Trabalho de Laboratório de Máquinas Eléctricas ---

TLME-2.5
—1—
MÁQUINAS ELÉCTRICAS II
2004 / 2005
SE
FEUP
LEEC
Transformador Trifásico –
1.
TLME-2.5
regime desequilibrado e
regime assimétrico
Introdução
Um transformador trifásico pode funcionar com cargas diferentes nas três fases do secundário —
regime de cargas desequilibradas —, ou pode funcionar alimentado por um sistema trifásico
assimétrico de tensões — funcionamento em regime assimétrico.
Quando um transformador trifásico alimenta apenas uma carga monofásica, situação do maior
desequilíbrio de cargas, há uma distribuição da corrente eléctrica pelas três fases que depende
do tipo de ligação dos enrolamentos primários (D, Y) e dos enrolamentos secundários (d, y, z) do
transformador.
O comportamento diferente de cada tipo de ligação leva a uma escolha diferente do tipo de
ligação a adoptar numa dada aplicação, conforme é de prever, ou não, a existência de
desequilíbrio de cargas.
Como o transformador trifásico é uma máquina eléctrica estática e como se supõe que existe
simetria entre as diferentes fases, a impedância apresentada por este elemento de circuito é
independente da ordem de sucessão de fases do sistema de tensões trifásico aplicado nos
terminais do primário. Mas a impedância homopolar tem, geralmente, um valor diferente da
impedância directa que tem um valor igual ao da impedância inversa.
{num transformador a impedância directa é igual à impedância inversa que é igual à impedância de magnetização em
vazio (Zo), e é igual à impedância de fugas no funcionamento em carga}
N. B. —
2.
Este trabalho necessita de uma preparação teórica prévia à sua
execução no laboratório.
Objectivos
O objectivo deste trabalho de Laboratório é a verificação experimental da distribuição das
correntes eléctricas para os diferentes tipos de ligações dos enrolamentos de um transformador
trifásico alimentando uma carga monofásica. Faz uma introdução à Teoria das Componentes
Simétricas.
3.
Bibliografia
[CCC–1]
Carlos Castro Carvalho; “Transformadores”, pp. 112–118, AEFEUP 1971 [www.fe.up.pt/me1]
M.I.T. Staff; “Magnetic Circuits and Transformers”, MIT Press, 1943
Manuel Vaz Guedes; “Corrente Alternada — sistema polifásicos assimétricos”, FEUP 2005 [www.fe.up.pt/me2]
J. Lewis Blackburn; “Symmetrical Components for Power Systems Engineering”, Marcel Dekker 1993 [B_FEUP]
4. Trabalho a Efectuar
4.1. Material Necessário
– Transformador Trifásico
–– Voltímetro CA (multímetro)
— Voltímetros CA
© Manuel Vaz Guedes, 1994/95, 2005
– Autotransformador
— Pinça Amperimétrica
– Amperímetro CA
— Carga Monofásica
TLME-2.5
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Regime de Cargas Desequilibradas
A .1.
Modo de Proceder
Para cada tipo de ligação, e atendendo à respectiva montagem, realizar as seguintes operações:
❺
Realizar a montagem, com o transformador como abaixador de tensão.
☎
Chamar o docente para verificação
▲
Ligar o auto-transformador à rede (110/190 V)
➚
Elevar a tensão primária composta até 190 V
❺
Efectuar a medida das tensões e das correntes eléctricas nas diferentes
fases e nas linhas de alimentação do transformador.
—
colocar a carga entre coluna extrema e coluna do meio, e depois
entre as colunas extremas.
✍
Tomar nota dos valores lidos, devidamente referenciados.
▲
Baixar a tensão do auto-transformador para 0 V, e depois desligá-lo.
❺
Determinar a razão de correntes entre fases {utilizar um sistema p. u. em que a
corrente de base é o menor valor da intensidade de corrente medido}.
P&R
?1 Quais são as grandezas físicas cujo valor condiciona a segurança desta experiência (ou a
a qualidade de serviço da instalação eléctrica) ? Qual o valor limite para essas grandezas ?
