Artigo Modelo

TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO
NOVEMBRO/2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA
GERADOR 120 HZ BASEADO EM MÁQUINA DE INDUÇÃO ROTOR BOBINADO, PARA
APLICAÇÃO EM ENSAIOS DE TENSÃO INDUZIDA DE TRANSFORMADORES.
Lucas Roman
Orientador: Prof. Dr. Angelo José Junqueira Rezek
Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)
velocidade do campo girante produzido pelo estator e a
do rotor é chamado de escorregamento e é representado
pela letra “s”. O movimento relativo entre o fluxo do estator e os condutores do rotor induz tensões de frequência
(f Rotor) dada pela formula (1):
Resumo - Este Trabalho Final de Graduação trata de
ensaio de tensão induzida em transformadores. Este
ensaio utiliza um gerador especial de no mínimo 120
Hz. Máquinas síncronas, para esta finalidade, são de
fabricação especial e, portanto, de custo muito elevado. Pode-se utilizar como opção e que foi proposto
neste trabalho um conversor rotativo do tipo motor de
indução rotor bobinado, com o rotor sendo girado em
velocidade oposta ao do campo girante do estator.
Este sistema é de custo muito inferior, comparativamente à utilização da máquina síncrona, se constituindo, portanto, numa contribuição muito positiva
que se pretende conseguir com o emprego deste sistema conversor, a ser avaliado para a finalidade proposta, de se conseguir tensões com frequência de 120
[Hz], para ensaio em transformador.
f Rotor = s × f Estator [Hz] (1)
Tem-se que uma máquina é de corrente contínua quando
em todos os seus terminais as grandezas que a caracterizam (tensões e correntes) são unidirecionais. A máquina
de corrente continua (MCC) é constituída por enrolamentos na armadura, localizada no rotor e o enrolamento de
campo no qual está o estator que é excitado por corrente
contínua. Tanto a MCC quanto o MIT podem operar
como geradores e motores.
Transformadores são máquinas elétricas, destinadas a
transmissão de tensão por meio de indução eletromagnética. Realizam o controle do valor da tensão aumentando,
diminuindo ou mantendo-as constante, sem nenhuma
alteração na frequência e potência original. São constituídas basicamente de: duas bobinas, interligadas por um
material ferro magnético, na qual possuem um núcleo
com alta permeabilidade magnética.
Utilizando-se os princípios da indução magnética é possível realizar a indução de tensão entre bobinas, sem que
haja contato direto entre as mesmas, por intermédio do
núcleo, alterando, assim, os valores da tensão. Formalmente, essas máquinas elétricas são constituídas de um
enrolamento primário, um enrolamento secundário e o
núcleo ferromagnético. E podem ser classificadas de
acordo com: a aplicação a qual se destinam o tipo de núcleo, ou em relação ao número de fases. [1]
A fim de verificar se os transformadores apresentam um
correto funcionamento são realizados ensaios de tipo e de
rotina. Os ensaios de rotina são ensaios realizados em
todas as unidades de produção, ao contrário dos ensaios
de tipo que são realizados em um transformador que representa os outros transformadores, com objetivo de demonstrar que atendem as condições especificadas não
cobertas pelos ensaios de rotina.
Palavras-Chave: Ensaio de tensão induzida, Motor de
indução trifásico, frequência de 120 [Hz].
I – INTRODUÇÃO
O ensaio de tensão induzida é amplamente usado para
averiguar o isolamento entre as espiras dos enrolamentos
dos transformadores, neste trabalho tenta-se reproduzir
este teste por meio da associação de um motor de indução
trifásico (MIT) rotor bobinado com uma máquina de corrente contínua (MCC).
O Motor de indução trifásico é um tipo de máquina CA
constituída por um enrolamento do estator e um rotor,
sendo o último do tipo gaiola de esquilo ou do tipo bobinado. O rotor do tipo gaiola de esquilo consiste em barras
condutoras encaixadas em ranhuras no ferro do rotor e
curto-circuitadas em cada lado por anéis condutores. O
rotor do tipo bobinado é construído por um enrolamento
polifásico semelhante ao estator tendo o mesmo número
de polos, escovas de carvão permitem o acesso aos terminais do rotor. As correntes alternadas são aplicadas diretamente aos enrolamentos do estator e por meio de indução são produzidas correntes no rotor. A diferença de
1
Os ensaios de rotina são:
- medição da resistência dos enrolamentos
- medição da relação de transformação e polaridade e
verificação do deslocamento angular e sequência de fases
- medição da impedância de curto-circuito e das perdas
em carga
- medição das perdas em vazio e corrente de excitação
- ensaios dielétricos de rotina
- ensaios de comutador de derivações em carga
- medição da resistência de isolamento
- estanqueidade a resistência à pressão
- verificação do funcionamento dos acessórios
- ensaios de óleo isolante para transformadores de tensão
nominal > 72,5 kV
- verificação da espessura e aderência da pintura da parte
externa do transformador
Os ensaios de tipo são os seguintes:
- ensaio de elevação de temperatura
- ensaios dielétricos de tipo
- ensaios de óleo isolante para transformadores de tensão
nominal < 72,5 kV [2]
temperatura dos enrolamentos podendo causar danos no
próprio isolamento.
