Energização de Transformador Com Núcleo Saturável

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA Faculdade de Engenharia Eltrica

Energizao de Transformador com Ncleo Saturvel

INTRODUO

Ao se energizar um transformador nota-se um fenmeno fsico onde a corrente

inicial maior que a corrente a vazio e, at mesmo, maior que a corrente nominal do

transformador, tal fenmeno fsico conhecido como corrente transitria de

magnetizao (Inrush Current). No caso onde essa corrente inicial maior que a nominal

do transformador pode-se ter uma falsa impresso de estar ocorrendo um curto-circuito.

Considerando-se todo o problema e observando-se as caractersticas do transformador, a

explicao correta da corrente transitria de magnetizao torna-se clara. Tal fenmeno

fsico ocorre devido ao aumento do fluxo magntico, que pode chegar ao dobro do fluxo

magntico em regime permanente. Este aumento depende do valor instantneo da tenso

no momento da energizao do transformador, ou seja, a fase em que a tenso se encontra.

Para realizar estudos sobre esse fenmeno, utilizou-se o simulador de transitrios

eletromagnticos ATP (Alternative Transient Program). Assim, este trabalho possui a

seguinte estrutura:

Proposta: Contm todos os procedimentos a serem realizados

nesse trabalho, Energizao de Transformador com Ncleo Saturvel, proposto

pelo professor.

Modelagem do transformador: Aqui ser feita a modelagem do

transformador utilizando bancos monofsicos sem histerese para que o fluxo

residual seja sempre nulo.

Ensaios para validar o modelo: Para que possamos prosseguir foi

realizado os ensaios tradicionais do transformador para validar o modelo. Ensaio

a vazio e, ensaio em curto-circuito.

Energizao controlada: Aqui esboamos o conceito de

energizao do transformador e a modelagem para o controle do mesmo, de forma

que no apresente a corrente de INRUSH.

Resistncia de Pr-Insero: Neste captulo abordamos outro

mtodo para limitao da corrente de magnetizao, o qual feito inserindo uma

resistncia no primrio do transformador.

Concluso: Conclumos o trabalho apresentando um resumo geral

do que foi feito e comparando os mtodos utilizados para energizao.



Proposta


Simular a energizao de um transformador trifsico e analisar os picos das

correntes nas trs fases (corrente de inrush). Verifique a influncia do valor instantneo

da tenso no momento da energizao do transformador e determine a melhor situao

para fazer o fechamento de cada polo do disjuntor de forma a evitar a corrente de inrush.

Utilizando a sub-rotina TACS do ATP, construa um disjuntor sincronizado para fazer, a

qualquer instante, a energizao do Transformador sem a corrente de inrush.

Alternativamente, mostre que a utilizao de um resistor de pr-insero tambm pode

eliminar o problema da corrente de inrush.

Dados do Transformador: Trifsico; 60 Hz; 1500 kVA; 13.8/0.38 kV; Ligao D Y;

Impedncia Z = 6%; Perdas em curto-circuito = 1.10%

Corrente em vazio = 1.1%; Perdas em vazio = 0,146%

Densidade de fluxo nominal Bn = 1,6 T

Obs.: A modelagem dever ser feita atravs de banco de transformadores

monofsicos com ncleo saturvel sem histerese, o que significa que o fluxo residual no

ncleo sempre nulo.



A caracterstica de excitao da chapa de ao silcio de gros orientados utilizada

na construo do ncleo do transformador dada na tabela a seguir:

Caracterstica de Magnetizao

H [oersted] B [gauss]

0,106 2000

0,1875 5000

0,30 14000

0,455 15200

0,96 16000

2,00 17000

7,20 18000

18,00 18600

100,00 19800

200,00 20280

500,00 20970

1000,00 21430

Dados extrados da curva caracterstica de magnetizao da chapa de ao silcio de gros

orientados da Acesita tipo E-05 com 0,30 mm de espessura.



