Q]
CONSTITUiO
Com o aumento dos consumos de' energia nasceu a necessidade de se fazer o transporte e distribuio de energia em sistema trifsico, o qual se mostrava bastante mais econmico do que em monofsico. Para transformar o sistema trifsico de tenses, que se obtm sada dos alternadores trifsicos nas centrais, podemos utilizar 3 transformadores monofsicoso Num tal sistema os 3 transformadores devem trabalhar como um bloco dada a interdependncia de uns em relao aos outros. A este conjunto chama-se banco de transformadores monofsicos (fig. 1). A
B
c
Surgiu assim a ideia de reunir os 3 transformadores monofsicos e formar um nico transformador (bloco nico) que tivesse o mesmo papel, economizando material e espao. Na figo 2a esto representados os 3 transformadores monofsicos que iremos fundir num s.
a
b
c
n monofsicos.
Fig. 1 - Banco de transformadores
p
s
a
Fig.2
b
CONSTITUiO
85
Se os fundirmos, da forma indicada na figo 2b, em nada so alteradas as grandezas elctricas e magnticas anteriores, visto que cada transformador monofsico mantm o mesmo circuito magntico. Se alimentarmos os primrios de cada coluna por cada uma das fases de um sistema trifsico de tenses obtemos um sistema trifsico de fluxos conforme sugerido na figo 3. u
Fig.3
No instante t, como alis em qualquer outro instante, a soma de 3 fluxos de um sistema trifsico equilibrado igual a zero:
0, (t)
+ O2 (t) + 03
(t)
= O
Este facto sugere-nos que, semelhana do que se passa numa ligao em estrela equilibrada onde o neutro no necessrio, no ser aqui necessria a utilizao da coluna comum aos 3 transformadores. Assim, se a retirarmos, o transformador fica com a forma indicada na figo 4a.
11I
NCLEO DE FLUXOS LIGADOS
Fig.4
b
Ora, se atentarmos bem, o circuito magntico anterior no nada cmodo de construir, pelo que substitudo por um circuito magntico no simtrico, como o indicado na figo 4b, considerado como a variante com planar do anterior. Na figo 5 representamos 3 formas distintas de empilharmos as chapas constituintes do ncleo de um transformador trifsico. Neste transformador (tambm designado de fluxos ligados), embora os fluxos magnticos constituam da mesma forma um sistema trifsico equilibrado (visto que os fluxos so impostos pelo sistema trifsico de tenses da rede) as correntes
86
TRANSFORMADOR
TRIFSICO
de magnetizao so diferentes, em cada uma das fases, dado que a relutncia magntica do circuito agora diferente para cada fase (recordemos a lei de Hopkinson) .POSI01 POSiO 2
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
aFig. 5 - a - Chapa normal. b - Chapa de cristais orientados.
b
Esta assimetria , no entanto, insignificante quando o transformador carga dado o pequeno valor de 1'0 em relao a In.(FoI. ASEA)
est em
r--,II I
I~ I :~. I.J
i ~ II~: ,~ I -.. ___ \
I I
'
a
(------:--jr
r::':':::::::':":'~ 11 r:::::'.::::::111 r::':;::':"::-:';~ iJ ~ ) ~ )
(-------i (-------',
Fig. 6 - Ncleos de fluxos livres: a - De cinco colunas. b - Blindado ou couraado.
\...
b
Quando se tem de transportar, normalmente por via frrea, transformadores de grandes dimenses, necessrio limitar a altura destes, adoptando-se como soluo um ncleo de 5 colunas (fig. 6). Este tem altura inferior de um ncleo de 3 colunas. Os fluxos das 3 fases so mais independentes uns dos outros, pelo que o ncleo se designa de fluxos livres. Nos transformadores de elevada potncia em que se prevejam correntes de curto-circuito muito intensas e, portanto, elevados esforos electrodinmicos entre os enrolamentos usam-se ncleos do tipo blindado ou couraado (ncleo envolvente) (fig. 6b) dado que possibilitam uma melhor resistncia daqueles. Estes transformadores so usados em electrometalurgia nos fornos elctricos de arco.