Como a tensão induzida é descrita de maneira simplificada pela seguinte formula (2):
V = k × B × f. [V] (2)
Observamos que devido essa limitação temos um problema, pois ao aplicar o dobro da tensão nominal no lado
de baixa mantendo a frequência da rede 60 Hz constante
ocorreria o aparecimento de uma corrente de excitação
com valor maior que o permitido. A figura 2 mostra a
obtenção do dobro da tensão nominal pelo o aumento da
indução magnética.
II – REFERENCIAL TEÓRICO
A classificação quanto ao tipo de ensaio é dada pela tabela 1 da norma ABNT NBR 5356-3:2007 página 6 localizada no anexo. [3]
Sendo classificado como ensaio de rotina, pois os transformadores possuem tensões nominais menores que 72,5
[KV].
Para a realização do ensaio utiliza-se o transformador á
vazio, aplicando-se entre os terminais, pelo lado da baixa,
uma tensão igual ao dobro da nominal durante um tempo
correspondente a 7200 ciclos.
No lado de alta tensão, haverá o dobro da nominal e com
isso o gradiente de potencial entre as espiras também
duplicaria, de tal modo que, se houver um defeito em sua
isolação, o mesmo se revelaria dentro do tempo implicitamente fixado em termos do número de ciclos citado.
A figura 1 ilustra o gradiente de potencial que aparece
nas espiras.
Figura 2 –Transformadores: teoria e ensaios, Edgar
Bluncher, 1984.
Para a solução deste problema então é feito um ajuste de
frequência. Em muitos casos, o aumento chega ao dobro
da frequência nominal e, nesses casos, a indução continua
igual àquela de funcionamento nominal assim como a
corrente a vazio.
Conhecida a frequência, para o cálculo da duração do
ensaio em segundos, da formula (3) obtemos:
T = 7200 / f [segundos] (3)
Que, no caso de f = 120 Hz, vem ser igual a 1 minuto.
Em relação ao esquema, é o mesmo utilizado no ensaio a
vazio, e o problema da detecção dos defeitos seria efetuado mais segundo a prática do encarregado do teste, sendo
que as características para um defeito grosseiro seria alteração da relação de transformação, os menores, por fumaça ou mesmo bolhas na superfície do óleo. Em ambos
os casos ocorre o aparecimento de um alto valor de corrente em relação à de excitação devido a um curto entre
os enrolamentos. [4]
Para o ensaio em transformadores com tensão nominal
menor que 75 kV é de suma importância ressaltar que
durante o ensaio não é necessário executar medições de
descargas parciais.
Transformadores os quais já estiveram em operação e
foram recondicionados ou sofreram algum tipo de serviço
de manutenção, o ensaio de tensão induzida deve ser efetuado com 1,8 pu ao invés do dobro da tensão nominal.
[5]
Será utilizado um gerador de indução, com o campo girante do estator contrário ao movimento do rotor. Sendo
assim, uma tensão de 120 Hz gerada no rotor em anéis do
Figura 1 - Transformadores: teoria e ensaios, Edgar
Bluncher, 1984.
Um importante ponto a ser observado a respeito do ensaio é que a corrente de excitação não pode exceder 30%
do valor da corrente nominal do enrolamento ao qual se
aplica a fonte pois, um alto valor de corrente aumentaria a
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motor de indução rotor bobinado, disponível em laboratório, será obtida para a realização do teste proposto. Este
motor (MIT bobinado) será acionado por intermédio de
uma máquina de corrente contínua, para obtenção da velocidade necessária.
