Máquinas Elétricas_Capítulo 2

APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS 2 2.1

TRANSFORMADORES O Transformador Ideal

Um transformador elétrico de potência é um equipamento destinado a transformar valores de tensões, correntes e impedâncias de um circuito elétrico. O transformador ideal é um artifício meramente teórico que nos permite analisar o transformador sem considerar as suas perdas, conforme figura abaixo:

A corrente I1 percorre as espiras do circuito primário, com uma tensão V1. Essa corrente é induzida ao secundári secundárioo de forma inversamente proporcional ao número de espiras do secundário, correspondendo a estes um novo valor de tensão V2. A potência do transformador possui um valor único tanto para o primário quanto para o secundário. A relação existente entre o número de espiras, a tensão e a corrente do primário e secundário de um transformador é expressa pela equação abaixo. Essa relação é chamada de ³a´.

Para

encontrar a relação da impedância, basta substituir na fórmula os valores das tensões por seu equivalente em função da impedância e da corrente, conforme equações abaixo:

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS

A figura a seguir traz o diagrama de um transformador ideal.



O transformador ideal em pu

Utilizando a magnitude das tensões terminais nominais como tensão de base, tem-se os seguintes valores de base para o primário e secundário, respectivamente:

Sendo a potência de base do sistema, as correntes de base para o primário e secundário são, respectivamente:

Desta forma, os valores em peu serão dados por:

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Portanto,

quando as grandezas estiverem em pu, o transformador ideal com relação nominal pode ser substituído por um curto-circuito, conforme figura abaixo, pois tanto a tensão quanto a corrente representam o mesmo valor em ambos os enrolamentos.

2.2

O Transformador Real (Ensaios , Rendimento e Perdas)

O transformador real acrescenta ao transformador ideal as perdas nos enrolamentos e no núcleo. OBS: Embora não estejam expressas no circuito equivalente, existem ainda as perdas suplementares, que serão definidas posteriormente. A figura a seguir mostra o circuito equivalente de um transformador real:

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Onde, r1 = Resistência do enrolamento primário r2 = Resistência do enrolamento secundário x1 = Reatância de dispersão do enrolamento primário x2 = Reatância de dispersão do enrolamento secundário xm = Susceptância de magnetização rol = Condutância A partir do circuito equivalente podemos escrever as seguintes equações:

Onde, E1 = Força contra-eletromotriz aplicada no enrolamento primário E2 = Força eletromotriz induzida no enrolamento secundário 

Operação em Vazio

Quando um transformador de potência opera sem carga conectada no seu enrolamento secundário é dito que ele opera em vazio. Neste caso, ao se aplicar uma tensão V1 no enrolamento primário, surge uma força contraeletromotriz -E1 neste enrolamento, que é responsável pelo surgimento da corrente de excitação Io. A corrente de excitação produz o fluxo magnético, cuja variação induz uma força for ça eletromotriz E1 no enrolamento primário e uma força eletromotriz E2 no enrolamento secundário. As forças eletromotrizes eletro motrizes E1 e E2 estão Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS relacionadas ao fluxo magnético  que circula no núcleo pelas seguintes equações:

A corrente de excitação I0 pode atingir valores valores de até 6% da da corrente nominal e é composta de duas componentes: a componente de perdas I P e a componente de magnetização IM. A componente de magnetização IM está em fase com o fluxo magnético e é uma corrente puramente reativa. A componente de perdas I P está em fase com -E1 e é usualmente muito pequena da ordem de 1 a 6% da corrente de excitação, por este motivo é comum assumir a corrente de excitação como sendo a componente de magnetização. A Figura a seguir, apresenta o diagrama fasorial típico de um transformador de potência operando em vazio.

A densidade de fluxo magnético ou quantidade de fluxo magnético que circula por uma determinada seção do núcleo de um transformador de potência tem seu valor máximo expresso em Gauss pela seguinte equação:

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Onde, Bm - densidade de fluxo magnético máximo V1 - tensão aplicada no enrolamento primário A - seção transversal do núcleo magnético em cm2 f - freqüência elétrica ( 60 Hz ) N1 - número de espiras do enrolamento primário Os transformadores de potência atualmente apresentam densidades de fluxo magnético comumente variando de 10.000 a 16.000 Gauss. Atualmente, novos materiais estão sendo estudados como as ligas amorfas, onde valores típicos de densidade de fluxo variam de 20.000 a 25.000. A referência bibliográfica [4] estima que, as ligas amorfas quando estiverem sendo comercializadas, deverão reduzir as perdas do núcleo dos transformadores em torno de 40% a 60% dos valores atualmente encontrados. 

Operação em Carga

Ao ser conectada uma carga no secundário de um transformador de potência, a corrente que circula no secundário produz um fluxo magnético que se opõe ao fluxo produzido pelo enrolamento primário. Como o fluxo magnético que circula no núcleo está relacionado a tensão aplicada no primário, um aumento da corrente do primário ocorre no sentido de compensar o efeito da carga. Esta parcela de corrente do primário que circula para compensar o efeito da carga é denominada de componente de carga I1C. As equações que permitem analisar o comportamento de um transformador de potência com uma carga no seu secundário são:

O diagrama fasorial para um transformador em carga alimentando uma carga indutiva é apresentado na figura a seguir. É importante destacar que para uma carga indutiva a tensão na carga possui um módulo menor que a tensão no primário do transformador de potência.