CONSTITUiO
87
Com as diversas variantes do transformador trifsico consegue-se assim obter um transformador mais barato e mais prtico do que utilizando 3 transformadores monofsicos. Na figo 7 mostram-se as vrias fases de montagem de um transformador trifsico enquanto na figo 8 se representa uma mquina destas em corte.
a
b
c
eFig.7
a - Ncleo abertod b - Ncleo com bobinas de B. T. c - Ncleo com bobinas de B. T. e A. T. d - Ncleo fechado e - Comutado r sem tenso e tomadas
(Fot, MOTRA
- Equipamentos
Elctricos
SARL)
88
TRANSFORMADOR
TRIFSICO
Os enrolamentos so ligados aos circuitos exteriores por terminais ou isoladores de travessia que permitem a passagem dos condutores atravs da tampa da cuba. Estes isoladores so tubos de porcelana fixados na tampa e apresentando formas e dimenses diversas conforme a tenso, a potncia ou a utilizao da mquina (para locais interiores ou exteriores). Assim, por exemplo, a parte exterior de um isolamento de travessia mede cerca de 15 cm para uma tenso de 15 kV ou 2 metros para 220 kV.
-1-----2
9
8 --fm"""""""=---+1f
3
5
4(FoI. TRAFO-UNION)
~L_1 2 3 4 S 6 7 8 Isolador de travessia de alta tenso (A. T.) Isolador de travessia de baixa tenso (B. T) Cuba com chapa ondulada Armao de aperto. Enrolamento de B. T com bandas de alumnio Bobinas parciais com fio de alumnio para enrolamento Ncleo com trs colunas Comutador de tomadas (sem tenso) 9 Tampa da cuba trifsico de distribuio: 20000/380/220
de A. T
Fig. 8 - Transformador
V, 630 kVA.
COMPARAO
ENTRE A U.T. E O B.T. MONOFSICOS
89
COMPARAO ENTRE A UNIDADE TRIFSICA E O BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFSICOS
1. - VANTAGENS
DO TRANSFORMADOR
TRIFSICO
Qcupa menos espao e mais leve que 3 monofsicos o que de grande importncia nos postos de transformao de baixa potncia. mais barato em cerca de 15%. Para esta diferena de preo contribuem em grande parte os preos dos isoladores de alta tenso que so elevados. O banco requer 6 isoladores enquanto o trifsico requer apenas 3. Tem um maior rendimento.
11.
Fig. 9 - Transformador
trifsico.
(FoI. ASEA)
2. - VANTAGENS
DO BANCO DE TRANSFORMADORES
MONOFSICOS
Transporta-se mais facilmente, dado que constitudo por unidades independentes. EE,ge uma reserva de potncia mais econmica Com efeito, quando um transformador avaria necessrio uma unidade de reserva com a potncia S/3, enquanto que por avaria da unidade trifsica se torna necessria uma reserva com potncia total S. O banco de transformadores. mesmo que tenha uma unidade a\lariada pode.. Q01inuar em funcionamento desde que as liga.eB...-dnS-.S!U'O.lar:nau!Q.s--Ro ~rio e no secundrio sejam em tringllla
90
TRANSFORMADOR
TRIFSICO
[TI
LIGAO DOS ENROLAMENTOS
Os 3 enrolamentos primrios e secundrios podem ser ligados de diferentes modos. Trs dos processos mais usados so: em estrela (com ou sem neutro), em tringulo, e em ziguezague.
aFig.10
Estrela
b
Tringulo
C Ziguezague
Na ligao' em ziguezague cada enrolamento dividido em, duas partes bobinadas sobre duas colunas diferentes, sendo a ligao elctrica entre as duas partes de forma que a corrente provoque fluxos de sentidos contrrios numa e noutra coluna, conforme sugerido na figo 11.
PRIMRIO
SECUNDRIO
Fig, 11 - Cada corrente
afecta duas fases,
Fig, 12 - Transformador estrela,
redutor
tringulo-
A associao num mesmo transformador das duas ligaes de enrolamentos (no primrio e no secundrio) constitui uma ligao. Por exemplo uma ligao tringulo-estrela, como a representada na 1[g. 12, quer dizer que os enrolamentos do primrio esto ligados em tringulo e os do secundrio ligados em estrela. Havendo 3 formas diferentes de ligar os enrolamentos no primrio e no secundrio, teoricamente existiriam 3 x 3 9 ligaes diferentes, Na prtica estas 9 reduzem-se apenas a 6 visto que o primrio raramente ligado em ziguezague por motivos que iremos ver.
