Slides Aula 9 Conversão Eletromecânica 2021 2

31/01/2022 Conversão Eletromecânica de Energia Professores: Domingos Sávio Lyrio Simonetti Augusto César Rueda Medina Departamento de Engenharia Elétrica - UFES Aula 9 - REGULAÇÃO DE TENSÃO É um indicador da variação da tensão secundária desde a vazio até plena carga, com fp constante V2nom – Tensão no circuito secundário com carga nominal, não obrigatoriamente é a tensão nominal do trafo; V2o – Tensão do trafo com secundário em aberto (sem carga). 100 Reg(%) 2 2 2    nom nom o V V V A análise pode ser feita tanto com o circuito visto pelo secundário, como visto pelo primário. INDICADORES DE DESEMPENHO DE TRANSFORMADORES 31/01/2022 REGULAGAO DE TENSAO A tensdo terminal sob carga nominal é considerada a referéncia. leg j Xeq one eient + F< Oonsiderando iT, =T' a Pfr fo) circuito oo | v7; : Vv; is Zi nom REg(%) re x100 pelo primario = re | A Oo Para carga resistiva, pode-se tracar o seguinte diagrama fasorial: - I" 2 V2 Freq |’2 Sendo V, a tensdo que alimenta o trafo, V, é a propria tensdo a vazio V’, 9. Nota- se pelo DF que V’s nom < V’2,9. O numerador da equac¢do de Reg(%) sera positivo, e diz-se requlacdo positiva. A mesma conclusdo se obtém analisando a carga RL. Se a carga for do tipo RC, a partir de algum fp capacitivo a regulacdo sera negativa. EXERCICIO - REGULAGAO DE TENSAO Para o transformador do exemplo anterior, calcule a regulacdo de tensdo para uma carga alimentada sob tensdo e corrente nominais para: a) fp=1; b) fp=0,8 em atraso; Voo — V2 ) fp Reg(%) = —2_*™°™ x 100 c) fp=0,8 em avancgo; Venom Dados Trafo: 1¢, 7,5kVA/60Hz, 8kV/127V; r,=400; r,=0,010; x,=800; x,=0,020 Teq JXeq OWS. = 800; X= 1600; Z,,=178,8.263,4° O —_ Tnom=7500/8000 Zcos"! (fp) [- para ind.; + se cap.] I = 2 Vv C) Tnom= 0,94 2+36,9°A; V;= 8000.20" +0,9436,9'x178,8263,4° Vi 2 V = 80000°+1682100,3"= 7.9721,2° V Reg(%)={[7972-8000]/8000}x100 = -0,35% cr 31/01/2022 - PERDAS DE POTÊNCIA, VIDA ÚTIL E RENDIMENTO Onde: P1 é a potência que a rede elétrica entrega ao transformador; P2 é a potência que o transformador entrega à carga; PFe= Perdas por histerese e correntes parasitas (Foucault); PFe =V2/Rc PCu= reqI’2 2 (modelo simplificado) = r’’eqI2 2. As perdas no núcleo são ditas perdas fixas, pois basicamente dependem da tensão de alimentação e esta não varia significativamente durante a operação normal. Pnuc =V2/Rc As perdas no cobre são ditas perdas variáveis, pois variam com o nível de carregamento (carga) do transformador. Penr= reqI’2 2 INDICADORES DE DESEMPENHO DE TRANSFORMADORES Assim, as perdas influenciam não só o rendimento, mas também a vida útil dos transformadores. As perdas significam aquecimento, é potência entregue a um material e dissipada na forma de calor (efeito joule), que aos poucos vai deteriorando o equipamento. PERDAS E VIDAÚTIL 31/01/2022 VIDA UTIL DE TRANSFORMADORES: AQUECIMENTO 2 _|S| Perdas « |lef| e [Ley | iV | Como as perdas no cobre sao proporcionais ao valor eficaz da corrente, os transformadores sao especificados em poténcia aparente. (lembrando que as perdas no nucleo sao ditas perdas fixas) RENDIMENTO iy DM n= P, V,L,cos8, Pou Pre P V,L,cos@, +P, + P., Ee P., P,,= Perdas por histerese e correntes parasitas (Foucault); Pou= leq!’2” (modelo simplificado) = r’,,|,?; V,l,cos0=V’,I’, cosd. 31/01/2022 RENDIMENTO Rendimento Máximo (ponto de operação de máximo rendimento) 2 1 2 2 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 I P P I P P 0 P I P P I P P                I  cu nuc 2 2 2 1 2 2 2 2 P P I cos V I cos V       P e P como nuc cu P P Para  max   Cu Fe 2 2 2 2 2 2 1 2 P P I cos V I cos V P P        ATENÇÃO: não é máxima transferência de potência!!! Para