Modelagem do transformador

De acordo com o enunciado, temos:

Dados do Transformador

Potncia (S) 1500KVA

Frequncia (f) 60Hz

Tenso (V) 13,8/0,38KV

Ligao Delta Estrela

Impedncia Percentual (Z%)

6%

Corrente a Vazio

Percentual (I0%)

1,1%

Potencia a Vazio Percentual (P0%)

0,146%

Potencia em Curto Percentual (Pcc%)

1,10%

Densidade de Fluxo Nominal (Bn)

1,6T

Relao de transformao: K = NN = 13800220 = 62,727272 Corrente Nominal por fase, primrio:

= 3 = 15003 13800 = 36,232 []



Corrente Nominal por fase, secundrio:

I = I K = 2272,73454 [A]

Corrente a Vazio por fase:

= % . 100 = 1,1% . 36,232 100 = 398,55 []

= % . 100 = 1,1% . 2272,73454100 = 25 []

Potencia a Vazio:

= % . 100 = 0,146 . 1500 100 = 2190 []

= 3 = 2190 3 = 730 []

Potencia em Curto - Circuito:

= % . 100 = 1,1 . 1500 100 = 16500 []

= 3 = 16500 3 = 5500 []



Impedncias referidas no lado de alta tenso:

% = % = 1,1%

= % = 4.19 []

= % 100 = 22,8528 []

= = 22,46 []

= 2 . 2 = 29,7877 = 2 = 2,095

Impedncias referidas no lado de baixa tenso:

= K = 1,064881. 10 []

= K = 5,8080. 10 []

= K = 5,7081. 10 []



= 2 . 2 = 0,0075704 []

= 2 = 5,3244. 10 []

Parmetro do Ramo de Magnetizao:

=

= 0.13272 = (. ) . K = 730 11.0058 62.727272 = 260905,2979 []

Fluxo de Magnetizao:

= 4,44 . = 138004,44 . 60 = 51,8



Para modelagem do transformador com ncleo saturvel no ATP, utilizaremos os

dados abaixo:

Parmetros Utilizados na Modelagem do Trafo no ATP

() 563,635 mA 51,8

Rm 260905,2979 2,095 29,7877 mH 13,8

5,3244. 10 0,0075704 mH 0,22 KV

Alm dos parmetros, devemos fornecer os dados da curva de

magnetizao do transformador. No enunciado, estes dados esto em Oersted x Gauss

mas, no ATP estes dados devem ser fornecidos em Amperes x Weber-espira. Para converso, basta utilizar as frmulas:

= . [ ] = . []

Sabendo que, 1 tesla= 10.000 gauss, temos:

= 563,635 = 16000 = 51,8 = 0,96



Aplicando as frmulas nos pontos dados no enunciado conseguimos a seguinte

tabela:

Caracterstica de Magnetizao

I [A] [Wb - esp]

0,062235 6,475

0,110085 16,1875

0,176136 45,325

0,26714 49,21

0,563635 51,8

1,17424 55,0375

4,227263 58,275

10,56816 60,2175

58,71198 64,1025

117,424 65,6565

293,5599 67.89038

587,1198 69,37963



Plotando estes pontos no plano cartesiano, podemos observar o comportamento

da curva de magnetizao.

Figura 1. Curva de magnetizao do transformador de 1500KVA

Ensaios para validar o modelo

Ensaio a vazio

O ensaio a vazio tem por objetivo estimar as perdas no ncleo de ferro, chamadas de

perdas a vazio. A figura abaixo mostra o esquemtico do ensaio a vazio realizado no ATP.

