00
12:00:00
12:30:00
13:00:00
13:30:00
14:00:00
Horário
Temp. canal inferior
Temp. canal superior
Temp. canal culatra
Temp. ambiente média
Gráfico 6 - Estabilização ensaio convencional em carga - K-20 LACTEC
Neste momento, infelizmente, começaram alguns problemas que a equipe não
esperava enfrentar. Na manhã seguinte, ao se tentar obter o arquivo com os valores de
114
resistência medidos no dia anterior, este apresentava defeitos e impossibilitava a abertura da
planilha. Sem estes valores, a equipe não pode comparar os resultados dos ensaios que haviam
acabado de ocorrer com os que foram obtidos na COMTRAFO.
Todavia como o tempo no laboratório deveria ser muito bem aproveitado, a equipe e o
LACTEC decidiram continuar os ensaios, enquanto se tentava abrir o arquivo de outra
maneira.
Após o ensaio de curto circuito, iniciaram-se então os preparativos para as medições
com a carga não linear, para que no dia seguinte a elevação de temperatura pudesse ser
iniciada rapidamente.
5.4.4 Elevação de temperatura com carga não linear – protótipo K-20
Como todos os instrumentos, reostatos e circuito chaveador já estavam posicionados, a
equipe encarregou-se primeiramente de realizar as ligações da carga, do secundário do
transformador ao disjuntor do circuito chaveador, do circuito aos reostatos líquidos, do neutro
do transformador aos reostatos líquidos e deste ao terra.
Figura 72 - Circuito de carga
Colocando água nos reostatos líquidos, alimentou-se o transformador, e foi iniciado o
processo de calibração dos reostatos.
115
Com todo o circuito funcionando conforme esperado, desligaram-se os disjuntores, e o
transformador ficou funcionando a vazio a noite inteira, aguardando a elevação de
temperatura com carga não linear que ocorreria no dia seguinte.
Na quarta-feira, iniciou-se a elevação de temperatura do protótipo K-20 com a carga
não linear. Com a corrente nominal circulando no transformador, os reostatos líquidos foram
aquecendo no decorrer do ensaio, e com isso a equipe foi obrigada a reduzir lentamente a
tensão que era aplicada no primário do transformador afim de manter a corrente no valor
nominal. Cabe dizer que isto também foi necessário no ensaio do transformador com fator K1, desta forma a equipe não foi prejudicada na comparação dos resultados dos dois protótipos.
Para evitar que no ambiente fechado do laboratório houvesse um grande aumento na
umidade e possível condensação de água nos aparelhos e circuitos eletrônicos, os reostatos
líquidos foram colocados rente a uma janela, semi-aberta, a qual possibilitava a passagem dos
vapores para o ambiente exterior.
Figura 73 - Reostatos em funcionamento
116
Seguem-se os resultados obtidos:
Tabela 21 - Estabilização ensaio carga não linear - K-20 LACTEC
Estabilização - Carga
130,0
120,0
110,0
100,0
Temperatura (ºC)
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
10:00:00
10:30:00
11:00:00
11:30:00
12:00:00
12:30:00
13:00:00
13:30:00
14:00:00
14:30:00
15:00:00
15:30:00
16:00:00
Horário
TABELA
Temp. canal inferior
Temp. canal superior
Temp. canal culatra
Temp. ambiente média
Gráfico 7 - Estabilização ensaio carga não linear - K-20 LACTEC
MENU
117
Para a medição de resistência, foi necessário tirar a carga não linear do transformador,
abrindo os disjuntores desta, pois caso contrário ao colocar as garras de medição estar-se-ia
medindo a resistência do sistema, o que seria incorreto. Contudo, novamente surgiram
problemas inesperados com o ohmímetro, sendo que este apresentou problemas no começo da
medição e simplesmente parou de funcionar, foi utilizado, então, um sistema analógico para a
medição. A troca de sistemas fez com que se obtivessem apenas os dados dos últimos 2
minutos de ensaio.
Isto acarretou em um grande erro na hora de extrapolar a curva de resistência (através
deste método se consegue saber qual era o valor da resistência no instante do desligamento do
transformador). Logo os valores obtidos não puderam ser usados para comparações, restando
para a equipe apenas os valores obtidos pelas sondas nos pontos específicos do transformador.
Como o tempo era programado, a equipe e o LACTEC decidiram continuar com as
medições, agora para o transformador com fator K-1, trocando a instrumentação de medição
de resistência. Para os valores obtidos com o transformador com fator K-20, ainda assim foi
possível realizar uma comparação entre sua temperatura em curto circuito e sua temperatura
atingida com carga não linear. Através desta comparação, a equipe certificou-se de que os
valores medidos anteriormente no laboratório da empresa estavam com um erro para baixo
nas medições dos harmônicos, mas estavam bem próximos em relação aos ensaios de
elevação de temperatura convencionais realizados no LACTEC.