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

Regulação

A regulação nos transformadores mede a variação de tensão nos terminais do enrolamento secundário deste, quando é conectado uma carga. A variação de tensão no secundário do transformador desde a sua operação em vazio até a plena carga é quantificada pela regulação. É importante salientar que nesta definição a tensão no enrolamento primário do transformador é considerada constante. Com o transformador transf ormador em vazio, no secundário tem-se a tensão E2, que passa a ser V2 quando o transformador está em carga. Por definição a regulação é a diferença entre estas duas tensões expressas em percentual da tensão do enrolamento secundário em carga, assim:

Através da equação acima, pode ser observado que quanto maior a regulação de um transformador, maior a queda de tensão interna do transformador, isto é, maiores são as resistências e reatâncias. Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS A regulação é significativamente influenciada pela carga, ela assume valores positivos para cargas de natureza indutiva e pode assumir valores negativos para cargas de natureza capacitiva. Uma regulação negativa significa tensões na carga mais elevadas que as tensões aplicadas ao transformador e quanto maior esta carga maior será a regulação. Esta situação pode ocorrer em sistemas elétricos comerciais onde em alguns casos os capacitores permanecem em paralelo com uma carga bem menor que a nominal dos capacitores. 

Marcas de Polaridade

As marcas de polaridade são os símbolos utilizados para identificar as polaridades dos terminais de um transformador. Num transformador, a intensidade da corrente secundária e a sua relação de fase com a tensão secundária dependem da natureza da carga, entretanto, a cada instante o sentido dessa corrente deve ser tal que se oponha a qualquer variação no valor do fluxo magnético Ø. Esta condição está de acordo com a lei de Lenz: o sentido da corrente induzida sempre contrária a causa que lhe deu a origem. A figura a seguir mostra um transformador monofásico com enrolamento do primário no sentido anti-horário e o do secundário no sentido horário. Considerando a corrente instantânea I1 crescente entrando no terminal superior do enrolamento primário, criará um fluxo magnético Ø crescente, que circulará no núcleo no sentido horário (regra da mão direita). Para que a lei de Lenz seja satisfeita, a corrente secundária I2 deverá sair do terminal superior do enrolamento secundário.

A Figura a seguir, mostra também um transformador monofásico, com uma única diferença em relação à figura anterior: o enrolamento do secundário está no sentido anti-horário. Para este caso, a corrente secundária I2 deverá sair do terminal inferior do enrolamento secundário.

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É óbvio que, o sentido da corrente instantânea no secundário depende exclusivamente do sentido relativo dos enrolamentos. Para indicar os sentidos dos enrolamentos é que se utiliza o conceito de polaridade. Regra de Polaridade: No enrolamento primário a corrente entra pela marca de polaridade, enquanto que no enrolamento secundário a corrente sai pela marca de polaridade. Polaridade

Subtrativa: é quando os fluxos dos enrolamentos primário e secundário se subtraem. Ao ligar um terminal primário a um terminal secundário correspondente e aplicar a tensão a um dos enrolamentos, a tensão entre os terminais não ligados é igual à diferença das tensões nos enrolamentos. Neste caso, as marcas de polaridade são apresentadas na figura a seguir:

Polaridade

Aditiva: é quando os fluxos dos enrolamentos primário e secundário se somam. Ao ligar um terminal primário a um terminal secundário não correspondente e aplicar a tensão a um dos enrolamentos, a tensão entre os terminais não ligados é igual à soma das tensões nos enrolamentos. As marcas de polaridade são apresentadas na figura abaixo:

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Para

determinar a polaridade de um transformador pode ser utilizada uma tensão de corrente contínua (bateria de 6 a 10 V), uma chave e um galvanômetro com zero central, ligados conforme o esquema da Figura a seguir:

O procedimento deste método é o seguinte: ao fechar a chave faca, devese observar o sentido da deflexão do ponteiro do galvanômetro. Se a deflexão for no sentido positivo, a polaridade será subtrativa; se a deflexão por no sentido negativo, a polaridade será aditiva.



Perdas em transformadores de potência

Um transformador de potência operando em regime permanente alimentando um dado sistema elétrico, está sujeito a três tipos de perdas: perdas no cobre, perdas no ferro ou no núcleo e perdas suplementares. Perdas

no cobre ± São perdas variáveis no transformador provocadas pela passagem da corrente elétrica nos enrolamentos primário e secundário, enrolamentos estes de determinada resistência ôhmica. Estas perdas devido ao efeito Joule, aquecem os enrolamentos primário e secundário e estão diretamente relacionadas com o quadrado das correntes nos enrolamentos primário e secundário. Elas são expressas pela seguinte equação:

Onde, I1= I2+ I0 e PC - perdas no cobre por fase I - corrente de excitação Perdas

no núcleo ± As perdas no núcleo ou no ferro estão relacionadas a passagem do fluxo magnético no núcleo de um transformador. Estas perdas originam o aquecimento das chapas de aço-sílicio do núcleo e são quase que independentes da carga elétrica atendida pelo transformador, sendo assumida em várias situações como perdas fixas. Elas podem ser divididas em dois tipos: perdas por correntes parasitas e perdas por histerese.