Figura 2. Esquemtico do ensaio a vazio no ATP

01020304050607080

[W

b -e

sp]

I[A]

Curva de magnetizao



Simulando nossa modelagem, encontramos as seguintes formas de onda para tenses no

primrio e secundrio, respectivamente:

Figura 3. Tenses por fase no primrio do transformador

Figura 4. Tenses por fase no secundrio do transformador

(file TRA_CC.pl4; x-var t) v:X0001A-v:X0001B v:X0001B-v:X0001C v:X0001C-v:X0001A 10 20 30 40 50 60 70 80 90[ms]

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

[kV]

(file TRA_CC.pl4; x-var t) v:XX0063 v:XX0061 v:XX0059 10 21 32 43 54 65[ms]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

[V]



Para as correntes, encontramos as seguintes curvas:

Figura 5. Correntes de linha no primrio do transformador

Figura 6. Composio da corrente de magnetizao

Podemos observar uma distoro nas formas de onda das correntes no primrio

do transformador, com a presena em maior nvel da 5 e 7 harmnica. Esta distoro ocorre

devido s caractersticas no lineares do ncleo ferromagntico.

(file TRA_CC.pl4; x-var t) c:X0066A-X0001A c:X0066B-X0001B c:X0066C-X0001C 26,0 31,2 36,4 41,6 46,8 52,0[ms]

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

[A]



Ensaio em curto-circuito

O ensaio em curto tem por objetivo estimar as perdas nos enrolamentos, primrio e

secundrio, do transformador. Uma modelagem do ensaio em curto segue abaixo:

Figura 7. Esquemtico do ensaio em curto circuito no ATP

Neste ensaio, estabeleceu-se uma tenso pequena obtendo assim uma corrente prxima a

nominal assim, como o comportamento do transformador, submetido a baixos nveis de tenso

relativo a nominal, linear e o valor foi corrigido. Nas figuras abaixo podemos observar as formas

de onda das correntes.

Figura 8. Correntes aplicadas no primrio do transformador Figura 9. Correntes resultantes no secundrio

(f ile TRA_CC.pl4; x-v ar t) c:X0065A-X0001A c:X0065B-X0001B c :X0065C-X0001C 10 20 30 40 50

-90

-60

-30

0

30

60

90

[A]

(f ile TRA_CC.pl4; x-v ar t ) c:XX0055-XX0061 c:XX0057-XX0061 c:XX0059-XX0061 25 35 45 55 65 75

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000[A]



As correntes de linha senoidais apresentam no primrio um valor de pico 89.073 [A], o

que representa uma corrente eficaz de fase equivalente a 36.32 [A], o que muito prximo do

valor estimado, 36.26 [A]. No secundrio, o valor de pico 3214.2 [A], sendo a corrente a eficaz

igual 2272.7826 [A], tambm muito prximo do valor calculado, 2272.73454 [A].

Tenso no primrio:

Figura 10. Tenso aplicada no primrio do transformador

A tenso aplicada no primrio do transformador apresenta um valor de pico de

709.86 volts. Mas como a tenso aplicada fase/terra o valor da tenso aplicado na transformador

:

= 3 709.862 = 869.4 []

Assim, podemos calcular a impedncia percentual de nosso transformador

modelado:

=

100% = 869.413800 100% = 6.3% Os valores esto prximo, assim podemos utilizar esse transformador em vrios

sistemas.

(file TRA_CC.pl4; x-var t) v:X0001A v:X0001B v:X0001C 0 10 20 30 40 50[ms]

-1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1000

[V]



Energizao controlada

CONCEITO DA ENERGIZAO CONTROLADA

Quando energizamos um transformador, o efeito da saturao magntica produz uma

grande corrente de magnetizao. Podemos observar isso na figura abaixo, onde energizamos

nosso transformador modelado a vazio.

Figura 11. Corrente de INRUSH do Transformador

A corrente nominal eficaz por fase no primrio do transformador de 36.32 [A],

contudo a corrente de linha chegou de 813.9 [A]. Ou seja, uma corrente de 22.4 pu.

Ao energizarmos o trafo, o nvel de tenso aplicado em uma bobina deve

corresponder ao fluxo na mesma, caso contrrio, o fluxo para se adaptar ao novo nvel de tenso

precisar variar muito rpido, ocasionando em uma grande solicitao de corrente. Assim, para

energizar o transformador sem que aparea essa elevada corrente, devemos chavear seus terminais

no momento que a tenses da fonte estiverem correspondentes aos fluxos nas bobinas. Com isso,

no produziremos degraus de fluxo, extinguindo a corrente de INRUSH.

