comparação de transformadores com fator ke - DAELT

COMPARAÇÃO DE TRANSFORMADORES COM FATOR K E
CONVENCIONAIS ALIMENTANDO CARGAS NÃO LINEARES
CECATO, Luiz Phelipe Denardin
Estudante de Engenharia Elétrica: UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR – Tel. (41) 2101-4837
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MINATO, Raphael Ferreira
Estudante de Engenharia Elétrica: UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR – Tel. (43) 3524-2172
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ROCHA, Joaquim Eloir
Professor Doutor Engenheiro Eletricista: UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Av. Sete de Setembro, 3165, Curitiba/PR – Tel. (41) 3310-4629
[email protected]
RESUMO
O presente tem como objetivo a comparação dos ensaios de elevação de temperatura de dois transformadores de
25kVA, sendo um destes preparado para suportar distorções harmônicas (Fator K) enquanto que o outro um transformador
convencional. Ambos os equipamentos foram ensaiados tanto com carga senoidal como com carga não linear e os resultados
serão mostrados neste artigo.
Palavras-chave: Transformador, harmônicas, carga não linear, elevação de temperatura, fator K.
1
Introdução
No ambiente de trabalho atual, o aumento do número de equipamentos eletrônicos como reatores, conversores
eletrônicos, equipamentos de comunicação e outras cargas que utilizam chaves semicondutoras têm criado um grande
problema para engenheiros e proprietários de instalações devido à característica não senoidal de suas cargas. A natureza não
linear da alimentação de energia necessária a estes equipamentos gera harmônicos de corrente que causam sobreaquecimento e
perda de potência em transformadores, torques oscilatórios em motores de indução, desgaste de isolamentos, e várias outras
anomalias nocivas ao sistema elétrico, conforme exposto por PHIPPS (1994).
Com todos estes problemas gerados pelas distorções harmônicas, diversos estudos foram realizados com o intuito de
quantificá-los. A entidade denominada Underwriters Laboratory - UL criou uma forma de mensurar estes harmônicos
conforme sua intensidade em um sistema, obtendo um parâmetro denominado fator K. Através deste valor é possível preparar
os equipamentos sensíveis à presença de distorções em uma rede elétrica, sobredimensionando-os, instalando-se filtros, ou
mesmo isolando-os do resto do sistema, caso não suporte a quantidade de harmônicos presentes na rede.
O fator K, ou fator de perdas harmônicas, conforme a generalização feita pela recomendação C57.110-1998 do
Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE, também se tornou útil como forma de caracterizar um equipamento
especialmente voltado para suportar as tensões e correntes não senoidais presentes em um circuito elétrico. Os transformadores
convencionais, pela mesma recomendação da IEEE, têm sua potência reduzida para que possam operar sem problemas sob um
determinado fator K, ou como é mencionado na recomendação, são desclassificados em sua potência, visto que estes não
dependem apenas do seu design mas também da operação efetiva da carga, de acordo com TACI e DOMIJAN (2004). A
diminuição de sua potência nominal, para tal aplicação onde está presente a distorção de tensão e corrente, permite que o
transformador suporte o aquecimento causado devido às perdas induzidas pelos harmônicos. Mas essa solução não é
financeiramente benéfica, pois se perde uma parte da capacidade do transformador.
A indústria moderna, preocupada com o aumento da utilização de equipamentos geradores de harmônicos, criou o
conceito de transformador de fator K como mostra FRANK (1997). Ele é um equipamento que possui características
construtivas que permite utilizar toda a potência nominal, sem necessidade de desclassificação, sob um determinado volume de
harmônicos na rede. O transformador com fator K e seu novo conceito de projeto é algo muito recente no mercado
internacional, gerando muitas discussões sobre seus resultados e aplicabilidade. No Brasil, vêm sendo realizadas várias
pesquisas sobre tal tecnologia, com a finalidade de fabricar um produto que atenda as necessidades das instalações elétricas
nacionais de uma forma mais barata e segura.
2
Metodologia
2.1
Objetivos
O objetivo geral do projeto é comparar a elevação de temperatura de dois transformadores sobre a mesma situação de
carga não linear. Para que tudo isso pudesse ser realizado foram estipulados os seguintes objetivos específicos:
Estudar os métodos de ensaio de transformadores convencionais;
Estudar de forma detalhada as recomendações propostas pela IEEE C57.110 – 1998;
Desenvolver uma carga não linear;
Adaptar ensaios de elevação de transformadores a seco para situações de carga não linear;
Ensaiar um protótipo de um transformador a seco com fator K de potência nominal de 25kVA e um
transformador a seco convencional de mesma potência, ambos fornecidos pela empresa COMTRAFO –
Indústria e Comércio de Transformadores LTDA, nos laboratórios da empresa cedente e nos laboratórios do
LACTEC;
Comparar os dados obtidos comprovando a eficácia do transformador com fator K em relação ao
convencional.