=
CONVENES.
PLACA DE TERMINAIS
91
o
CONVENES.
PLACA DE TERMINAISde ou
Recordemos que se diz que tm igual polaridade 2 extremos de enrolamentos uma mesma coluna se simultaneamente possuem potenciais positivos negativos em relao aos outros dois.
A
B
A......,I----f aa'...... t---f
b-i--PFig.13
Conforme figo 13 na primeira coluna, 2 extremos com a mesma polaridade designam-se por A e a, sendo os opostos designados respectivamente por A' e a'. Analogamente para os restantes enrolamentos, com letras diferentes obviamente. Na figo 14 representamos vrias formas de designar os terminais do transformador, as quais dependem da origem deste (fabricante). U -V W 1U 1V 1W A B C U V W
000o o o ou v w n
000o o o o2U 2V 2W2N
000ab
000n
o o o oc
o o o ox y z n
Fig. 14 - Placas de terminais.
Quando se utilizam letras maisculas e minsculas, as primeiras referem-se
tenso mais elevada e as segundas tenso inferior.Convencionou-se tambm designar as ligaes por letras maisculas para a tenso mais elevada e minsculas para a tenso inferior, conforme representamos no seguinte quadro:
Tenso superior Estrela Tringulo Ziguezague Y D Z
Tenso inferior y d z
Quando o neutro disponvel acrescenta-se superior ou inferior respectivamente.
a letra N ou n letra da tenso
92
TRANSFORMADOR
TRIFSICO
Podendo a tenso superior estar no primrio como no secundrio, obviamente que a variedade de designaes simblicas ser grande. Por exemplo a ligao da figo 12, correspondente a um transformador redutor tringulo-estrela com neutro, representada por: Dyn. Um transformador elevador Dy tem o primrio ligado em estrela e o secundrio ligado em tringulo. Com efeito a primeira letra representa sempre a tenso superior (e maiscula) e a segunda letra a tenso inferior, corresponda ou no ao primrio ou ao secundrio. Um transformador redutor Yzn tem o primrio ligado em estrela e o secundrio ligado em ziguezague com o neutro acessvel.
o
APLICAES
DE CADA LIGAO
Cada uma das ligaes possveis tem a sua aplicao dependente da funao do transformador. f>rRUA Assim, a ligao em,! g! tem partida, em relao ligao em tringulo, a vantagem de ter neutro acessvel, podendo portanto ter-se acesso a 2 nveis de tenso. Esta vantagem aproveitada principalmente em baixa tenso. Tem ainda a vantagem de os seus enrolamentos necessitarem geralmente de um isolamento elctrico geralmente inferior ao dos enrolamentos em tringulo. Com efeito, enquanto numa ligao em estrela aplicada aos enrolamentos uma tenso simples, numa ligao em tringulo cada enrolamento est submetido tenso composta.OA,
-------
u.jFig.15
A ligao em tringulo utilizada, com vantagem sobre a ligao em estrela, quando as correntes que se prevm so elevadas, pois que deste modo a corrente no enrolamento (11) v'3 vezes inferior corrente na linha (IL), permitindo assim enrolamentos com espiras de menor seco e portanto de mais fcil construo. Alm disso, num banco de transformadores monofsicos ligados em tringulo, a avaria de um dos transformadores no impede a continuao da alimentao com um sistema trifsico de tenses, embora com potncia reduzida a cerca de 2/3 da potncia nominal. Nesta situao os transformadores ficam ligados em V (fig. 16). Quanto ligao em ziguezague utilizada quando se prevm no circuito de carga grandes desequilbrios. Com efeito este tipo de ligao, estando subdividido por colunas diferentes, tem a vantagem de uma sobrecarga numa fase do consumidor afectar sempre duas fases da rede de distribuio, minimizando assim o efeito do desequilbrio. Por este motivo esta ligao utilizada no secundrio de transformadores de distribuio onde a repartio de cargas por cada fase dificilmente equitativa, provocando assim desequilbrios.