(file TRA_CC.pl4; x-var t) c:X0047A-X0001A c:X0047B-X0001B c:X0047C-X0001C 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6[s]

-800

-400

0

400

800

1200

[A]



MODELAGEM DO CIRCUITO DE CONTROLE

Tendo o controle feito em TACs realizado em sala de aula, podemos coloca-lo em prtica:

Figura 13. Esquemtico da chave controlada para energizao do transformador

Figura 14. Esquemtico do transformador com a chave controlada



Segue abaixo as formas de onda: Primrio e secundrio.

Figura 14. Tenso aplicada no primrio do transformador

Figura 15. Tenso aplicada no secundrio

Podemos observar o valor de crista da corrente:

Figura 16. Corrente de magnetizao do transformador

Na figura 16 vemos a simulao completa da energizao do transformador e, podemos

observar ento que esse controle foi bastante eficaz reduzindo muito o valor da corrente de

magnetizao.

(file TRA_CC.pl4; x-var t) v:X0001A v:X0001B v:X0001C 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26[s]

-12

-8

-4

0

4

8

12

[kV]

(f ile TRA_CC.pl4; x-v ar t) v :XX0146 v :XX0148 v :XX0150 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25[s]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400[V]

(f ile TRA_CC.pl4; x-v ar t) c:X0146A-X0005A c:X0146B-X0005B c:X0146C-X0005C 0,200 0,205 0,210 0,215 0,220 0,225 0,230[s]

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8[A]



Resistncia de pr-insero

Outra forma de limitar a corrente de curto-circuito inserir uma resistncia no

primrio do transformador, a qual ser curto-circuitada por uma chave em paralelo aps um

tempo. Essa resistncia denominada de resistncia de pr-insero. Um esquemtico desse

circuito pode ser visto na figura abaixo.

Figura 17. Esquemtico do transformador com resistncia de pr-insero

Um bom valor para resistncia aquela que ir produzir a corrente nominal do

transformador. Como nossa fonte est em estrela, calculamos a resistncia da seguinte forma:

= 3

= 13800 336.32 = 219.36 220

Figura 18. Corrente de INRUSH com resistncia de pr-insero

(f ile TRA_CC.pl4; x-v ar t) c:XX0079-XX0051 c:XX0073-XX0045 c:XX0059-XX0039 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16[s]

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40[A]



Concluso

Neste trabalho notou-se diferentes mtodos para energizao de um

transformador, eliminando ou limitando a corrente de magnetizao (INRUSH). Esse processo

necessrio para transformadores de mdia e grandes potencias pois pode trazer problemas na

distribuio e transmisso.

O mtodo 1, controlado por TACS foi o que apresentou melhor resultado. Ele foi

capaz de eliminar a corrente de INRUSH do transformador, estando o transformador a vazio,

circulava apenas a corrente a vazio. Como todo mtodo mais eficaz o grau de dificuldade aumenta

assim tira a robustez elevando o seu preo.

O segundo mtodo, resistncia de pr-insero tambm apresentou bons

resultados. A resistncia limita corrente de energizao e quando passado o transitrio, ela

curto-circuitada por uma chave em paralelo. Cada vez que se aumenta essa resistncia, diminui-

se mais ainda o valor da corrente de magnetizao, porm ao aumentar a resistncia, seu preo se

eleva. Ento costuma-se inserir uma resistncia que seja suficiente para produzir a corrente

nominal do transformador, j que ele foi projetado para suportar tal corrente.

O universo industrial utiliza mais o segundo mtodo pois mais barato e fcil

implementao.



Referncias Bibliogrficas

[1] OLIVEIRA. Jose Carlos de. Transformadores Teoria e Ensaios

[2] Lynce. Marcelo . Modelagem de Transformadores e Reatores com

Entreferro

Documents

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