Para aula de analise de Sistemas Elétricos foi solicitado para os alunos dimensionarem um banco de transformadores para fins didáticos. Assim foi proposto a elaboração de um memorial descritivo, contendo informações para elaboração de um produto.
- Carlos Alexandre dos Santos Nunes;
- Ewerton Guidarini;
- Gabriel Fernando dos Santos;
- Jack Chen Gomez.
Abaixo encontra-se o artigo produzido.
BANCO DE TRANSFORMADORES DE BANCADA DIDÁTICA
1.
INTRODUÇÃO
A análise e os tipos de ligações de
transformadores a ser feito em um determinado sistema são escolhidas ou por
questões econômicas referentes aos níveis de tensão ou níveis de corrente a
serem transformados ou então pelas características de operação e proteção que
se deseja dar ao sistema elétrico, segundo Silva (2004) as empresas distribuidoras de energia elétrica procuram cada vez mais operá-los de forma otimizada, buscando a redução dos custos operacionais assim como a redução das perdas de energia.
Dessa forma, uma ligação delta é interessante
para sistemas por onde circulam altas correntes e um sistema em estrela, mais
adequado para sistemas com altas tensões.
Por outro lado, se o sistema elétrico possui
tensão nominal maior ou igual a 115 kV, melhor utilizar uma ligação estrela com
neutro aterrado para evitar riscos de sobre tensões indesejáveis.
Quando utilizamos uma transformação delta no
lado primário de um transformador e estrela aterrada no secundário, estamos
garantindo fonte de terra no secundário, independentemente do tipo de sistema
da fonte alimentadora.
Uma ligação estrela aterrada (primário) /
delta, conectada a um sistema com neutro isolado, também pode conferir fonte de
terra ao mesmo.
Considerando a utilização de ligações
trifásicas específicas relacionada a problemas
de proteção dos sistemas elétricos, por exemplo, as concessionárias de
energia elétrica não permitem a utilização da ligação estrela aterrada na
interface entre seu sistema e o sistema consumidor. Também por problemas de
proteção, circuitos trifásicos de distribuição de energia elétrica, em 13,8 kV
por exemplo, devem ser do tipo neutro aterrado.
No tocante a sistemas elétricos industriais de
média tensão, muitas vezes preferem-se a utilização de neutro isolado ou
aterrado através de impedância, de forma a evitar-se altas correntes de
defeitos a terra.
Devido a não linearidade da relação de fluxo
versus corrente de excitação de núcleos ferromagnéticos, a onda senoidal de corrente
ou de tensão fase-neutro terá distorção, com predominância da terceira
harmônica. Essas distorções podem prejudicar o funcionamento da carga acionada
e também gerar perdas adicionais ao sistema elétrico. As ligações trifásicas
dos transformadores interferem com essa característica, podendo inclusive ser
utilizadas como filtros.
Este trabalho tem um caráter orientativo e
servirá como ferramenta aplicada em estudos relacionados a os transformadores
de potência para as futuras turmas do curso de Engenharia Elétrica da Faculdade
União das Américas.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 COMPONENTES DE MANOBRA E PROTEÇÃO DA BANCADA
Figura
1 - Lista de componentes
2.2 EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS PARA AS MEDIÇÕES
- Osciloscópio;
- Pontas
de prova;
- Fonte
de tensão alternada variável;
- Voltímetro;
- Amperímetro;
- Wattímetro.
2.3 BANCADA
DIDÁTICA
Os
componentes( Auto Transformadores, Botão Trifásico, Contatoras, Plug’s Banana
macho e fêmeas) serão fixados na placa
de acrílico e os polos dos transformadores, utilizaram plugs banana fêmeas,
para realizar as ligações dos transformadores, de forma fácil, rápida e que
permita executar as diversas ligações possíveis entre transformadores,
permitindo testar e conhecer as características das 04 formas de fechamentos,
sendo elas, ligação delta – delta,
estrela-estrela, estrela-delta, delta – estrela, além do conceito do a de
transformação presente nos transformadores.
3.
CARACTERÍSTICAS
DAS LIGAÇÕES TRIFÁSICAS NO BANCO
Como mencionamos anteriormente, os motivos para a análise e os tipos de ligações de transformadores a realizado em um determinado sistema são escolhidas por questões econômicas referentes aos níveis de tensão, por conta dos níveis de corrente a serem transformados ou então pelas características de operação e proteção que se deseja dar ao sistema elétrico.
3.1. LIGAÇÃO DELTA-DELTA
Podemos considerar as tensões de seus terminais
secundários iguais como sendo simétricas as de seus terminais primários,
mediante sua relação de espiras, mesmo diante das dissimetrias apresentadas nas
características construtivas dos transformadores.
Figura 2 - Ligação Delta-Delta.
Conforme figura 2, interligados entre si em
delta-delta e em uma condição de perfeito equilíbrio entre o sistema elétrico e
o sistema consumidor, alimenta um terço da carga total trifásica e as correntes
nos enrolamentos de cada um destes é igual a 1/v3 vezes as intensidades das
correntes de linha no sistema.
3.1.1 CONEXÕES ILUSTRATIVAS DA LIGAÇÃO DELTA-DELTA (? - ?)
Conforme
figura 3, para a execução do ensaio usaremos os seguintes instrumentos: 2
voltímetros, 1 wattímetros, 3 amperímetros, 1 fonte de alimentação trifásica, 1
osciloscópio digital;
Figura 3 - Ligação do Banco em Delta-Delta.