?2 Qual o comportamento do valor das tensões nas diferentes ligações [CCC-1], {apresentar os
valores num quadro e justificar as conclusões}
?2.1
Justificar a forma de efectuar a apresentação em valores por unidade (p.u.)
?3 Qual o comportamento do valor da intensidade da corrente nas diferentes ligações [CCC-1],
{apresentar os valores num quadro e justificar as conclusões}
A .1.
A .1.1.
Ligações
Ligação Yy, Yyn, YNy, YNyn
Montagem a Realizar
R
S
T
V
M
N
A .1.2.
Ligação Dy, Dyn
Montagem a Realizar
R
S
T
N
© Manuel Vaz Guedes, 1994/95, 2005
V
M
TLME-2.5
A .1.3.
—3—
Ligação Dd
Montagem a Realizar
R
S
T
V
M
N
P&R
?4
Escrever, justificando completamente, que tipos de ligações utilizaria num
transformador trifásico para:
— um posto de transformação (PT) <300 kVA;
— uma subestação;
— uma grande subestação de distribuição.
Justificar, devidamente, a pouca utilização da ligação YNyn.
Justificar a distribuição de correntes eléctricas durante o curto-circuito à terra
numa fase do primário de um transformador YNd. {apresentar as figuras e a
explicação detalhada}
?5
?6
Funcionamento em Regime Assimétrico
No estudo de um transformador funcionando em regime assimétrico é importante o
conhecimento do valor da impedância homopolar.
B .1.
Medida da Impedância Homopolar
As componentes homopolares de um sistema trifásico de grandezas têm a mesma amplitude
e estão em fase: IoR = IoS = IoT = Io = (1/3)·(IR + IS + IT).
A impedância homopolar é medida à frequência nominal entre os terminais de linha de um
enrolamento ligado em estrela ou em ziguezague e o terminal do neutro. É expressa em Ohm
por fase [Ω/fase] e é dada por Zo = 3·(U/I), em que U é a tensão de ensaio e I a intensidade
de corrente eléctrica de ensaio. Deve ser declarada a intensidade de corrente eléctrica por
fase I/3.
Deve ser verificado que o valor da intensidade de corrente que irá passar no neutro durante
o ensaio é compatível com o dimensionamento desse circuito
A
V
N
Modo de Proceder
–
Efectuar a montagem (ligar os enrolamentos do transformador em Yd)
☎
➚
Chamar o docente para verificação
Efectuar o ensaio
)
Elevar L E N T A & C U I D A D O S A M E N T E a tensão através do autotransformador até circular a corrente de ensaio no circuito primário
© Manuel Vaz Guedes, 1994/95, 2005
TLME-2.5
✍
—4—
Tomar nota dos valores e de todos os pormenores relevantes
➷
Reduzir LEN TA MEN T E a tensão através do auto-transformador e desligar
o auto-transformador da rede
Com os valores lidos determinar: o valor da impedância homopolar vista do lado primário.
Justificar o valor da impedância homopolar vista do lado secundário. {ver Carlos C. Carvalho;
“Transformadores”, AEFEUP 1983, pp. 115–116}
P&R
?7 Justificar a importância do conhecimento do valor da impedância homopolar no projecto
e no estudo de um sistema eléctrico.
?8 Justificar como se determina a impedância homopolar de um transformador de três
enrolamentos {ver Carlos C. Carvalho; “Transformadores”, AEFEUP 1983}
?9 Apresentar uma construção gráfica didáctica mostrando a possibilidade de decomposição
de um sistema trifásico assimétrico de tensões em três sistemas de tensões simétricos.
Realçar a vantagem da utilização da Teoria das Componentes Simétricas no estudo de
uma máquina eléctrica em regime assimétrico. {ver Manuel Vaz Guedes; “Corrente Alternada —
sistemas polifásicos assimétricos”, FEUP 2005, www.fe.up.pt/me2}
— TLME-2. 5 —
Resenha Histórica
Opinião de Charles P. Steinmetz:
“Trabalhando no cálculo ou na investigação de sistemas polifásicos, ou, como é normalmente o
caso, com sistemas trifásicos as dificuldades que encontramos não são tanto dificuldades
matemáticas, mas são aquilo que eu poderia chamar dificuldades mecânicas. As equações,
enquanto matematicamente não são complicadas, levam a expressões que são complicadas e
extensas de tal forma que tornam qualquer cálculo extremamente difícil.