5.4.5 Comparação dos resultados obtidos no protótipo K-20
Para comparar os resultados obtidos no LACTEC, sem os valores de resistência, a
equipe utilizou do maior valor encontrado entre 3 sondas que a norma exige, sendo este
sempre o valor da sonda na cabeceira da bobina do meio, e subtraiu da temperatura média
ambiente durante aquele ensaio, resultando em um valor de elevação de temperatura. Este
seria muito próximo do valor obtido pela leitura das resistências, segundo as medições
previamente feitas e técnicos consultados nos laboratórios.
Melhor explicando, nos ensaios anteriores o valor de elevação de temperatura em
curto-circuito do enrolamento de baixa tensão obtido lendo-se a resistência foi sempre um
pouco menor que o valor de elevação do enrolamento de baixa tensão obtido através da
diferença de temperatura entre o ponto mais quente e o ambiente. Isto já era de se esperar,
pois o ponto mais quente não representa a temperatura média do enrolamento. Mas ao somar-
118
se com a temperatura obtida no ensaio a vazio, o valor final de elevação da temperatura
aumenta. Logo, se considerarmos a diferença de temperatura entre o ponto mais quente do
enrolamento e o ambiente, como sendo o valor de temperatura obtido na elevação de
temperatura em curto-circuito, o valor final de elevação para o enrolamento de baixa tensão
será um pouco maior do que se tivessem obtidos os valores de resistência.
Outro ponto que justifica a proximidade da temperatura verdadeira do enrolamento de
baixa tensão com o valor obtido pela sonda na cabeceira entre alta e baixa tensão, é a própria
localização do enrolamento, sem contato direto com o ambiente externo, o que permite a
manutenção do calor.
Para o enrolamento de alta tensão, esta comparação não apresenta valores tão precisos,
pois a parte externa do enrolamento esta em contato com o meio ambiente, permitindo maior
dissipação de calor, tornando a temperatura média do enrolamento mais divergente em relação
à temperatura da sonda em questão. Portanto, a equipe decidiu manter a mesma diferença de
temperatura entre o enrolamento de alta e baixa tensão, encontrada nas medições no
laboratório da empresa, quando estabelecidos os valores de elevação de temperatura no
LACTEC.
Esta forma de medição de elevação de temperatura nada mais é do que o método
termoelétrico que foi explicado anteriormente.
E não se pode esquecer que os pontos de maior temperatura são os com maior
probabilidade de apresentar problemas durante a vida útil do transformador. Como a sonda
superior entre os enrolamentos é localizada visando à leitura destes pontos quentes, uma
comparação entre eles é bem justificada.
Segue-se, portanto, os valores obtidos nos pontos selecionados em ambas as medições
no protótipo K-20, e a tabela com o valor de resistência e a elevação de temperatura estimada
pela equipe, através do valor mais alto de temperatura medido em cada medição.
Tabela 22 - Comparação entre pontos quentes - ensaios K-20
A temperatura nos pontos quentes em ambos os ensaios foram muito próximas, e se
for descontada a temperatura ambiente para a obtenção de uma elevação de temperatura
aproximada, os valores se tornam ainda mais parecidos. Para a elaboração das tabelas de
elevação de temperatura, os valores de resistência da elevação a vazio foram recuperados do
119
arquivo e inseridos, pois já tinham sido obtidos antes dos problemas no medidor,
apresentando-se condizentes com o esperado e o obtido na COMTRAFO.
Tabela 23 - Elevação de temperatura K-20 convencional estimada – BT
Tabela 24 - Elevação de temperatura K-20 convencional estimada – AT
Tabela 25 - Elevação de temperatura K-20 carga não linear estimada – BT
120
Tabela 26 - Elevação de temperatura K-20 carga não linear estimada – AT
Ao se analisar a elevação de temperatura, nota-se que o transformador com o fator K20 apresentou um comportamento bem similar em ambas as situações.
Comparando estes resultados com os resultados obtidos no laboratório da
COMTRAFO, pode-se desconfiar que houve um erro nas medições neste último que resultou
em um menor aquecimento do transformador no ensaio com carga não linear. A equipe já
pressupunha que uma variação nos valores entre os laboratórios poderia ocorrer, visto que o
espaço onde foram realizados os ensaios de elevação de temperatura na empresa era aberto e
sujeito a correntes de ar.