o transformador anterior que foi calculada a regulação de tensão, encontre agora o rendimento para a carga alimentada sob tensão e corrente nominais (considere constantes as perdas no ferro) para: a) fp=1; b) fp=0,8 em atraso; c) fp=0,8 em avanço; d) para que valor de corrente de carga o rendimento é máximo? Dados Trafo: 1ɸ, 7,5kVA/60Hz, 8kV/127V; r1=40Ω; r2=0,01Ω; x1=80Ω; x2=0,02Ω; rc=1MΩ; xm=0,2MΩ RENDIMENTO nuc cu P P Para  max   Cu Fe 2 2 2 2 2 2 1 2 P P I cos V I cos V P P        Pnuc =V2/Rc Penr= reqI’2 2 31/01/2022 Rendimento=? para a) fp=1; b) fp=0,8 em atraso; c) fp=0,8 em avanço; d) para que valor de corrente de carga o rendimento é máximo? Dados Trafo: 1ɸ, 7,5kVA/60Hz, 8kV/127V; r1=40Ω; r2=0,01Ω; x1=80Ω; x2=0,02Ω; rc=1M Ω Penr=80x0,942=70,7W Pnuc=80002/1x106=64W =(8000x0,94xfp)/(8000x0,94xfp+71+64) a) fp=1 => =0,982=98,2% b)=c)=97,8% d) Penr=Pnuc=>0,02x(I2, max)2=64W=> I2, max=56,6A (I2, nom=59,1A) RENDIMENTO diário Eficiência Energética do Transformador ou Rendimento diário As empresas de energia elétrica calculam o rendimento diário dos transformadores. Consideram o rendimento em n intervalos de tempo de potência aproximadamente constante (no intervalo de tempo n), sendo que h é medido em horas (rendimento diário) para cada intervalo. O ciclo de carga de um transformador depende da sua utilização. Os grandes transformadores ligados aos sistemas de geração operam próximo da sua carga nominal ao longo da sua vida útil. Os transformadores de distribuição acompanham a carga residencial ou comercial. Operam, portanto, na maior parte do tempo, abaixo da sua capacidade nominal. (alguns autores utilizam um adicional de perdas não computadas) INDICADORES DE DESEMPENHO DE TRANSFORMADORES 31/01/2022 Exercício: (desconsidere um possível adicional de perdas) diário   96 3, %  Fonte: G1 TRANSFORMADORES 31/01/2022 TRANSFORMADORES Exploramos, até o momento, transformadores de 2 enrolamentos: - Comportamento ideal; - Comportamento real e circuito equivalente; - Ensaios para obter parâmetros; - Regulação de tensão; - Rendimento .... NÃO!!! 31/01/2022 TRANSFORMADORES DEMÚLTIPLOSENROLAMENTOS Os transformadores também podem apresentar três (ou mais) enrolamentos Transformadores de sistemas de transmissão e distribuição costumam ter um terceiro enrolamento, que pode ser utilizado para alimentação dos serviços auxiliares da Subestação, alimentar bancos de capacitores ou compensadores síncronos para correção do fator de potência ou regulação de tensão, ou simplesmente serem conectados em D fechado para prover um caminho para o terceiro harmônico e seus múltiplos. Podem, ainda, possuir dois secundários de níveis de tensão diferentes, por exemplo primário em 138kV e secundários de 34,5kV (alimentando outra subestação através de um alimentador) e 13,4 kV (alimentando a distribuição primária local). Será analisado um transformador de três enrolamentos. TRANSFORMADORES DE3 ENROLAMENTOS–CIRCUITOEQUIVALENTE 1 . E m . I 2'I . + 3'I .  . I 2 . I r1 jx1 r2 jx2 rc jxm 2 . E 2 . V 1 . V 3 . I r3 jx3 3 . E 1 . I N1 N2 N3 Ensaio a Vazio: define o ramo magnetizante. Ensaios em Curto: impedâncias dos enrolamentos. 1 2 3 31/01/2022 Circuito Equivalente refletido ao primário – desprezando ramo magnetizante TRANSFORMADORES DE3 ENROLAMENTOS E1 1 . I = 2' E . = 3'E . 2'I . r1 jx1 r'2 jx'2 1 . V 2' V . 3'I . r'3 jx'3 3' V . Para a análise dos ensaios em curto, será considerado que V1 > V2 > V3 . O ensaio em curto é realizado aplicando uma tensão variável ao enrolamento de maior tensão, que deve ser ajustada até um dos enrolamentos alcançar a corrente nominal. Isso ocorre no enrolamento de menor potência. Alimentando Curto-circuitando Em aberto Obtém Enrolamento 1 Enrolamento 2 Enrolamento 3 z12 = z1 + z’2 Enrolamento 1 Enrolamento 3 Enrolamento 2 z13 = z1 + z’3 Enrolamento 2 Enrolamento 3 Enrolamento 1 z23 = z2 + z’’3 Ensaio de Curto-Circuito: realizado nos três enrolamentos, dois a dois. TRANSFORMADORES DE3 ENROLAMENTOS 1 . E m . I 2'I . + 3'I .  . I 2 . I r1 jx1 r2 jx2 rc jxm 2 . E 2 . V 1 . V 3 . I r3 jx3 3 . E 1 . I N1 N2 N3 E1 1 . I = 2' E . = 3' E . 2'I . r1 jx1 r'2 jx'2 1 . V 2' V . 3'I . r'3 jx'3 3' V . 31/01/2022 Ensaio de Curto-Circuito: realizado nos três enrolamentos TRANSFORMADORES DE3 ENROLAMENTOS 2 2 1 23 3 2 23 N N z z' z' z'          E1 1 . I = 2' E . = 3' E . 2'I . r1 jx1 r'2 jx'2 1 . V 2' V . 3'I . r'3 jx'3 3' V . Refletindo o último ensaio ao mesmo enrolamento dos outros: Alimentando Curto-circuitando Em aberto Obtém Enrolamento 1 Enrolamento 2 Enrolamento 3 z12 = z1 + z’2 Enrolamento 1 Enrolamento 3 Enrolamento 2 z13 = z1 + z’3 Enrolamento 2 Enrolamento 3 Enrolamento 1 z23 = z2 + z’’3 1- Inspeção física DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS Apenas se aplica a enrolamentos em que se tem acesso visual às suas características construtivas (é necessário ver o sentido de enrolamento das bobinas). A marca da polaridade em bobinas acopladas e transformadores indica os terminais que instantaneamente apresentam a mesma polaridade. Serão apresentadas três formas distintas de levantar a localização dos pontos. Em todos três, escolhe-se um enrolamento (aleatório) como referência e atribui-se a um de seus terminais a polaridade. 31/01/2022 Inspeção física DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS A marcação da polaridade é tal que atende à lei circuital de Ampère: N1I1 - N2I2=0 F v1 i1 l Considerando a corrente no enrolamento escolhido entrando no ponto, o sentido de FMM gerado (regra do saca-rolha) deve ser contrariado pelos outros enrolamentos, onde a polaridade será atribuída aos terminais em que a corrente estiver saindo. relutância N1I1 N2I2 Inspeção física DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS l l v2b v2a i2b i2a F v1 i1 l relutância N1I1 N2I2 A marcação da polaridade é tal que atende à lei circuital de Ampère: N1I1 - N2I2=0 31/01/2022 2- Teste de associação em CA DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS pela associação série de seus enrolamentos, verifica-se se é aditiva ou subtrativa N1 N2 ? Teste de associação em CA DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS pela associação série de seus enrolamentos, verifica-se se é aditiva ou subtrativa N2 N1 ~ V V V1 VSAÍDA VSAÍDA = |V1 - V2| V V2 VSAÍDA = V1 + V2 V1 V2 V1 V2 31/01/2022 DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS: Teste de associação em CA Se a tensão V12 = V1 + V2, a polaridade será atribuída em um dos enrolamentos ao terminal comum, e no outro enrolamento no terminal não- comum. 2 . V N2 N1 1 . V 2 . 1 . V V  Se a tensão V12 = |V1 - V2|, tem-se uma associação subtrativa, e a polaridade poderá ser atribuída aos terminais comuns (ou aos opostos). 2 . V N2 N1 1 . V 2 . 1 . V V  3- Teste do Golpe Indutivo DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS V1 V2 N1 N2 Vcc t=0s i1 t 1 cc r V L r τ  + Voltímetro “polarizado” É aplicação da Lei de Faraday. Aplica- se uma tensão contínua de baixo valor a um enrolamento, ao qual se atribui a polaridade (ponto) a um dos terminais. Com um voltímetro conectado ao outro enrolamento se observa a polaridade da tensão transitória induzida. Em regime a tensão induzida é nula. 31/01/2022 Teste do Golpe Indutivo DETERMINAÇÃO DA POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS V1 V2 + N1 N2 Vcc t=0+s + 0V v2 + V1 V2 - N1 N2 Vcc t=0+s + 0V v2 +