Trabalhando com sistemas polifásicos simétricos, esta dificuldade foi ultrapassada pela introdução
do sistema equivalente monofásico, considerando o sistema polifásico resolvido num número de
sistemas monofásicos, cada um compreendendo o circuito eléctrico entre os condutores de uma
fase e o ponto neutro do sistema. Este método, contudo, falha nos sistemas polifásicos
assimétricos — e naturalmente, praticamente todos os sistemas comerciais polifásicos existentes
são mais ou menos assimétricos — e a teoria do método vectorial {fasorial}, que hoje nos foi
apresentada numa mais extensiva descrição pelo Sr Fortescue, dá a solução mostrando-nos no caso
do sistema trifásico geral que ele pode ser resolvido em dois sistemas trifásicos simétricos com
rotação de fase opostas. Pode-se aplicar o mesmo plano a outros sistemas polifásicos.”
Atlantic City, USA; 28 de Junho de 1918
–
MVG –
a
a
d
b
c
d
b
c
sistema
assimétrico
© Manuel Vaz Guedes, 1994/95, 2005
ai
sistema
directo
d
bi
sistema
inverso
ci
ao b o c o
sistema
homopolar
Máquinas Eléctricas
2
Resenha Histórica
I m p o r t â n c i a do T r a n s f o r m a do r
Transformador Trifásico (1891)
A primeira transmissão de energia a grande
distância sob a forma de corrente trifásica e m
alta tensão (14,8 kV) realizou-se em 1891 entre
Lauffen e Frankfort (175 km), durante a
Exposição Electrotécnica Internacional desta
cidade.
Já tinham sido feitas experiências n a
transmissão de energia em corrente alternada
monofásica (1884, 1886). Nessa transmissão
era utilizado um alternador que alimentava
directamente a linha de transporte com uma
tensão elevada, e somente junto da carga a
tensão era baixada para o valor necessário à
alimentação das lâmpadas de incandescência.
Tal sistema estava limitado pelo valor da tensão
do alternador, que, devido a problemas de
isolamento, chegava aos 3 kV ou 4,4 kV, mas
que não podia ultrapassar os 10 kV.
No entanto, em todas estas experiências,
impressionava o valor do rendimento d a
transmissão de energia: 70% a 80%.
Porque em 1891 estavam
criadas
as
condições — conhecimento do funcionamento
em paralelo
de transformadores
(1885),
existência de um motor de corrente alternada
(1887; 1889), vantagem prática do sistema
trifásico — desenvolveu-se um sistema de
transmissão de energia em corrente trifásica
com transformador estático em cada uma das
extremidades da linha.
© Manuel Vaz Guedes, 1995
O transformador trifásico (150 kVA) era
constituído por um núcleo magnético triplo (ou
em templo) formada por três colunas verticais, de
900 mm de altura e 270 cm 2 de secção recta,
localizadas nos vértices de um triângulo
equilátero, com as extremidades reunidas por
culassas formadas pelo enrolamento de uma
banda de chapa de ferro com 76 mm de
largura. A chapa de ferro tinha 0,5 mm de
espessura e era isolada com papel de 0,08 m m
de espessura. Os enrolamentos, mergulhados
em óleo para um melhor isolamento, estavam
ligados em estrela nos dois lados do
transformador, e tinham os pontos neutros
ligados à terra. Os isoladores de travessia de
alta tensão eram em tubo de vidro, e
posteriormente, em tubo de porcelana. A razão
de transformação era de 95/14 750 V, e a
frequência 40 Hz.
Estes transformadores
apresentavam
as
seguintes vantagens construtivas: desmontagem
fácil; enrolamentos com fabrico fácil; grande
segurança na exploração; baixo custo; boa
protecção
mecânica
contra
contactos
acidentais.
Depois do retumbante êxito desta aplicação
do transformador trifásico começou-se a
vislumbrar a possibilidade de industrialização
das cidades afastadas da tradicional fonte de
energia mecânica: os rios.
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