Com os valores acima, pode-se afirmar que o aquecimento no protótipo K-20 foi
praticamente o mesmo, tanto em corrente nominal à freqüência fundamental, como
alimentando uma carga não linear. Logo, as modificações realmente apresentam um ganho de
temperatura, diminuindo o efeito das perdas parasitas induzidas nos condutores do
enrolamento.
5.4.6 Início das medições – elevação de temperatura no protótipo K-1
Logo após os ensaios com carga não linear no protótipo com fator K-20, este foi
desconectado e trocado pelo transformador de fator K-1, que foi deixado ligado durante a
noite para que na manhã seguinte fosse medido a resistência a vazio e imediatamente depois
conectado em curto-circuito.
121
Na quinta-feira, após a medição da resistência dos enrolamentos, conectou-se o K-1
em curto-circuito a fim de completar os ensaios necessários para se determinar a elevação de
temperatura convencional.
Enquanto isso, a água dos reostatos líquidos foi renovada, já que com o ensaio de
carga não linear do K-20, esta ficou bem suja, pois corroeu o tambor, e isto dificultaria a
calibração dos mesmos para o ensaio que ocorreria no dia seguinte, como já havia sido
experimentando no laboratório da empresa.
No final do expediente o ensaio foi concluído. A elevação de temperatura foi feita da
mesma forma que a do protótipo K-20, para maior confiabilidade dos resultados.
Tabela 27 – Pontos quentes – ensaio K-1 convencional
Tabela 28 - Elevação de temperatura convencional K-1 estimada – BT
122
Tabela 29 - Elevação de temperatura convencional K-1 estimada – AT
Após estas medições, conectou-se o K1 novamente a vazio para que no dia seguinte
fosse realizado o ensaio com carga não linear.
5.4.7 Elevação de temperatura com carga não linear – protótipo K-1
No último dia de ensaios, restava apenas o ensaio com carga não linear no protótipo
K-1, entretanto a necessidade de calibração novamente dos reostatos líquidos levou tempo,
mas necessária para se conseguir a corrente nominal na elevação (assim como foram
realizados as demais elevações).
Após a medição das resistências a vazio, conectou-se o K-1 com a carga não linear, a
fim de efetuar a calibração dos reostatos. Após quase 1 hora de ajustes conseguiu-se o valor
de corrente desejado de 65A RMS em cada uma das 3 fases. Sendo assim, começou-se as
medições de temperatura para determinar o instante da estabilização.
Todavia, no meio do ensaio, após algumas horas, um dos disjuntores abriu e o circuito
foi desligado por um breve tempo para averiguar o ocorrido. Desta forma a curva de
estabilização foi plotada com os pontos que foram obtidos após este evento.
123
Figura 74 - Estabilização carga não linear - LACTEC
Gráfico 8 - Estabilização temperatura carga não linear - K1
Tabela 30 – Pontos quentes – ensaio K-1 carga não linear
124
Seguem-se valores de elevação estimados, através da análise proposta:
Tabela 31- Elevação de temperatura K-1 carga não linear estimada – BT
Tabela 32 - Elevação de temperatura K-1 carga não linear estimada – AT
5.4.8 Comparação dos resultados obtidos no protótipo K-1
Os resultados obtidos com o K-1 foram satisfatórios para a equipe. Era esperado um
maior aquecimento do transformador convencional sob condições não lineares de carga, e este
aqueceu aproximadamente 10ºC a mais que no ensaio de elevação de temperatura
125
convencional, utilizando-se do método proposto de avaliação do ponto mais quente capturado
pelas sondas.
Após as análises dos resultados, foi possível também confirmar a hipótese que a
equipe tinha com relação a erros nas medições realizadas no laboratório da COMTRAFO,
visto que em um ambiente controlado o transformador que não estava preparado para suportar
os harmônicos teve um aquecimento maior sob carga não senoidal.
5.4.9 Comparação dos resultados obtidos nos transformadores K-1 e K-20
Comparando os resultados obtidos neste segundo laboratório, fica evidente que o
protótipo do transformador com fator K-20 atendeu as expectativas da equipe, já que a
diferença de temperatura máxima atingida nas sondas, descontando-se a ambiente, no
transformador com fator K-1 em relação ao transformador com fator K-20, foi de
aproximadamente 14,6°C, sob condições de carga não senoidal, e a elevação de temperatura,
através do método proposto, foi de 14,2ºC. Além disso, o transformador K-20 se comportou
de maneira muito parecida para as duas situações que foi exposto (com carga senoidal e não
senoidal), tendo uma variação desprezível nas medições de temperatura, enquanto que o
transformador K-1 teve uma diferença de aproximadamente 10,7°C.