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Perdas

por Correntes Parasitas ± A passagem de um fluxo magnético alternado pelo núcleo de um transformador dá origem à forças eletromotrizes, que por sua vez, originam o riginam correntes parasitas. parasitas. Estas correntes ao travessarem as chapas de ferro do núcleo do transformador provocam perdas em forma de calor. As perdas por correntes parasitas por fase podem ser calculadas calculadas por:

Onde: f - freqüência em Hz B - indução magnética d - espessura da chapa em milímetro Perdas

por Histerese ± O material ferromagnético do núcleo dos transformadores de potência quando submetido a um campo magnético alternado, consome energia para orientar os seus domínios magnéticos na direção do campo. Este fenômeno é conhecido pelo nome de histerese e é também responsável pelo aquecimento do núcleo. Portanto a energia cedida no enrolamento primário do transformador não é totalmente cedida ao enrolamento secundário. Esta energia perdida está relacionada com as perdas por histerese. As perdas por histerese por fase dependem do fluxo magnético no interior do núcleo e da freqüência da rede, sendo expressa pela seguinte equação:

Onde, f - freqüência em Hz B - indução magnética Ks - constante que depende do tipo de material usado no núcleo Adicionando as perdas por correntes de Foulcault com as perdas por histerese obtemos as perdas no núcleo por fase, isto é:

Da teoria do circuitos magnéticos pode-se demonstrar que a indução magnética ou o próprio fluxo magnético são diretamente proporcionais a tensão aplicada ao transformador, pois:

Analisando as três equações acima, podemos verificar que as perdas no núcleo dependem apenas da freqüência da rede e da tensão aplicada ao

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS transformador, como ambas grandezas, variam em faixas bem estreitas nos sistema elétricos, estas perdas podem ser assumidas constantes. Perdas

Suplementares ± As perdas suplementares são compostas essencialmente pelas perdas dielétricas no isolamento das bobinas de alta e baixa tensão e pelas perdas por histerese e correntes parasitas na estrutura metálica de suporte das chapas do núcleo núcleo do transformador. As perdas suplementares são perdas difíceis de serem calculadas, estima-se que elas correspondem de 15 a 20% das perdas no núcleo.

Definindo escrever que:

PT

como perdas totais de um transformador, podemos

Ou seja,



Obtenção dos Parâmetros do Circuito Equivalente

Os parâmetros do circuito equivalente e dados nominais necessários para os estudos de desempenho operacional dos transformadores de potência podem ser obtidos a partir dos ensaios em vazio e em curto circuito, dados de placa, catálogos e normas técnicas. 

Ensaios em Vazio e em Curto Circuito

Os ensaios usuais realizados em transformadores de potência para obter os parâmetros do circuito equivalente e as perdas nominais são os ensaios em vazio e curto-circuito. O ensaio em vazio permite obter as perdas no núcleo, as perdas suplementares e os parâmetros do ramo de magnetização do circuito equivalente, enquanto que o ensaio em curto circuito permite determinar as perdas no cobre, queda de tensão interna, impedância, resistência e reatância percentuais. A montagem necessária a execução do ensaio em vazio num transformador de potência é apresentado na figura a seguir. Neste ensaio aplica-se a um dos enrolamentos a sua tensão nominal e mede-se a potência, a corrente e a tensão de saída. Esta potência medida inclui as perdas no ferro e nos elementos construtivos, causadas pelo fluxo mútuo e corrente de excitação. Por conveniência, o lado de baixa tensão é usualmente tomado como primário nesse ensaio. A queda de tensão na impedância de dispersão do primário produzida pela pequena corrente de excitação, é inteiramente Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS desprezível, de modo que a potência de entrada seja aproximadamente igual a força eletromotriz. induzida pelo fluxo resultante no núcleo.

A montagem para a realização do ensaio de curto circuito é apresentada na figura a seguir. Por razões de segurança o lado alta tensão é usualmente adotado como primário e o enrolamento secundário é colocado em curto circuito, bastando assim uma tensão primária de 2 a 12% do valor nominal para se obter a corrente de plena carga. Como o valor de fluxo no núcleo nestas condições é correspondentemente baixo, a corrente de excitação e as perdas no núcleo são inteiramente desprezíveis.

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A tensão induzida no secundário pelo fluxo resultante no núcleo iguala a queda de tensão na impedância de dispersão do secundário e na corrente nominal. Como esta tensão é apenas uma parcela reduzida da tensão nominal, o valor de fluxo magnético no núcleo é reduzido e a admitância de excitação, pode então ser omitida. Nestas condições as correntes de primário e secundário são quase iguais quando referidas ao mesmo lado. A potência de entrada pode ser assumida igual a perda total no cobre nos enrolamentos da alta tensão e baixa tensão.

Quando nem os dados de placa nem os resultados dos ensaios de curto e circuito aberto não são conhecidos, as normas técnicas podem ser consultadas para estimar os dados não disponíveis e permitir o cálculo dos parâmetros do circuito equivalente em pu empregando as seis últimas equações. As principais normas técnicas empregadas para esta finalidade são: -Aplicação de carga em transformadores de potência, NBR - 5416; -Transformadores de potência. Método de ensaio, NBR - 5380; -Transformadores de distribuição para postes e plataformas, NBR 5440; -Recebimento, instalação e manutenção de transformadores de potência em óleo mineral; Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS - NBR 7037; -Transformadores de potência. Especificação, NBR - 5356. Usualmente os dados nominais que mais freqüentemente estão não disponíveis na placa de identificação dos transformadores de potência são os dados referentes às perdas. A Tabela a seguir mostra as perdas máximas no ferro e no cobre no carregamento nominal de transformadores com potência aparente variando entre 15 a 5000kVA coletadas das normas técnicas destacadas anteriormente.