Com os equipamentos necessários, verificou-se o funcionamento do Motor de indução trifásico (MIT) e da Máquina de Corrente Continua (MCC) a última que atuaria
como motor. Ambos os equipamentos não apresentaram o
funcionamento adequado, entretanto a Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) possuía outro MIT e MCC
acoplados entre si com as mesmas informações necessárias para a obtenção dos resultados esperados. Ocorreu
então a verificação do outro equipamento e ambos estavam de acordo para que a pesquisa fosse iniciada.
Dividiu-se o esquema de ligação em duas partes o primeiro esquema para MCC e o segundo para o MIT. O primeiro esquema de ligação utilizado nos testes consiste
basicamente de uma ponte de diodos e uma ponte tiristorizada alimentada por uma rede trifásica, essa ponte tiristorizada é primeiramente ligada a um fusível em série
com um indutor e um reostato demarrador, sendo que este
reostato tem como função de proteção mecânica caso haja
algum disparo do motor de corrente contínua, sendo esses
Componentes colocados no circuito da armadura do
MCC. Quanto ao campo do MCC se utilizou uma ponte
de diodos para retificação em série com uma bobina de
retenção, o reostato de campo e o miliamperímetro. Este
esquema de ligação é mostrado na figura 3
III – METODOLOGIA
Primeiramente foi realizada a pesquisa bibliográfica com
consultas em normas e livros para a execução do ensaio
de tensão induzida. Após a pesquisa ocorreu à montagem
da bancada didática que incluiu toda instrumentação necessária para a Máquina de Corrente Continua (MCC), os
equipamentos utilizados foram:
- Ponte tiristorizada
- Circuito de disparo dos tiristores
- Pontes de diodos
- Fusíveis
- Reostato e Reostato Demarrador
- Amperímetros
- Osciloscópio
- Multímetro
- Frequencímetro
Figura 3 – Circuito de acionamento do motor de corrente continua.
O segundo esquema de ligação consiste da alimentação
do estator do MIT que foi feita diretamente da rede, sendo assim o campo girante gerado pela alimentação foi
referenciado em um sentido de rotação com a MCC desligada. O MCC foi então ligado de tal forma que o eixo
comum do MCC e do MIT girasse no sentido oposto ao
campo girante referenciado, com isso instalou-se um osciloscópio ao rotor do MIT averiguando a frequência ob-
tida. A onda constatada apresentava uma frequência de
120 Hz conforme o previsto, entretanto a sua amplitude
e seu valor RMS não eram suficientes para ensaios em
alguns transformadores monofásicos e trifásicos, com
isso então ocorreu à implantação de um varivolt.
Após a implantação do varivolt efetuou-se a comparação
da distorção harmônica da onda obtida e da onda CEMIG
(rede utilizada), tornando possível a realização do ensaio.
3
IV. RESULTADOS E DISCUSSÕES
resultado totalmente errôneo do previsto, visto que a onda
em estudo era de 120 Hz.
A alternativa utilizada foi à utilização da Fast Fourier
Transform (FFT) por meio do Osciloscópio Minipa MO2060. A figura 4 a seguir, mostra o espectro harmônico,
nota-se apenas a componente fundamental.
A primeira tentativa de medicação da distorção harmônica não foi satisfatória, pois se utilizou o equipamento
FLUKE 435 POWER QUALITY ANALYZER, entretanto esse equipamento fazia apenas medições de harmônicos com frequência de 50 Hz e 60 Hz fornecendo um
Figura 4 – Espectro harmônico do rotor do MIT e da rede CEMIG respectivamente, obtido por meio da FFT
disponível no osciloscópio MINIPA MO-2060.
Após a análise da distorção harmônica efetuou-se o ensaio em um transformador de força monofásico com sua
potência nominal de 15 kVA. O transformador foi conectado a saída do varivolt e seu chaveamento de tensão
constituiu-se por meio de um disjuntor, possibilitando o
ajuste da onda antes que ela fosse aplicada em seus terminais de baixa.
A imagem que mostra o esquema prático de ligação da
obtenção da onda com frequência de 120 Hz é mostrada
na figura 5.
Figura 5 – Esquema prático de ligação.
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A figura 6 mostra o Frequencímetro e a forma de onda na
saída do rotor do MIT.
A tabela 2 mostra os dados de placa do transformador
ensaiado.
Figura 6 – Frequencímetro e onda senoidal indicando a frequência de 120 [Hz] obtida pelo o esquema de ligação
proposto.