A equipe em parceria com a empresa COMTRAFO - Indústria e Comércio de Transformadores LTDA, desenvolveu
os cálculos de dois protótipos, sendo um protótipo de um transformador convencional e um outro especial, o qual fora
construído incluindo as conclusões que a equipe obteve nas pesquisas que esta realizou, no início do projeto, em livros e
artigos sobre as influências das cargas não senoidais em transformadores. Além disso, como foi citado acima a equipe ainda
construiu uma carga não linear e adaptou os ensaios de elevação de temperatura de transformadores convencionais para ensaios
com carga não linear para a realização dos mesmos em dois laboratórios.
2.2
Projeto
2.2.1
Projeto dos Protótipos
O projeto do transformador convencional foi feito com base na metodologia de cálculo da empresa que cedeu os
transformadores. Foi tomado um projeto de 20kVA a seco de base e foram feitas as adequações necessárias (potência, bitola do
condutor, número de espiras, etc) nas planilhas de cálculo da empresa. Já para o protótipo do transformador especial além
dessas alterações foram feitas modificações especiais que as cargas não lineares exigem, já que estas causam:
Aumento de perdas parasitas;
Prováveis componentes de corrente contínua da carga;
Harmônicos múltiplos de 3;
Estas exigências caso não sejam consideradas podem causar os seguintes efeitos no transformador:
Maior elevação de temperatura do transformador, degradando a isolação e diminuindo sua vida útil;
Maiores perdas e aquecimento do núcleo;
Maior corrente de neutro, aquecendo além do projetado o condutor as suas proximidades;
Para minimizar os efeitos no transformador devido a estas características de carga não senoidal, a equipe tomou, com
orientação da empresa e do que havia sido estudado, as seguintes decisões:
Modificar geometria do transformador, de forma que os condutores sofram menor influência do campo
magnético no sentido axial (vertical), para que as perdas parasitas sejam diminuídas, e que haja uma maior
circulação e área de contato com o ar, diminuindo o aquecimento.
Trabalhar com materiais de uma maior classe de isolação (classe H) que suportem maiores temperaturas
Trabalhar com induções mais baixas, evitando a possibilidade de saturação do núcleo.
Aumentar a bitola do condutor do neutro do transformador, para suportar as elevadas corrente causadas pelos
harmônicos múltiplos de 3.
Uma outra recomendação que foi vista nas referências bibliográficas foi a utilização de blindagem eletrostática,
entretanto em transformadores de pequena potência como os protótipos deste projeto isto não é utilizado devido ao alto custo
da mesma. Os fabricantes, então, dobram a isolação de cada uma das camadas do enrolamento, a fim de proteger o
transformador dos picos de tensão gerados pelos harmônicos com um baixo custo.
Todas essas alterações resultaram no chamado transformador com fator K, ou seja, estas mudanças tornaram o
transformador apto a suportar certo conteúdo harmônico. Mas cabe ressaltar que estas mudanças implicam em outros fatores
que devem ser trabalhados, que tornam o transformador mais competitivo e eficiente. Estes fatores são o diferencial da
empresa, e, portanto serão abordados neste trabalho apenas de forma generalizada.
2.2.2
Projeto da carga
A carga não linear que foi desenvolvida para o projeto, deveria conseguir dissipar os 25kVA que seriam utilizados nos
ensaios, já que as recomendações da IEEE C57.110-1998 exigem que os ensaios de elevação de temperatura de
transformadores que alimentam cargas não lineares devem ser feitos sob condições normais de operação.
Para realizar o chaveamento das formas de onda de tensão e corrente a equipe utilizou um circuito com TRIACs
chamado de circuito por controle de fase. Este permite que seja controlado o instante em que o pulso no gate é aplicado,
controlando assim o início da condução do TRIAC e consequentemente a porcentagem do ciclo da onda que estará
alimentando a carga.
No circuito de potência a equipe precisou utilizar 3 TRIACs em paralelo por fase para conseguir realizar todos os
ensaios que desejava, já que cada TRIAC era capaz de suportar até 40A e alguns ensaios poderiam exigir correntes de até
120A.
Para dissipar a potência a equipe utilizou reostatos líquidos, estes são formados por uma cuba, eletrodos e solução
eletrolítica (neste trabalho a equipe utilizou a mistura de água e sal como eletrólito). Teoricamente, os reostatos líquidos podem
dissipar qualquer potência, basta apenas que haja solução eletrolítica em quantidade suficiente para que a convecção do líquido
mantenha um ciclo de troca de calor constante. O grande inconveniente de se trabalhar com reostatos líquidos é que devido a
evaporação do solvente da solução eletrolítica a concentração da mesma vai aumentando e a resistência do mesmo tende a
diminuir o que fazia com que a corrente variasse ao longo do ensaio, desta forma um grande cuidado era necessário para que o
valor da corrente no ensaio não fosse alterado.