GRUPOS DE LIGAES. NOTAO HORRIA
93
A------B--::
~--alI?-"':'---i--i---b
c-----~~aFig. 16 - a - Ligao em tringulo. b - Ligao em V.
........ --c
b
Da anlise dos factos apontados resultaro finalmente as opes por cada um dos tipos de ligaes. Assim, de uma forma geral, temos as seguintes aplicaes: Yd - ligao de alternadores linha de transporte. Yd ou Yy - entre linhas de transporte. Dyn e Yzn - na distribuio em baixa tenso.
[!]
GRUPOS DE LIGAES. NOTAO HORRIA
1. - INTRODUOQuando 2 transformadores trifsicos T1
e T2 se destinam a ser ligados em paralelo
necessrio conhecer os desfasamentos
entre as tenses primrias e secundrias em cada um deles. S assim se poder saber se as 3 tenses secundrias de T1 esto em fase com as respectivas de T2; se o no estiverem, ento no dever ser feito o paralelo pois que, nesse caso, podero circular correntes intensas entre os transformadores, danificando-os.
A-----------I~~---------B--~--~------~~~~---.----c----+---~---.------~--~-_4-__~--A,a, _rI1
B,b,I
c,c,L...--I-+-1 _4I
C2~?..-=,()b2 (f2 ',+-- _ _+_---IIJ
T2
Fig.17 Circulao de correntes entre os transformadores.
a
~l----4-~+t__-_-~--------~i-~---------~~--~ll----+_-Lf-----
b-----~-~--~---=-=+---+_--c---------- __~------_+---
94
TRANSFORMADOR
TRIFSICO
o desfasamento das tenses secundrias em relao s -primrias sempre um mltiplo de 30. Este desfasamento depende do sentido relativo dos enrolamentos e dos modos de ligao no primrio e no secundrio. Atente-se na figo 18. volta de uma das pernas do ncleo temos a bobina primria e a secundria de uma das fases, com os condutores enrolados no mesmo sentido, pelo que os terminais A e a tm a mesma polaridade, assim como os terminais A' e ai. Deste modo as tenses U1 e U2 esto em fase.Na representao esquemtica dos enrolamentos considerar-se- sempre que os enrolamentos primrio e secundrio tm o mesmo sentido. Alm disso os enrolamentos de uma coluna sero dispostos no mesmo enfiamento (fig. 19) para permitir identificar facilmente os terminais com a mesma polaridade.Fi g . 1 8 - Polaridade dos terminais em condutores enrolados no mesmo sentido.
2. - ATRIBUiO
DO NDICE HORRIO
Consideremos um transformador Yy e tracemos o diagrama vectorial das tenses simples primrias e secundrias correspondentes aos dois casos possveis.
'fN
CAs0B C N
T2~y1~ A
CAS~B
~IL
~
A
lUAAUa
Bb
C' c
L
~----~~--~
l~
C
IX.
n
yI I II
a
r--- aI
lu.a' b' A UA auaN
I L___ c'Fig.19
n
~.Ua
I I I
a'
C
B
C
GRUPOS DE LIGAES. NOTAO HORRIA
95
No primeiro caso, tendo A e a a mesma polaridade, as tenses primria UA e secundria Ua esto em fase como se representa no diagrama. No segundo caso o ponto neutro o ponto comum aos terminais a, b e c. Os terminais a', b', c' tm polaridade inversa em relao aos terminais A', B', C' respectivamente. Assim as tenses UA e Ua esto em oposio de fase. Faamos agora corresponder os vectores e (tenses simples) aos ponteiros de um relgio, respectivamente aos ponteiros dos minutos e das horas, colocando o dos minutos na posio 12 conforme se representa na figo 20.
o: u:
1~CASO12
2: CASO12
9
3
9
3
6Fig. 20 - Atribuio de ndices horrios.