Isto significa que, se ambos os protótipos estiverem numa situação real, ligados
ininterruptamente, o K-1 enfrentaria os problemas que o sobreaquecimento causa em
transformadores, como deterioração do isolamento e redução da vida útil, pois sua elevação
de temperatura estimada ultrapassou a elevação de temperatura nominal do material isolante
de classe F, estabelecida em 115ºC. Já o K-20 funcionaria normalmente, mantendo a mesma
vida útil esperada em uma situação de carga senoidal.
5.4.10 Utilização do termovisor para monitoramento da temperatura
A equipe ainda conseguiu disponibilizar um termovisor para verificar a distribuição da
temperatura no transformador.
Como era de se esperar, os pontos mais quentes tendem a ser entre as bobinas de alta e
baixa tensão, na parte superior do mesmo. Isso ocorre devido ao bolsão de ar quente que tende
a subir devido a convecção.
126
Estes tendem a ser os pontos a apresentarem problemas primeiro, como foi dito
anteriormente, com uma temperatura elevada a isolação dos condutores tende a ser danificada,
o que, em alguns casos, podem levar a grandes estragos no equipamento.
Figura 75 - Distribuição da temperatura - K20 – 11h 51min
Figura 76 - Distribuição da temperatura - K20 – 14h 32min
127
Nota-se que com o decorrer do tempo a temperatura tende a aumentar nesses pontos.
Na primeira figura, às 11h51min a temperatura no ponto “d”(entre duas bobinas e na
cabeceira da bobina) era de 93ºC, enquanto que às 14h32min a temperatura já era de 96,8ºC
na superfície externa da bobina.
A equipe, ainda, pode comparar o comportamento da temperatura, num ensaio a vazio
normal e com distorção harmônica. Isto foi possível graças a um fonte especial da Califórnia
Instruments que foi disponibilizado pelo LACTEC. Nesta fonte era possível pré-estabelecer a
distorção harmônica desejada em cada uma das componentes harmônicas. O espectro
harmônico escolhido pela equipe foi o mesmo aplicado no laboratório da COMTRAFO.
Figura 77 - Fonte da Califórnia Instruments
Pode-se observar, nas figuras a seguir, que o aquecimento é maior quando o
transformador é submetido a distorção harmônica de tensão do que quando submetido a uma
tensão senoidal. Isto se deve ao fato característica não senoidal da onda causar maiores perdas
por histerese e Foucault no núcleo do transformador, ocasionando um maior aquecimento.
A diferença de temperatura foi de 13,8ºC nos dois ensaios. Nota-se que a temperatura
é mais alta apenas no núcleo do transformador, já que como exposto anteriormente as perdas
nos enrolamentos podem ser desprezadas neste ensaio.
Todavia, este aquecimento pode ser desconsiderado ao se calcular a elevação total da
temperatura do transformador, já que segundo os fabricantes a influência desta parcela só
começa a ser significativa quando esta ultrapassa os 100ºC.
128
Figura 78 - Ensaio a vazio convencional
Figura 79 - Ensaio a vazio com distorção harmônica de tensão
129
6
CONCLUSÃO
CAPÍTULO
6 - CONCLUSÃO
Ao desenvolver os dois transformadores protótipos de 25kVA a seco, sendo um
transformador convencional, e outro voltado para suportar o aquecimento causado pelas
distorções harmônicas, a equipe tinha como objetivo estabelecer uma comparação entre
ambos, em uma situação mais próxima possível da alimentação de uma carga não linear. Para
simular esta situação, através de pesquisa intensa, descobriu-se que o principal problema
causado pelos harmônicos em um transformador é o superaquecimento, e este é causado pela
distorção harmônica na corrente, a qual aumenta consideravelmente as perdas parasitas nos
enrolamentos dos transformadores.
Sendo assim, o protótipo voltado para a alimentação de cargas não senoidais, com um
fator de suportabilidade K-20, foi projetado especialmente de forma a apresentar um baixo
custo e combater o principal problema gerado pelos harmônicos, sem deixar de lado os outros
aspectos verificados em cargas não lineares. Deste modo, ao compará-lo com um
transformador de fabricação convencional, que possui fator de suportabilidade K-1, sob as
mesmas condições de carga com distorção harmônica, este deveria aquecer menos, mantendose dentro dos limites máximos de temperatura, provando-se uma alternativa mais viável
tecnicamente e economicamente que a ação mais praticada hoje em dia para este tipo de
situação: a utilização de um transformador de maior potência que o exigido pela carga.