Marca do transformador
Frequência nominal
Data de fabricação
Tensão dos enrolamentos primários
Tensão dos enrolamentos secundários
Potência
Impedância a 75oC
Volume de óleo
Peso total
Norma
Número de série
Nativa
60 [Hz]
06/1971
7967 [V]
240/120 [V]
15 [kVA]
4,03 [%]
42 [l]
147 [Kgf]
ABNT 1967
6094
Tabela 2 – Dados de placa do transformador ensaiado
Com a geração correta da forma de onda esperada, ocorreu uma convenção que a tensão aplicada para o ensaio
seria de 1,5 pu devido sua idade e utilização em outros
ensaios no Laboratório de Alta Tensão (LAT). Na primeira tentativa, ao ligar-se o transformador no varivolt e
ajustar a onda com seus parâmetros necessários, verificou-se que ao ligar o disjuntor a tensão no transformador
ia a zero. Após alguns testes notou-se que era possível a
chegar o valor de 180 V (1,5 pu de 120 V) mesmo com a
queda de tensão presente, sendo assim durante um minuto
foi aplicado a tensão, realizando o ensaio desejado.
Na tentativa de mitigar a queda de tensão retirou-se as
formas de onda que se direcionavam para o transformador, entretanto tal investigação não teve um resultado
satisfatório. A Figura 7 mostra as formas de ondas obtidas.
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Figura 7 – Forma de onda na saída do varivolt sem e com o transformador como carga respectivamente
V. CONCLUSÃO
Rio de Janeiro: ABNT, 1982. 0177 p. Esta Coletânea
contém as seguintes Normas – NBR 5356, NBR 5416,
NBR 7036-7037.
Mesmo com determinados problemas ocorreu a realização do ensaio, entretanto ao tentar-se mitigar o problema
da queda de tensão notou-se que a forma de onda que ia
para o transformador de ensaio apresentava distorções, as
mesmas causadas devido a saturação do varivolt, tornando-a inaplicável para a realização de ensaios. Existe a
possibilidade que esta queda de tensão seja causada devido a reatância do varivolt, uma vez que ao dobrar-se a
frequência a reatância também dobra. Uma maneira alternativa que pode ser utilizada como motivação para próximos trabalhos é a alimentação do rotor diretamente da
rede e a saída da onda de 120 Hz pelo estator, neste caso
não seria necessário a utilização do varivolt pois é possível obter tensões maiores que 220 V dependendo do esquema de ligação do MIT.
BIOGRAFIA:
Lucas Roman
Nasceu em São José dos Campos (SP) em 1992. Ingressou
no curso de Engenharia Elétrica com ênfase em potência na
UNIFEI no ano de 2011, universidade a qual teve a oportunidade de realizar pesquisa
científica remunerada pelo
CNPq e se tornar monitor de dúvidas da disciplina eletrotécnica.
REFERÊNCIAS
[1]
UMANS, Stephen D.
Máquinas elétricas de Fitzgeral e Kingsley / Stephen D.
Umans; tradução: Anatólio Laschuk.- 7 ed. Porto Alegre:
McGraw-Hill, 2014. 708 p.
VI. ANEXOS
[2]
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABNT; NBR – 5356-1.
[3]
Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT;
NBR – 5356-3.
[4]
OLIVEIRA, José Carlos; COGO, João Roberto;
ABREU, José Policarpo G. de. Transformadores: teoria e
ensaios. São Paulo: Edgar Blücher, 1984. 174p.
[5]
Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT.
Coletânea de Normas de Transformadores de Potência.
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ANEXOS
Tabela 1 – Classificação quanto aos ensaios dielétrico
Ensaios
Tensão máxima
do equipamento
Um [kV]
Impulso atmosférico
(Seção 13 e 14)
Impulso de
manobra
(IM) (Seção
15)
Tensão induzida de
longa duração (CALD)
(12.4)
Tensão induzida de
curta duração
(CACD)
(Seção 12)
Tensão suportável à frequência industrial (Seção
11)
Onda
plena
(IA)
Onda cortada (IAC)
Um≤72,5
Tipo
Tipo
Não aplicável
Não aplicável
Rotina
Rotina
72,5<Um≤170
Tipo
Tipo
Não aplicável
Especial
Rotina
Rotina
170<Um<300
Tipo
Tipo
Rotina (ver
nota)
Rotina
Especial
(ver nota)
Rotina
Um≥300
Rotina
Rotina
Rotina (ver
nota)
Rotina
Especial
(ver nota)
Rotina
NOTA: Se o ensaio de tensão induzida de curta duração for especificado, o ensaio de impulso de manobra
não é necessário. Isto deve estar claramente definido nas especificações.
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