texto sobre transf Trifásicos - estgv

INSTITUTO POLITÉCNICO DE VISEU
ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA
LME - Laboratório de Máquinas Eléctricas
Transformador Trifásico [de isolamento]
Ligações do transformador trifásico de isolamento
1.
Objectivos
* Conhecer as possibilidades para a transformação de tensão trifásica;
* Enumerar as vantagens e desvantagens dos métodos individuais e aplicações;
* Aprender como é que os tipos de transformadores trifásicos foram desenvolvidos;
* Enumerar as vantagens e desvantagens dos tipos de transformadores trifásicos;
* Ser capaz de explicar a disposição e o significado dos grupos de ligações;
* Ser capaz de calcular o desfasamento entre a tensão de entrada e de saída do
transformador, utilizando o índice horário;
* Ser capaz de enumerar as vantagens e desvantagens do circuito Yy e as suas
possíveis aplicações;
2.
Equipamento
1 fonte de alimentação trifásica;
1 transformador de isolamento trifásico;
4 aparelhos de medida;
3.
Informação
3.1. - Generalidades
Por várias razões, das quais não se irão falar aqui, o sistema trifásico encontrou
aceitação para a geração e distribuição de energia eléctrica.
Este sistema é frequentemente descrito como o sistema rotacional de corrente, porque
as três correntes estão desfasadas de 120º, gerando um campo magnético rotativo nos
enrolamentos de um motor trifásico.
Os vários níveis de tensão do fornecimento de energia trifásica de uma rede, devem
ser acoplados uns aos outros - ver fig. 1.
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Fig. 1 - Unidade de fornecimento com redes de tensão trifásica.
A transformação da
transformadores monofásicos idênticos. Os enrolamentos de entrada e saída
dos três transformadores
individuais
devem
ser
conectados uns aos outros
em estrela ou em triângulo.
Estes transformadores interligados são então chamados
um Grupo de transformadores ou um Banco de
transformadores - ver
fig. 2.
tensão trifásica pode basicamente ser conseguida com três
1L1
1L2
1L3
1U1
20KV 3~ 50Hz
1U2 1V1
1V2 1W1
1W2
Enrolamento
de maior tensão
2U2
2L1
2L2
2L3
2N
2U1
2V2
2V1
2W2
2W1
Enrolamento
de menor tensão
400/230V 3/N ~ 50Hz
Fig. 2 - Banco de transformadores
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A corrente trifásica pode também ser transformada usando dois transformadores
monofásicos numa configuração de circuito especial, o circuito em V - ver fig. 3.
20KV 3~ 50Hz
1L1
1L2
1L3
1U
1W
1V
Enrolamento
de maior tensão
2U
2W
2V
Enrolamento
de menor tensão
2L1
2L2
2L3
230V 3 ~ 50Hz
Fig. 3 - Transformação de tensão trifásica, usando dois transformadores monofásicos,
na montagem em V.
Mas, com este circuito não é possível a ligação do condutor de neutro. Em adição a
isto, os enrolamentos de primário dos dois transformadores colocam uma carga desequilibrada
na rede - a corrente do condutor
central é maior que a dos outros
dois condutores. Sendo assim, a
aplicação da montagem em V,
para a transformação da tensão
trifásica
é
completamente
restrita à área da transformação
de tensão. Para a transformação
da tensão trifásica é mais
prático o uso do transformador
trifásico,
em
vez
de
transformadores individuais. É
20KV 3~50Hz
1L1
1L2
1L3
Enrolamento de
maior tensão ∆
Enrolamento de
menor tensão Y
1V1
1W1
2U2
1U2
2V2
1V2
2W2
N
2U2
2V1
1U1
1W2
2W1
2L1
2L2
2L3
2N
400/230V 3/N~50Hz
menos caro que o banco de
Fig. 4 - Transformador trifásico não couraçado;
transformadores, e hoje pode Enrolamento de maior tensão em triângulo; Enrolamento
ser fabricado para grandes de menor tensão em estrela
potências, da ordem dos
1000 MVA a 1200 MVA, para transporte e comboios - ver fig. 4.
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Ao passar de três transformadores monofásicos para um transformador trifásico, os
circuitos magnéticos dos três transformadores individuais devem ser dispostos com cuidado.
No caso de transformadores couraçados, uma culatra ou uma das colunas centrais de
dois transformadores são usadas em comum - ver fig. 5. Ambos os métodos providenciam
duas culatras para o caminho magnético em adição às colunas ou núcleo. Em transformadores
trifásicos de grande potência, que são submetidos a uma carga desequilibrada, o caminho
magnético de retorno é definitivamente necessário para os fluxos magnéticos que ocorrem, de
forma a manter o desequilíbrio da rede trifásica.
Transformadores trifásicos de distribuição de grande potência, também são designados
por cinco colunas não couraçado ou transformador trifásico couraçado.