Rendimento de Transformadores de Potência

O rendimento de um transformador para uma dada condição de carga é a relação, geralmente expressa em porcentagem, entre a potência ativa saindo e a potência ativa entrando no transformador, isto é:

Referindo a resistência do enrolamento primário R1 ao enrolamento secundário e ainda assumindo que a corrente de excitação do transformador é muito pequena, podemos escrever que: Delirose Ramos

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Logo:

Onde,  - rendimento Pe - Potência de entrada Ps - Potência de saída Req - Resistência equivalente Analisando a equação acima, podemos concluir que: A tensão na carga V2 não deve usualmente apresentar variações significativas, portanto pode ser assumida em cálculos práticos como constante. As perdas no núcleo PN como foi descrito anteriormente, dependem apenas da freqüência e da tensão aplicada. Como ambos parâmetros pouco variam em sistemas elétricos operando em regime permanente, o termo PN é assumido constante na equação correspondendo às perdas do núcleo na tensão e freqüência nominal. Como o parâmetro Req é constante, as únicas grandezas sujeitas a variações na equação são a corrente de carga I2 e o fator de potência cos. Na seção anterior, foi esclarecido que as perdas no cobre variam com o quadrado da corrente de carga. Recordando que, o valor de corrente de carga é definido pela potência consumida pela carga, resta-nos apenas fazer com que a carga tenha o maior fator de potência possível de forma a minimizar a componente reativa da corrente de carga. Portanto, ainda que a corrente de carga é função da potência alimentada pelo transformador, para uma dada potência de carga, quanto maior o fator de potência, menor a corrente para atender esta mesma carga e consequentemente maior será o rendimento deste transformador. Definindo o fator de carga como sendo a relação entre a potência aparente da carga pela potência nominal da transformação ou do simplesmente do transformador de potência, podemos escrever que:

Como em termos práticos a tensão na carga pode ser assumida igual a tensão nominal, a equação acima pode ser simplificada para: Delirose Ramos

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Ou,

Substituindo, teremos:

Reescrevendo a equação, encontramos:

Onde,  - rendimento Pnom - potência nominal do transformador de potência cos - fator de potência da carga fC - fator f ator de carga Pn - perdas no núcleo com tensão e freqüência nominal Pc - perdas no cobre com corrente nominal Observando a equação, verifica-se que o rendimento de um transformador de potência em um sistema elétrico depende do fator de carga e do fator de potência da carga. Assumindo que o fator de carga seja um parâmetro constante, a equação acima pode ser reorganizada de forma a permitir a identificação da relação matemática que expressa esta variação:

A Figura abaixo mostra a curva que relaciona o Rendimento x Fator de potência da carga para um transformador de potência com os seguintes dados nominais: 300 KVA, 13.800V/380V , 5%, perdas totais de 4,48 KW, perdas no ferro de 1,12 KW operando a carga nominal com fator de potência variável.

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A variação do rendimento de um transformador de potência com a carga pode ser analisada a partir das equações acima, utilizando o fator de carga definido e assumindo o fator de potência da carga constante.

Assim a carga que corresponde ao rendimento máximo pode ser obtida pela seguinte equação:

Analisando as equações acima, pode-se concluir que: O rendimento máximo ocorre para quando a carga é tal que as perdas no cobre forem iguais as perdas no núcleo mais as perdas suplementares. Como as perdas no núcleo incluindo as perdas suplementares 1,2. Pn é usualmente significativamente menor que as perdas no cobre Pc na corrente nominal, o valor de carga que conduz ao rendimento máximo é usualmente na faixa de 30 a 70% da carga nominal. nominal. É importan importante te destacar que acima do carregamento máximo a variação do rendimento em relação ao máximo não é usualmente tão significativa.

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Paralelismo de transformadores

Algumas vezes é mais vantajoso para o projeto da subestação colocar vários transformadores ligados em paralelo, em vez de um único que supra toda a potência necessária. Dentre as muitas vantagens deste arranjo, podemos citar algumas: 1. Adequação a modelos modelos ³de prateleira´, o que significa valores de aquisição mais baixos e prazos de entrega menores, bem como maior facilidade de substituição; 2.

Transformadores

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menores são mais fáceis de transportar; Página 19

APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS 3. A perda de um transformador não implicará na desenergização total da carga. Porém,

para que seja possível colocar dois ou mais transformadores em paralelo é necessário que: 1. A alimentação primária das várias unidades tenha as mesmas características características elétricas; 2. Os transformadores transf ormadores tenham o mesmo mesmo deslocamento angular; 3. As tensões secundária secundáriass sejam iguais; 4. As impedâncias percentuais sejam preferencialmente pref erencialmente iguais; 5. Os fatores fatore s de potência de ccurto-cir urto-circuito cuito sejam sejam iguais; 6. A relação entre as potências nominais das diversas unidades não seja superior a 3:1.

Para

equipamentos idênticos, a distribuição de carga entre os transformadores transfor madores será a mesma. No entanto, quando os transformadores transformadore s possuem potências nominais e impedâncias percentuais diferentes, o que é uma prática muito comum, a carga se distribuirá diferentemente em cada unidade de transformação. Para

determinação da distribuição de carga entre as diferentes unidades de transformação, considerando um sistema de três transformadores em paralelo, utilizaremos as seguintes equações: 1º Passo: Calcular o valor da impedância média de curto circuito

Onde, Pntx

± Potência nominal do transformador x

Zntx ± Impedância percentual do transformador x. 2º Passo: Calcular o carregamento individual de cada transformador