6
Dizemos ento que o transformador representado no primeiro caso tem o ndice horrio O (ou 12) e representa-se por YyO (o zer mais utilizado que o doze). No segundo caso o transformador tem o ndice horrio 6 representando-se portanto por Yy6. Em resumo temos a seguinte sequncia de operaes para a determinao do ndice horrio de um transformador: 1 - Traa-se o diagrama vectorial das tenses simples do lado da tenso superior, tendo em ateno as polaridades dos terminais acessveis. 2 - Supondo o ponteiro grande (dos minutos) na hora 12 faz-se coincidir com ele o vector da tenso simples mais elevada. Sendo o transformador redutor trata-se da tenso primria, mas se for elevador a tenso secundria. 3 - Faz-se coincidir o ponteiro pequeno (das horas) com o vector da tenso simples mais baixa. 4 - A posio do ponteiro pequeno determina o ndice horrio. Note-se que a mesma ligao (Yy por exemplo) pode ter mais do que um ndice horrio correspondente ao facto de se trocarem as ligaes dos terminais ou tambm ao facto de os enrolamentos do primrio e do secundrio poderem ter o mesmo sentido ou sentidos contrrios (situao menos usual). Um transformador redutor Dy5 tem o primrio ligado em tringulo e o secundrio em estrela cujas tenses simples esto desfasadas de 5 x 30 = 1500 (atraso) em relao s daquele.
96
TRANSFORMADOR
TRIFSICO
Um transformador elevador Dy5 tem o pnmano ligado em estrela e o secundrio ligado em tringulo. As tenses simples do primrio esto desfasadas de 1500 (atraso) em relao s do secundrio. Vejamos mais um exemplo para concretizar melhor o que foi dito. Consideremos um transformador Dy, representado na figo 21.
A
B
cA
An a b c
9
3
1" UaI I I I
c 6
ju,a' b' c'Fig. 21 - Transformador Dy11.
L
I Dy111Comeou por traarem-se os vectores das tenses compostas
U UAB,
do primrio. Seguidamente
marcaram-se os vectores das tenses simples
Uc do
secundrio, tendo em ateno que, por exemplo, Ua est em fase com UAB dado que se referem a enrolamentos da mesma coluna e a terminais da mesma polaridade. Como o ndice horrio definido com base no ngulo entre as tenses simples dos 2 enrolamentos e como a ligao em tringulo no tem neutro, teremos de considerar um ponto neutro artificial N' e portanto uma tenso simples fictcia para o primrio representada a tracejado no diagrama pelo vector Verifica-se que est em avano de 300 em relao a ou seja, em termos de rotao horria a ligao tem o ndice 11, pelo que o transformador se designa por Dy11. Os transformadores com o mesmo ndice horrio dizem-se pertencentes ao mesmo grupo de ligaes, pois so compatveis entre si, quanto ao desfasamento, para efeitos de ligao em paralelo. No quadro seguinte representamos os principais grupos de ligaes utilizados na prtica, bem como a relao de transformao respectiva entre tenses compostas no primrio e no secundrio (relao de transformao global), assunto que iremos analisar. A Norma Portuguesa NP-443 indica, para os transformadores trifsicos de distribuio, as ligaes Yz5 quando s, - 100 kVA.
lt,ue
BC
e UCA
UA.
u,
UA'
GRUPOS DE LIGAES. NOTAO HORRIA
97
QUADRO DOS GRUPOS DE LIGAES MAIS USUAIS'NDICE DE DESFA~ MENTO OU HORRIO SMBOLO DA LIGAO TENSO MAIS ELEVADA TENSO MENOS ESQUEMA DE LIGAES DIAGRAMA VECTORIAL
~\lRELACO GLOBAL DE TRANS FORMAO (T. REDUTOR)
A
DdOcB A
c.a a
ELEVADA
O(0)
VyOC~B A
.'.a
~
B b C e
@JN1 N2 2N1 3N2
EEEB O C e
DzO
cB
Dy55(150)
Vd5 Vz5
'
?R; 17~~(oSrevtJ9P ,Oas
~
Ue
)t)
7 - Todas as frmulas estudadas em 'sistemas trifsicos' que relacionam correntes entre si, bem como as tenses entre si, a saber:
Ligao em estrela
Ligao em tringulo
8 - Todas as frmulas estudadas em 'sistemas potncias activas, reactivas e aparentes:
tritsicos'
para
o clculo de
mais a seguinte expresso que nos d a potncia nominal do transformador trifsico:
104
TRANSFORMADOR
TRIFSICO
9 - O rendimento do transformador trifsico continua a ser definido pela relao entre a potncia total (trifsica) no secundrio e a potncia total (trifsica) no primrio:
Nas expresses apresentadas nos pontos 6.0, 7.0, 8.0 e indicadas so as compostas e as correntes so as da linha.