1
|
2
1
||
2
1
|||
2
1 | 2
1 || 2
1 ||| 2
a) Núcleo cinco colunas
b) Transformador trifásico couraçado
I, II, III ... divisão de núcleos
1 ... entrada, 2 ... saída
Fig. 5 - Circuitos magnéticos do núcleo de ferro de transformadores trifásicos
Se três transformadores monofásicos individuais, não couraçados, estão combinados
num transformador trifásico, então as três colunas são usadas em comum. Isto é o chamado
transformador em templo com coluna central.
Inspirado nas muito favoráveis propriedades magnéticas, este tipo não é mais
fabricado, por causa do seu desenho complexo e caro. Se a coluna central do transformador
tipo templo for retirada e se as restantes colunas forem arranjadas num plano, então teremos o
mais comum e usado transformador de três colunas - ver fig. 6.
a)
b)
c)
a)Transformador tipo templo com coluna central; b)Transformador tipo templo sem
coluna central;
c)Transformador não couraçado de três colunas.
Fig. 6 - Circuitos magnéticos de transformadores trifásicos
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Claro que, um forte campo magnético desequilibrado é produzido, devido à construção
simplificada.
A figura 7 mostra o fluxo magnético do sistema trifásico. Usando três valores
instantâneos do fluxo magnético é fácil reconhecer que a linha de campo magnético central
- valor instantâneo 2 - é menor que as outras duas.
O enrolamento central precisa de menor permeabilidade para gerar o campo
magnético. A corrente de magnetização é aproximadamente 10% a 30% mais baixa que a dos
outros enrolamentos.
a) Fluxo magnético
b) Distribuição de fluxo em três pontos diferentes
Fig. 7 - Sistema trifásico com núcleo de três colunas
O caminho magnético de retorno está ausente no núcleo de três colunas; está presente
no tipo templo com coluna central.
Portanto, a condição seguinte:
φ1+φ2+φ3=0
deve ser cumprida em todos os estados de operação. É o caso da carga equilibrada.
No caso de cargas desequilibradas, campos magnéticos adicionais de dispersão entre
as culatras seriam produzidos, que se fechariam de culatra para culatra pelo ar ou pelo
alojamento do transformador.
Perdas adicionais e quedas de tensão iriam ocorrer no transformador. As
consequências seriam de tensões assimétricas nas redes trifásicas.
De forma a garantir uma operação mais "macia" do transformador trifásico não
couraçado, existe uma série de condições a serem observadas. Estas condições estão
discutidas nas próximas secções.
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3.2. - Grupos de ligações (vectores)
Os enrolamentos de alta e baixa tensão do transformador trifásico podem ser ligados
através das seguintes ligações básicas:
Abreviatura
Circuito
Enrolamento de
Enrolamento de
maior tensão
menor tensão
Ligação em Estrela
Y
y
Ligação em Triângulo
ou também
D
∆
d
d
Circuito aberto
I
i
Ligação em Zig-zag
Z
z
Isto significa que há um total de doze combinações diferentes para a ligação dos
enrolamentos de alta e baixa tensão - ver fig. 8.
As quatro mais importantes são descritas graficamente na fig. 8.
Desfasamentos podem ocorrer entre as tensões do lado de maior tensão e as do lado de
menor tensão.
Se ambos os lados estão ligados na mesma configuração, resultarão desfasamentos de
150º ou 330º.
O desfasamento é designado com um índice horário (número de fase) depois das
abreviaturas do circuito; este índice é tirado da divisão horária do relógio. Uma divisão
corresponde a um ângulo de 30º. Multiplicando o índice horário por 30º, obtem-se o
desfasamento entre o lado de maior e o lado de menor tensão - ver fig. 9. Se, no caso da
configuração em estrela, o ponto neutro for utilizado, então este é designado adicionando
N ou n à abreviação do circuito.
As letras e número na designação do grupo de vectores descreve as ligações e
desfasamento.
Exemplo:
Grupo vectorial ⇒ Dy n 5
D = Enrolamento de maior tensão ligado em triângulo;
y = Enrolamento de menor tensão ligado em estrela;
n = Ligação do ponto neutro disponível no enrolamento de menor tensão;
5 = Índice horário; desfasamento entre os lados de maior e menor tensão:
ângulo de desfasamento
ϕ = 5.30º
ϕ = 150º
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Índice
de
desfasa
-mento
ou
horário
Simbolo
da
ligação
Diagrama vectorial
Tensão mais
elevada
Esquema de ligações
Tensão menos
elevada
Tensão mais
elevada
Tensão menos
elevada
transformação
V
1U 1V 1W
2U 2V 2W
N1
N2
1U 1V 1W
2U 2V 2W
N1
N2
1U 1V 1W
2U 2V 2W
V
Dd 0
W
U
U
W
V
0
V
Yy 0
(0º)
U
W
W
U
V
V
2 N1
3N2
Dz 0
U
W
W
U
U
V
Dy 5
1U 1V 1W
N1
3. N 2
W
U
W
5
(150º)
2U 2V 2W
V
V
Yd 5
U
1U 1V 1W
V
U
1U 1V 1W
W
U
W
V
Yz 5
2U 2V 2W
W
V
V
W
2U 2V 2W
U
1U 1V 1W
U
1U 1V 1W
Dd 6
U
W
V
V
W
6
N1
N2
2U 2V 2W
N1
N2
Yy 6
(180º)
U
W
V
Dz 6
U
V
U
W
W
3. N 1
N2
2. N1
3. N 2
W
U
Relação
global
de
2U 2V 2W
1U 1V 1W
2 N1
3N2
V
2U 2V 2W
V
V
Dy 11
1U 1V 1W
2U 2V 2W
1U 1V 1W
2U 2V 2W
1U 1V 1W
2U 2V 2W
W
U
W
V
U
11
V
Yd 11
(330º)
(-30º)
W
U
W
V
U
V
Yz 11
U
W
W
N1
3. N 2
3. N 1
N2
2. N1
3. N 2
U
Fig. 8 - Ligações do transformador
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3.3. - Selecção do grupo de
vectores
O grupo vectorial de um
transformador é determinado de acordo
com a amplitude de tensões e de acordo
com a amplitude e tipo de carga.