Pc

± Potência consumida pela carga

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS 2.3

Aspectos Construtivos

Os transformadores de potência são constituídos, construtivamente, por diversos componentes que se distribuem entre três grupos distintos, sejam eles: Componentes Principais, Componentes Auxiliares e Componentes Acessórios. Os componentes principais, também denominados de parte ativa, são aqueles que são a própria essência de um transformador, isto é:  Núcleo;  Bobinas. O meio refrigerante interno e os níveis de tensão de um transformador de potência definem os Componentes Auxiliares, são eles:  Tanque;  Meio Refrigerante;  Buchas. Os Componentes Acessórios correspondem a um grupo de componentes que permitem monitorar, controlar e proteger os transformadores de potência. A quantidade de componentes acessórios é função da tensão dos enrolamentos e da potência nominal do transformador como está definido na NBR 5356, bem como por seu tipo de refrigeração. Os componentes acessórios são:  Tanque de Expansão;  Respirador;  Dispositivo de alívio de pressão;  Indicador externo de nível de óleo;  Indicador de temperatura do enrolamento;  Válvula de drenagem de óleo;  Relé detetor de gás tipo Buchholz;  Comutador de tapes sem tensão;  Caixa de terminais de cabos de controle;  Meios para locomoção;  Válvula para carga de gás inerte. Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS O núcleo de um transformador, conforme sua construção, pode ser de dois tipos: Tipo

Envolvente ou Tipo Shell: Permite redução da altura; possui travessas horizontais menores; impedância de seqüência positiva igual à impedância de seqüência zero; e seu enrolamento é envolvido pelo circuito magnético.

Tipo

Envolvido ou Tipo Core: É mais comum; possui fabricantes brasileiros; impedância de seqüência zero diferente da de seqüência positiva; enrolamento envolve o circuito magnético.

Os enrolamentos de um transformador, assim como o núcleo, também podem ser de dois tipos distintos: Tipo

camada: É o caso mais comum de enrolamento, consiste num único enrolamento, enrolado continuamente, em formato helicoidal com espiras sucessivas. Muito utilizados em transformadores transf ormadores de distribuição.

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Tipo

panqueca: É constituído de várias seções ou pequenas bobinas interligadas em série, montadas montadas verticalm verticalmente. ente. Do ponto de vista de manutenção, são mais econômicas, pois em caso de queima, basta trocar o enrolamento queimado.

Os transformadores, quanto ao meio refrigerante interno, se classificam em dois grandes grupos: transformadores à seco e transformadores à líquido isolante.  Transformadores à Seco: Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Isolamento em ar; Isolamento em resina epoxi.  Transformadores à Líquido Isolante: Óleo Mineral: -Naftênico; -Parafínico. Óleo Vegetal  Líquido Isolante Sintético: -Ascarel; -Silicone. É importante salientar que embora ainda existam transformadores de potência à ascarel em operação, este líquido isolante está proibido de ser comercializado no país, pois trata-se de componente tóxico, cancerígeno e não solúvel em água. Embora a grande maioria dos transformadores de potência em operação no mundo seja a óleo, os transformadores a seco em resina epoxi têm tido uma grande e crescente aplicação nos sistemas elétricos, devido a sua segurança e reduzida manutenção. Os transformadores a seco possuem utilização quase obrigatório em sistema elétricos especiais como plataformas de petróleo, hotéis, aeroportos e hospitais. Componentes auxiliares: Transformadores

a líquido isolante: Existem quatro tipos de líquido isolante utilizados em transformadores- óleo mineral, óleo vegetal, silicone e ascarel.

Transformadores

a seco: Por ser mais caros que os a líquido isolante, são mais utilizados em ambientes específicos, onde a probabilidade de incêndio é maior e se faz necessário trabalhar com o mínimo de inflamáveis possível. Normalmente os enrolamentos primários são construídos em fita de alumínio e o enrolamento secundário em folhas finas de alumínio, com altura da chapa igual a altura da bobina. O encapsulamento encapsula mento dessas bobinas pode ser do tipo reforçado ou sob vácuo. Observação: As bobinas dos transformadores a seco são em alumínio porque este material tem o coeficiente de dilatação muito parecido com o epóxi, que é o material que isola as mesmas, e há a dilatação de ambos quando o transformador aquece, fazendo com que os esforços resultantes sejam compatíveis com os métodos de construção empregados. Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Tanque:

É a parte do transformador destinada a abrigar a parte ativa e o óleo isolante. isolante. Se apresenta em tamanho tamanho e formatos diversos, podendo ter acoplado acoplado radiadores ou não. Está sujeito a processos processos acelerados de corrosão e a fortes pressões, devendo ser a espessura de sua chapa especificada de acordo com as normas, assim como o tratamento das chapas. Sistemas de resfriamento: Os processos de transferência de calor, em geral, acontecem de três formas: Condução, radiação e convecção. Nos transformadores, essa transferência se dá por convecção, e pode ocorrer de forma natural ou forçada. Na forma natural, o óleo quente sobe e o refrigerado desce, através do processo normal e lento, a forçada parte do mesmo princípio, porém, nesse caso, são utilizadas bombas de óleo para fazer a troca de calor de maneira mais eficaz. Buchas: Têm a função de interligar os enrolamentos do tanque com o meio externo, ou seja, são as terminações do transformador, local por onde ele é interligado ao meio externo. Devem ser capazes de transportar transport ar as correntes dos equipamentos em regime normal e de sobrecarga, de manter a isolação tanto para a tensão nominal quanto para as sobre-tensões e resistir aos esforços mecânicos. Podem ser do tipo capacitivas ou não-capacitivas. Não-capacitivas: Sua isolação é constituída só de porcelana para tensões até 25kV, para isolação até 69kV é utilizado isolante sólido do tipo herkolite. Capacitivas: São fabricadas para tensões de 25kV até 765kV. Em volta volta do condutor central são colocados cilindros condutores concêntricos para formar superfícies equipotenciais e melhorar melhorar a distribuição distribuição de tensão. É isolado com óleo ou massa isolante, o capacitor é colocado dentro da porcelana com óleo mineral ou massa isolante, pressionado contra a gaxeta. Possuem indicador de nível de óleo e câmara de extinção. Conservador de líquido isolante: É um reservador fixado acima da carcaça, nos tanques a expansão, é destinado a receber o óleo quando esse se expande, devido aos efeitos efeit os do aquecimento por perdas internas. Os tanques a expansão podem utilizar o relé Buchholz, que verifica se existe gás no transformador. transfor mador. Não são são indicados para ambientes com com intensa poluição. Transformadores

selados são aqueles em que existe uma camada de gás inerte entre a tampa e o líquido isolante, normalmente 15cm, e quando o óleo se expande cria uma força resultante no tanque.