E através da comparação e adaptação do ensaio de elevação de temperatura para a
alimentação com uma carga não linear, a equipe obteve sucesso na comparação entre os dois
protótipos, demonstrando a capacidade de suportar e até suprimir grande parte do
aquecimento gerado pelos harmônicos de corrente do transformador com fator K-20, em
relação ao transformador K-1.
Para tanto, a equipe teve que realizar as medições em dois laboratórios diferentes, com
condições diferentes, identificar erros nas medições e divergências nas calibrações dos
instrumentos utilizados, criar uma carga resistiva de alta potência, economicamente viável,
juntamente com um circuito gerador de harmônicos de alta potência, fácil controle e baixo
custo, além de projetar os próprios transformadores.
130
7CAPÍTULO
REFERÊNCIAS
7 - REFERÊNCIAS
PHIPPS, James K.; NELSON, John P.; SEN, Pankaj K. Power Quality and Harmonic
Distortion on Distribution Systems. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 30,
Nº. 2, 1994.
FRANK, Jerome. M. Origin, Development, and design of K-factor transformers. IEEE
Industry Applications Magazine, September / October 1997.
TACI, M. Salih; DOMIJAN, Jr. Alexander. The effects of linear and non-linear operation
modes in transformers. In: 11th INTERNATIONAL CONFERENCE ON HARMONICS
AND QUALITY OF POWER, 2004.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE C57.110:
recommended practice for establishing transformer capability when supplying nonsinundal
load currents. Nova York, 1998.
BISHOP, M. T., and GILKER, C. Harmonic caused transformer heating evaluated by a
portable
PC-controlled
meter.
In:
37th
ANNUAL
RURAL
ELETRIC
POWER
CONFERENCE, 1993.
BLUME, L. F., et al. Transformer engineering, 2nd Ed., pp. 56-65, New York: John Wiley
& Sons, Inc., 1951.
Cox, M. D., and Galli, A. W. Temperature rise of small oil-filled distribution transformers
supplying nonsinusoidal load currents. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, no.
1, Jan. 1996.
Crepaz, S. Eddy current losses in rectifer transformers. IEEE Transactions on Power
Apparatus and Systems, vol. PAS-89, no. 7, Sept./Oct. 1970.
131
Kennedy, S. P., and Ivey, C. L. Application, design and rating of transformers containing
harmonic currents. In: ANNUAL PULP AND PAPER INDUSTRY TECHINICAL
CONFERENCE, 1990.
UNDERWRITERS LABORATORY. UL 1561: dry-type general purpose and power
transformers. 1994.
UNDERWRITERS LABORATORY. UL 1562: transformers, distribution, dry-type - over
600 volts. 1994
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10295: transformadores de
potência secos. Rio de Janeiro, 1988.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5380: transformadores de
potência. Rio de Janeiro, 1993.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE C57.12.00:
standard general requirements for liquid-immersed distribution, power, and regulating. New
York, 1993.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE C57.12.01:
standard general requirements for dry-type distribution and power transformers including
those with solid cast and/or resin encapsulated windings. New York, 1998.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE C57.12.90:
standard test code for liquid-immersed distribution, power, and regulating transformers. New
York, 1993.
INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS. IEEE C57.12.90:
standard test code for dry-type distribution and power transformers. New York, 1995.
LEFÈVRE, A. et al. 3-D computation of transformers overheating under nonlinear loads.
IEEE Transactions on Magnetics, vol. 41, no. 5, May. 2005.
132
PERETTO, L.; SASDELLI, R.; SERRA, G. Measurement of harmonic losses in transformers
supplying nonsinusoidal load currents. IEEE Transactions on Instrumentation and
Measurement, vol. 49, no. 2, Apr. 2000.
DUGAN, R. C.; MCGRANAGHAN, M.F.; BEATY, H. W. Electrical power systems
quality. New York, McGraw-Hill, 1996.
YILDIRIM, D.; FUCHS, E. F.; GRADY, W. M. Measurement of eddy-current loss coefficient
PEC-R, derating of single-phase transformers, and comparison with K-factor approach. IEEE
Transactions on Power Delivery, vol. 15, no. 1, Jan. 2000.
FUCHS, E. F.; YILDIRIM, D. Measured transformer derating and comparison with harmonic
loss factor (FHL) approach. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 15, no. 1, Jan.
2000.
Thammarat, C. et al. An Analysis of Temperature of Oil-Immersed Transformer Under NonLinear
Load.
In:
INTERNATIONAL
TECHNOLOGY, 2004.
CONFERENCE
ON
POWER
SYSTEM