9.0
as tenses
2.
0 -
PROBLEMAS
I - Com soluo:1 - Um transformador trifsico Dy com neutro no secundrio tem uma relao de transformao N,IN2 = 27,3. A tenso composta no primrio igual a 6000 V. Determine: a) As tenses disponveis no secundrio. b) A intensidade da corrente nos enrolamentos do primrio sabendo que a corrente que percorre os enrolamentos do secundrio 112= 100 A. c) A intensidade da corrente na linha que alimenta o primrio nas condies da alnea anterior.
Soluo:a) Como o primrio est ligado em tringulo, ento a tenso aplicada a cada um dos seus enrolamentos igual tenso composta, portanto Uf1 = 6000 V. Visto que a relao entre espiras r, = N,IN2 = 27,3, ento a relao entre tenses aplicadas aos enrolamentos ter tambm o mesmo valor, isto
: ~:6 000 Uf2
= 27,3,
pelo que sendo Uf1 = 6000 V, vem:
=
27 3 '
=>
U = 12
6 000 27,3
=
220 V
Dado que o secundrio est ligado em estrela, ento a tenso calculada anteriormente, Uf2, a tenso simples, pelo que a tenso composta no secundrio ser: UC2=
V3 Uf2 = V3 . 220 = 380 Vduas tenses disponveis: 220
Portanto temos no secundrio
e 380 V.
/
FORMULRIO
PARA O TRANSFORMADOR
TRIFSICO
105
b) Como a corrente que percorre os enrolamentos do secundrio de 100 A, ento no temos mais que aplicar a relao de transformao entre espiras, rt = 27,3, vindo assim: rt = 27,3
=
-
1f2
If1
= -
100If1
=?
If1 =
--
100 = 37 A 27,3'
c) Vem finalmente
para a corrente na linha do primrio:1L1 =
v
3,7
= 6,4 A
2 - Um transformador trifsico foi submetido a 2 ensaios (em vazio e em curto-circuito) no decurso dos quais se mediu a potncia pelo mtodo dos 2 wattmetros: Ensaio em vazio: P~ = 500 W, PB = -200 W Ensaio em curto-circuito: PA = 400 W, PB = 200 W a) Calcule as perdas no ferro e o factor de potncia em vazio. b) Calcule as perdas no cobre e o factor de potncia em curto-circuito.
Soluo:a) As perdas no ferro so calculadas pela soma algbrica dos valores indicados pelos 2 wattmetros. Uma das potncias negativa, o que correspondeu a uma troca das polaridades da bobina amperimtrica do wattmetro correspondente, para que o ponteiro se desloque para dentro da escala. Vem assim:
P, = Pferro PA =
+
PB
= 500 + (-200) = 300 Wa
Ouanto ao factor de potncia em vazio, vamos primeiro calcular potncia reactiva: 00 e portanto: tg 'Po
= v'3. (PA0_
-
PB)
= va [500 -(-200)]_t...
= 1200 VArj,i
= P - 300 - 4 ==>0
1200 _
cos 'Po - 0,24
o
b) As perdas no cobre so calculadas pela soma algbrica das potncias lidas pelos 2 wattmetros no ensaio em curto-circuito: P1CC Pcobre PA = =
+
PB
= 400 + 200 = 600 Wcalculemos primeiro a
Ouanto ao factor de potncia em curto-circuito, potncia reactiva: OCC =
v'3.
(PA
-
PB)
= v'3. (400 - 200) = 346,4 VArOCC
e portanto:
tg 'Pcc
= P
1CC
=
346,4 --wo = 0,58
=?
cos 'PCC
= 0,87
106 TRANSFORMADORTRIFSICO3 - Um transformador trifsico tem as seguintes caractersticas:
15000/400 V;
s, =
50 kVA;
Po = 320 W;
P
1CC
=680 W
Considerando que a carga tem um cos