A umidade entra no transformador através da ³respiração do mesmo´ com a variação de carga pesada e leve o óleo aquece e resfria, nesse processo, o mesmo acaba absorvendo umidade. Secador de ar: Recipiente contendo silica-gel, produto químico de cor azulada com grande capacidade de absorção da umidade, sendo necessária a sua Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS troca periodicamente, quando a cor da silica-gel mudar para rosa. A silica-gel pode ser secada em estufa, voltando a obter a cor azul e podendo ser reutilizada, porém, até chegar um ponto em que a cor será branca, nesse ponto a silica-gel satura e deve ser utilizada uma nova. Comutador de Derivação: Para realizar a mudança de derivação (tape) a norma estabelece que o sistema seja de comando rotativo, com mudança simultânea nas três fases, para operação sem tensão com comando interno e acessível, através de abertura para inspeção. inspeção. O comando do comutador comutador deve ser instalado acima do nível de óleo para não contaminar o mesmo. Por ser a única peça móvel do transformador, é o ponto mais mais sujeito a falhas. falha s. Sua função básica é elevar/baixar o nível de tensão no secundário de acordo com as variações de tensão do primário. Placa

de identificação: Deve ser de alumínio anodizado ou aço inox, fixada na área externa do transformador, através de rebites e resistente à corrosão, e deve conter as principais informações elétricas e funcionais do mesmo.

Termômetro:

Ficam localizado na parte superior do tanque, possuem contatos auxiliares que indicam temperaturas de alarme e desligamento, desliga mento, por exemplo, sendo os mesmos ajustáveis e independentes. Pode ser utilizada sonda. Termômetro

de imagem térmica: Técnica comumente utilizada para medir a Tem este nome por temperatura nos enrolamentos do transformador. reproduzir indiretamente indireta mente a temperatura do enrolamento. Este sistema é composto de uma resistência de aquecimento e um sensor de temperatura simples ou duplo, ambos encapsulados e montados em um poço protetor imerso em uma câmara de óleo, indicando assim a temperatura do ponto mais quente do enrolamento. A resistência de aquecimento aqueciment o é alimentada por um trafo de corrente associado ao enrolamento secundário do transformador principal. Indicador de nível de óleo: Mede o nível de óleo, normalmente possui dois contatos auxiliares, um para indicar atingimento do nível mínimo e outro para o nível máximo. Segundo norma, devem possuir possui r bóia, cujos contatos devem ser ser disponibilizados para sinalização ou até atuação de disjuntor, quando projetado. Caixa de comando e proteção: Local do transformador onde, normalmente, são reunidos os contatos auxiliares dos instrumentos instrument os existentes existente s no mesmo. mesmo. São fixadas à carcaça do transformador, diretamente ou através de dispositivos anti-vibratórios. Dispositivo para retirada da amostra de óleo: Normalmente consta de uma válvula de drenagem provida de bujão.

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS Válvula para alívio de pressão: As válvulas utilizadas para esta finalidade devem possuir contatos elétricos auxiliares a fim de permitir o desligamento do disjuntor de proteção. A diferença entre em relé de súbita pressão e uma válvula de alívio de pressão é a de que o primeiro atua durante a ocorrência de uma variação instantânea de pressão interna, enquanto a segunda opera na eventualidade de a pressão ultrapassar um limite pré-estabelecido. Os transformadores dotados de ventilação forçada são designados através de dois valores de potência nominal, como por exemplo, 5/6, 25 kVA, sendo que o primeiro valor refere-se à potência do equipamento sem o funcionamento dos ventiladores, enquanto o segundo valor considera a capacidade nominal do equipamento com o funcionamento de todos os estágios do sistema de ventilação forçada. Relé de gás ou buchholz: É constituído de duas bóias, uma superior que é forçada a descer se há um acúmulo excessivo de gás no mesmo, se uma produção excessiva de gás provoca uma passagem de óleo no relé, quem atua é a bóia inferior. É utilizado em transformadores transfo rmadores com tanque de expansão, é instalado no tubo que liga o tanque ao conservador, atua nos casos de súbita variação no nível do óleo, essas variações são decorrentes de descargas internas, vazamento de óleo, e defeitos entre espiras, entre partes vivas e entre partes vivas e a terra. Sistema de secagem com bolsa de ar: A selagem é feita através de uma bolsa de neoprene cheia de ar, essa bolsa aumenta ou diminui de volume de acordo com as variações do volume do óleo dentro do transformador. Tubo

de explosão: Consiste de um tubo que de um lado é conectado ao tanque e do outro possui um disco de ruptura, quando a pressão dentro do tanque eleva muito, esse disco é acionado fazendo cair a pressão interna do tanque. Características elétricas dos transformadores: Potência nominal, tensão, corrente, freqüência nominal, sistema de refrigeração.