Este critério de selecção será
dividido com detalhe durante os ensaios
com o respectivo grupo de vectores.
3.4. - Nota
O transformador trifásico consiste
no
princípio
de
três
transformadores monofásicos, cujos
Fig. 9 - Determinando o índice horário do grupo
enrolamentos são ligados em estrela,
vectorial
triângulo ou zig-zag.
Lado de maior tensão 1U, 1V, 1W em ligação ∆
Portanto, nos seguintes ensaios
Lado de menor tensão 2U, 2V, 2W em ligação Y
dispensaremos as medições que já foram
Desfasamento entre as tensões do lado de maior
realizadas nos transformadores monotensão e o lado de menor tensão é 330º.
fásicos, e que não contribuem com
Grupo vectorial Dy 11.
significante conhecimento nesse caso.
As medições são por exemplo:
- Medição da transformação de corrente;
- Medição da resposta em carga, e de vários tipos de carga (óhmica, indutiva e
capacitiva);
- Medições com respeito a curto-circuito (tensão de curto-circuito).
3.5. - Grupos de vectores Yy 0 ou Yy 6
No caso da ligação em estrela dos três enrolamentos do transformador, uma fase não
recebe a tensão do condutor exterior total, mas apenas 1 / 3 desse valor:
U
U Fase = 1
3
= 0, 58.U 1
No caso de transformadores de alta tensão o isolamento entre os enrolamentos e o
núcleo de ferro, em montagem Y, apenas tem de ser dimensionado para a tensão de fase.
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Para o mesmo isolamento um enrolamento trifásico ligado em estrela pode ser
submetido a uma tensão que é maior por um factor de 3, que um ligado em triângulo.
Transformadores em redes de alta tensão e muito alta tensão, 110 KV, 220 KV,
380 KV têm sempre uma ligação em Yy.
É também recomendável com respeito à carga que este circuito seja ligado sem fazer
uso do ponto neutro.
Uma carga desequilibrada I2 entre os outros dois condutores externos invoca uma
corrente correspondente I1 no lado de entrada. O enrolamento da fase sem carga permanece
sem corrente no lado de entrada - ver figura 10.
2U
1U
2V
1V
I1
I2
2W
1W
Z
I1
I2
Fig. 10 - Transformador
trifásico com montagem Yy com
carga desequilibrada.
Um transformador com montagem Yy sem condutor de neutro pode, portanto,
transformar cargas assimétricas sem problemas. A situação é diferente quando se usa este
circuito em redes de distribuição standard. Neste caso, o ponto neutro é posto para fora no
lado de saída, mas não no lado de entrada. Uma carga assimétrica no lado de saída causa a
corrente I2 a circular numa fase.
Isto agora conduz à circulação de correntes no enrolamento da fase sem carga no lado
de entrada e correspondente às forças magnetomotrizes. Mas, estas forças magnetomotrizes
não têm os mesmos correspondentes ampére-espira - ver figura 11.
2U
1U
I1u
2V
1V
I1v
2W
1W
Z
I1w
I2
2N
Fig.
11
-
Transformador
trifásico em ligação Yyn com carga
monofásica.
Devido à necessidade dos correspondentes ampére-espira, os fluxos magnéticos
podem ser produzidos com fases desequilibradas. Isto ocorre de uma forma forte como fluxos
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de dispersão, que se fecham de culatra para culatra pelo ar ou outras partes da construção do
transformador. Isto produz perdas adicionais, que tomam a forma de calor.
Além disso, estes fluxos de dispersão induzem tensões adicionais nos enrolamentos de
saída, que causam fortes assimetrias na tensão.
Na situação descrita na figura 10, a tensão U2W, por exemplo, tornar-se-ia quase zero.
U2U e U2V tornar-se-iam então muito grandes, que levariam a arcos-eléctricos e destruição
do isolamento.
Como resultado, uma forte carga desequilibrada não é permitida para transformadores
trifásicos não couraçados em ligação Yy.
O condutor neutro não deve ser sujeito a carga acima de 10%. Assim, o grupo de
ligações Yyn não é possível nos transformadores de distribuição.
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