2.2.3
Adequação dos ensaios
Analisando o conceito e metodologia do ensaio de elevação de temperatura, vê-se que este pode ser facilmente
adaptado para ensaio com uma carga não linear. Para o ensaio a vazio, pode-se manter o mesmo procedimento, visto que a
temperatura do núcleo não tem influência significante nos enrolamentos do transformador. Ou pode-se usar uma adaptação
para tentar atingir as condições reais do núcleo com cargas não lineares. Esta adaptação seria na verdade a alimentação de um
circuito chaveador pela rede, e a alimentação do transformador com o secundário aberto por este circuito, tendo assim
chaveamento da tensão no transformador.
A modificação proposta pelo grupo para o ensaio de elevação com carga pode e deve ser feita de forma que os
enrolamentos do transformador tenham a corrente não senoidal que simule uma situação real, sem necessidade de uma tensão
plena aplicada. Nesta adaptação, o curto circuito do secundário é trocado por uma carga não linear que produza as distorções
na forma de onda da corrente, e que possa manter esta no valor mais próximo do real, sem necessidade de manter uma tensão
em um valor estável.
Além disso, ainda são utilizadas várias sondas de temperatura em diversos pontos do transformador para que sejam
monitorados os pontos mais quentes do mesmo e vistos se estes pontos estão dentro da classe de isolação do material que foi
utilizado. No ensaio que foi realizado na LACTEC a equipe teve ainda a possibilidade de utilizar termovisores que como
mostrado na figura abaixo, indicam quais os pontos mais quentes do equipamento durante vários momentos do ensaio.
Figura 1 - Temperatura no transfomador com fator K durante ensaio com carga não linear
3
Resultados Experimentais
Como dito anteriormente os protótipo foram ensaiados em dois laboratórios diferentes, primeiramente nos laboratórios
da empresa fabricante dos transformadores e posteriormente no LACTEC. Os resultados que serão apresentados aqui são
referentes ao ensaio realizado no LACTEC. Já que como os ensaios de elevação de temperatura são ensaios de tipo e a empresa
realiza geralmente ensaios de rotina, a mesma não possuí um ambiente adequado para a realização deste ensaio. Como o
LACTEC é especializado neste tipo de ensaio e possuía um ambiente adequado, os resultados provenientes destes apresentam
maior confiabilidade.
O ensaio de elevação de temperatura de transformadores a seco é realizado em duas etapas, na primeira etapa o
transformador é ligado a vazio enquanto que na segunda etapa é realizado com carga. A segunda etapa inicia-se logo após o
término da primeira. Nos ensaios convencionais o ensaio com carga é feito curto-circuitando o secundário do transformador e
aplicando corrente nominal no mesmo. Já no ensaio com carga não linear, o secundário era conectado a carga não linear e
aplicava-se também corrente nominal no equipamento.
Ambos os protótipos foram ensaiados com carga senoidal e com carga não linear e os resultados serão mostrados aqui.
Para a comparação será analisado apenas os enrolamentos de baixa tensão, já que estes são os que sofrem um maior
aquecimento por se encontrarem embaixo do enrolamento de alta tensão, ou seja a bobinagem do enrolamento de alta tensão é
feita sobre o de baixa tensão. A medição da elevação de temperatura é feita pelo método de variação de resistência que analisa
a diferença de temperatura do enrolamento a frio e quando o transformador já atingiu a estabilização térmica. Através, então,
das fórmulas que se encontram na norma referente a ensaio de elevação de transformadores a seco (NBR 10295), é possível
calcular a elevação real do mesmo.
Figura 2 - Elevação de temperatura - Fator K - carga senoidal
Figura 3 - Elevação de temperatura - Fator K - carga não linear
Figura 4 - Elevação de temperatura - transformador convencional - carga senoidal
Figura 5 - Elevação de temperatura - transformador convencional - carga não linear
4
Conclusões
Através da comparação dos resultados obtidos nos dois protótipos, pode-se ver que as adaptações que foram feitas no
transformador com fator K surtiram efeito já que a diferença de temperatura entre ambos para o ensaio com carga não linear foi
de aproximadamente 13°C. Além do que o comportamento do transformador com Fator K foi bem similar em ambos os
ensaios, tanto com carga senoidal como no ensaio com carga não linear, tendo uma variação de aproximadamente 0,5°C
nesses, enquanto que o transformador convencional aqueceu 6,5°C a mais no ensaio com carga não linear do que no ensaio
convencional.
Um outro mérito da equipe é que as adaptações que foram feitas no transformador com Fator K não causaram um
grande aumento no custo do protótipo. Este era um objetivo já que caso o custo fosse muito alto seria mais fácil
sobredimensionar o equipamento, pois desta forma o transformador conseguiria suportar as distorções harmônicas sem
necessidade de investimento em pesquisa e desenvolvimento. O custo adicional foi de apenas 8,3% o que pode ser considerado
baixo já que o preço de venda deste transformador especial pode ser, em alguns casos, até 40% maior do que o preço do
transformador convencional.
5
Referências Bibliográficas
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[10] UNDERWRITERS LABORATORY. UL 1562: transformers, distribution, dry-type - over 600 volts. 1994
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[12] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5380: transformadores de potência. Rio de
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