O processo de fabricação do transformador começa pelo núcleo, uma guilhotina corta no formato e dimensões do projeto, a medida que a chapa é cortada, a própria guilhotina executa o empilhamento inicial. Num processo paralelo, as bobinas são enroladas, tanto os enrolamentos primários quanto os secundários. Os processos de secagem da parte ativa podem ser ser realizados por estufa com ar quente; estufa com ar quente na presença de vácuo; estufa através de vapor vapor de solvente. solvente. O núcleo é constituído de colunas e travessas, que podem ser unidas através de juntas frontais ou de juntas encaixadas.

TRANSFORMADOR

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A ÓLEO Página 27


TRANSFORMADOR

A SECO

A figura abaixo traz um comparativo entre o transformador a óleo e o transformador a seco, em termos de dimensões e de peso.

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2.4

Auto-transformadores, Transformadores de Múltiplos Enrolamentos e Bancos de Transformadores 

Auto-transformadores

No transformador normal, cada enrolamento é projetado para suportar a potência nominal. É possível ligar os enrolamentos de forma a melhor aproveitar o material utilizado. Este equipamento é chamado de ³autotransformador´. O secundário de um autotransformador (ou o seu lado de baixa tensão) é tirado de uma derivação do enrolamento principal (ou primário). A figura a seguir mostra um desenho esquemático de um autotransformador.

Pode-se

analisar o autotransformador com se fosse um transformador de dois enrolamentos. O enrolamento 1 com N1 espiras e o enrolamento 2 com uma parcela das espiras do enrolamento 1, ou N2 espiras com N2 < N1. O fluxo concatenado sendo o mesmo, tem-se:

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS O equilíbrio ampère-espira também tem que ser obedecido:

Visto dos terminais, portanto, o autotransformador se comporta como se fosse um transformador de dois enrolamentos com relação de transformação ³a´. A vantagem do autotransformador é a capacidade, ou potência nominal, que é m muito uito maior que o transformador transfor mador normal. A principal desvantagem é que não há isolação entre os enrolamentos primário e secundário, o que não o torna recomendável para classes de tensão muito diferentes entre estes.



Transformadores de Três Enrolamentos

Em sistemas de energia elétrica é bastante comum a presença de um terceiro enrolamento nos transformadores de força, além dos enrolamentos primário e secundário. Este enrolamento é denominado terciário e é empregado para fornecer caminho para as correntes de sequência zero, para a conexão dos alimentadores de distribuição, para alimentar os serviços auxiliares das subestações de energia ou para conexão dos equipamentos empregados na compensação de reativos (normalmente bancos de capacitores). A figura a seguir mostra um transformador monofásico de três enrolamentos juntamente com o seu circuito equivalente em pu.

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS O ponto de junção mostrado no diagrama equivalente da figura a seguir é fictício e não possui qualquer relação com o neutro do sistema. sistema.

As impedâncias de qualquer ramo da figura acima podem ser determinadas através da impedância de curto-circuito entre os respectivos pares de enrolamentos, mantendo o enrolamento restante em aberto (ensaio de curto-circuito). curto-cir cuito). Desta forma, sendo a impedância obtida no ensaio no qual é aplicada tensão no enrolamento primário suficiente para fazer circular a corrente nominal quando o secundário está em curto-circuito e o terciário aberto, desprezando-se o ramo de magnetização (conforme mostrado na figura abaixo), tem-se:

Para

as demais combinações, tem-se:

As impedâncias de quaisquer ramos da figura acima podem ser determinadas resolvendo-se o sistema formado pelas equações anteriores, cuja solução é dada por:

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Notar que este modelo pode apresentar resistências e/ou reatâncias negativas. O significado físico de tais parâmetros pode parecer contrariar a natureza do equipamento mas deve-se levar em conta que o circuito equivalente representa o transformador a partir de seus terminais (portanto, os componentes não precisam possuir individualmente ligação direta com um enrolamento específico). Diferentemente dos transformadores de dois enrolamentos, os transformadores de três enrolamentos geralmente apresentam enrolamentos com potências nominais diferentes. 

Bancos de transformadores

Podemos

utilizar associação de transformadores monofásicos para formar um único transformador trifásico, associando seus enrolamentos de acordo com a funcionalidade requerida. Este procedimento, a despeito do caráter econômico envolvido, na medida em que três transformadores monofásicos é mais caro que um único transformador trifásico, apresenta flexibilidade de operação vantajosa em alguns casos. Se ocorrer uma contingência que implica inutilização de um transformador, sua substituição é rápida e menos onerosa que a substituição de um transformador trifásico e, dependendo ainda do tipo de conexão utilizado, o suprimento de energia pode ser parcialmente garantido com apenas dois transformadores, o que não ocorre quando um defeito acomete um transformador trifásico. Conexão Estrela-Estrela

A Figura a seguir mostra um banco trifásico constituído por três transformadores monofásicos, cujos enrolamentos primário e secundário são conectados em estrela (Y).

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O único cuidado nesta conexão é observar que os terminais da estrela são os terminais de mesma polaridade das unidades monofásicas. Sejam os valores do transformador monofásico: Snom: potência nominal V1nom: tensão nominal do primário V2nom: tensão nominal do secundário Os valores nominais do banco trifásico de transformadores resultam: Potência nominal do banco: Sbanco=3xSnom Tensão nominal de linha do primário: VB1=¥3x V1nom Tensão nominal de linha do secundário: VB2=¥3x V2nom

Conexão Conexão Triângulo-Triângulo

A Figura a seguir mostra um banco trifásico constituído por três transformadores monofásicos, cujos enrolamentos primário e secundário são conectados em triângulo ou delta ().