3.2 LIGAÇÃO ESTRELA-ESTRELA
A ligação que permite a transformação de grandezas
elétricas sem alterar a defasagem entre tensões e correntes de fase e de linha,
tanto para as tensões primárias e secundárias.
Figura 4 - Ligação Estrela-Estrela.
O nome “estrela” vem do fato de que as tensões
aplicadas aos enrolamentos, quando representadas vetorialmente, estão dispostas
com defasagem de 120° entre si, conforme ilustrado na figura 4.
Geralmente é empregada para a alimentação de
cargas praticamente equilibradas. Em contrapartida, esta ligação pode fazer com
que o sistema apresente tensões, fase-neutro, distorcidas devido a corrente de
terceira harmônica gerada pela não linearidade da característica de
magnetização de núcleos ferromagnéticos. Na figura 5, podemos visualizar uma
ligação Estrela Aterrado-Estrela Aterrado. Aterrando-se
o neutro e alimentando-se o banco de transformadores com um sistema aterrado,
eliminamos as distorções nas ondas de tensão, mas provocamos distorções nas
ondas das correntes de magnetização que ocasionam perdas suplementares no
sistema elétrico.
Figura 5 – Ligação Estrela Aterrado-Estrela Aterrado.
3.2.1
CONEXÕES
ILUSTRATIVAS DA LIGAÇÃO ESTRELA-ESTRELA
Conforme
a figura 6, para a execução do ensaio usaremos os seguintes instrumentos:
2 voltímetros, 1
wattímetros, 3 amperímetros, 1 fonte de alimentação trifásica, 1 osciloscópio
digital.
Figura 6 - Ligação do Banco em Estrela Aterrado-Estrela Aterrado
3.3 LIGAÇÃO
A figura 7 demonstra uma ligação
estrela-delta. Neste tipo de ligação, a tensão de fase primária é transformada
em tensão de linha secundária.
Portanto a relação de transformação não
dependerá apenas da relação de espiras mais também da relação entre as tensões
de fase e neutro.
Figura 7 - Ligação Estrela Aterrado-Delta.
Este tipo de conexão causa uma defasagem de 30° entre as tensões primárias e secundárias. Esta defasagem pode ser de 30° ou -30°, dependendo da sequência de fases
aplicada
ao primário. Se os enrolamentos do transformador forem conectados conforme
ilustrado, teremos as tensões primárias aplicadas na sequência direta, ou seja,
A-B-C, e as tensões de fase secundárias estarão “atrasadas” em relação às
tensões de fase primárias em 30°, ou seja, houve uma defasagem de –30°.
3.3.1 CONEXÕES ILUSTRATIVAS DA LIGAÇÃO (Y- ?)
|
Figura 13 - Ligação
do Banco em Estrela Aterrado-Delta.
|
Conforme figura 8, para a execução do ensaio usaremos os seguintes instrumentos: 2 voltímetros, 1 wattímetros, 3 amperímetros, 1 fonte de alimentação trifásica, 1 osciloscópio digital;
Figura 8 - Ligação do Banco em Estrela Aterrado-Delta.
3.4
LIGAÇÃO DELTA ESTRELA
Por meio da figura 9, percebemos que este tipo
de ligação é semelhante a anterior, sendo diferente apenas a sua relação de
transformação. Neste caso, a tensão de linha do enrolamento primário conectado em
? é transformada na tensão de fase do enrolamento secundário xa, a defasagem será de +30°.
Aplicando-se sequência inversa de fases no primário, será observada uma
defasagem de –30° nas tensões secundárias.
Figura 9 - Ligação Delta-Estrela Aterrado.
3.4.1 CONEXÕES ILUSTRATIVAS DA LIGAÇÃO
Conforme figura 10, para a execução do ensaio
usaremos os seguintes instrumentos: 2 voltímetros, 1 wattímetros, 3
amperímetros, 1 fonte de alimentação trifásica, 1 osciloscópio digital;
Figura 10 - Ligação do Banco em Delta-Estrela Aterrado.
4.
CONCLUSÃO
Este
trabalho demonstrou a dinâmica de aplicação dos tipos de ligações trifásicas existentes
e sua contribuição para o sistema elétrico.
Simples
e de fácil operação, a bancada didática nos permite a possibilidade de
alcançarmos conhecimento e formas de mensuração das grandezas elétricas
importantes para a devida aplicação das ligações trifásicas propostas neste
trabalho e auxilia na escolha da ligação mais adequada para um sistema,
compreendendo quais as vantagens e desvantagens para diferentes tipos de
ligações que flexibilizam o uso de um banco de transformadores monofásicos.
Acreditamos
que este caderno conjunto a esta bancada será um importante instrumento
didático no laboratório da universidade e que beneficiará as futuras turmas do
curso de engenharia elétrica que, por meio de aulas práticas, terão a
oportunidade de consolidar os conhecimentos teóricos adquiridos em sala de
aula.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Gilio Aluisio, Transformadores: Teorias
e Exercícios. São Paulo: Érica, 2010.
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NOGUEIRA; Daniel da Silva; ALVES, Diego Prandino; Transformadores de Potência - Teoria e Aplicação Tópicos Essenciais, Rio de Janeiro, Abril de 2009.
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SADIKU,
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PAIDA, J. P. B. Modelo Matemático de Un Transformador Real Monofásico de Dos Devanados. Universidade Politécnica Salesiana de Guayaquil.NOGUEIRA; Daniel da Silva; ALVES, Diego Prandino; Transformadores de Potência - Teoria e Aplicação Tópicos Essenciais, Rio de Janeiro, Abril de 2009.
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