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Os valores nominais do banco trifásico de transformadores resultam: Potência nominal do banco: Sbanco=3xSnom Tensão nominal de linha do primário: VB1=V1nom Tensão nominal de linha do secundário: VB2=V2nom Conexão Estrela-Triângulo

A Figura a seguir mostra um banco trifásico constituído por três transformadores monofásicos, cujos enrolamentos do primário estão conectados em estrela (Y) e os enrolamentos do secundário conectados em triângulo ().

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Os valores nominais do banco trifásico de transformadores resultam: Potência nominal do banco: Sbanco=3xSnom Tensão nominal de linha do primário: VB1=¥3x V1nom Tensão nominal de linha do secundário: VB2=V2nom 2.5

Manutenção de Transformadores

A vida útil de um transformador depende, essencialmente, do grau de deterioração do seu isolamento. As bobinas e todas as ligações são isoladas com camadas de papel, composto por celulose especialmente tratada, cujos elementos básicos são o carbono, o hidrogênio e o oxigênio. A degeneração do isolamento consiste na degradação do grau de polimerização, produzindo CO e CO2 e deixando o isolante em forma de camadas cristalizadas e friáveis (quebradiças), podendo ser facilmente rompidas. A degradação do isolamento é função do tempo e da temperatura, sendo diretamente proporcional a esta. As bobinas do transformador estão imersas em óleo, o qual circula entre elas por efeito termo sifão, de baixo para cima, e leva o calor, gerado pelas perdas produzidas pela passagem da corrente elétrica no condutor, aos radiadores ou trocadores de calor para resfriá-lo. O ponto mais mais quente do óleo óleo no transformador se situa na parte superior da caixa onde se encontram as saídas para os radiadores. Neles o óleo circula de cima para baixo entrando na caixa pela parte inferior. As perdas devido ao núcleo do transformador e principalmente as perdas devido à passagem de corrente nas bobinas são responsáveis pelo aquecimento do óleo no seu interior. No caso do transformador do forno a arco, onde é necessário que a instalação seja o mais próximo possível do forno, há Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS uma elevação na temperatura ambiental, e então para aumentar a eficiência da refrigeração dos condutores, força-se à circulação do óleo no interior da caixa e do ar através dos radiadores. Portanto, são necessários trocadores de calor ³óleo água´ cujo elemento refrigerante é a água. É denominado ³gradiente de temperatura´ do cobre como sendo o salto de temperatura entre o condutor, com seu isolamento de papel, e o óleo. Uma pequena parcela deste salto se forma pela condução do calor através da fina camada de papel impregnada com óleo, mas a maior parcela se realiza pela transmissão de calor por convecção do isolamento ao óleo. Na operação de um forno a arco há grandes variações de corrente durante os períodos muito instáveis do arco, como ocorre durante a perfuração da sucata e início de fusão dos carregamentos. Mesmo nos pontos mais estáveis da operação a corrente não permanece estável. Considerando o elevado valor da constante de tempo de aquecimento e resfriamento, a temperatura do óleo e dos enrolamentos vai se situar num valor médio correspondente a uma potência média de perdas durante os períodos de operação. As temperaturas do óleo e dos enrolamentos são controladas por medidores de temperatura que podem acionar alarmes ou mesmo desligar o transformador quando elas forem ultrapassadas. Para a medição e controle da temperatura dos enrolamentos é comum o uso de um aparelho denominado de ³imagem térmica´, porque ele consegue reproduzir uma imagem dos enrolamentos sob o ponto da elevação de temperatura em relação ao óleo, apesar de não estar em contato com as bobinas. Podem existir nos enrolamentos algumas zonas em que, por erro de projeto ou por erro de montagem, a refrigeração tenha ficado deficiente. Então, a temperatura destes pontos não é detectada pela ³imagem térmica´, mas pode ser suficientemente elevada a ponto de diminuir consideravelmente a vida útil do transformador. A manutenção preditiva de transformadores deve ser realizada periodicamente com a utilização de análises físico-químicas e cromatográficas que se pode detectar vários sintomas. A seguir, estão apresentadas as técnicas de identificação de falhas de acordo com o padrão ABN T, a partir da análise cromatográfica do óleo isolante. Gás predominante Acetileno Quando grandes quantidades de hidrogênio e acetileno são produzidas no óleo, com pequenas quantidades de metano e etileno há a indicação de ocorrência de arco elétrico e o óleo pode ser carbonizado. Gás predominante Etileno Quando o óleo apresenta como produtos de decomposição o etileno e metano, juntamente com quantidades menores de hidrogênio e etano, há a indicação de superaquecimento do óleo. Gás predominante Hidrogênio Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS A formação de grandes quantidades de hidrogênio, com pequenas quantidades dos outros gases combustíveis são um sinal de decomposição eletrolítica da água ou decomposição da água associada com a ferrugem. A produção de hidrogênio e metano, porém com pequenas quantidades de etano e etileno e quantidades comparáveis de monóxido e dióxido de carbono é uma indicação de ocorrências de descargas parciais na celulose. Gás predominante Monóxido de carbono Grandes quantidades de dióxido e monóxido de carbono presentes no óleo são liberadas pela celulose superaquecida. Porém, quando há hidrocarbonetos gasosos presentes, como metano e etileno, a falha envolve uma estrutura impregnada em óleo. 2.6

1)

Exercícios Para

a alimentação de uma carga trifásica equilibrada de 150kVA, 220V fase-fase, a partir de um alimentador trifásico de 4500V fase-fase, 60Hz, será utilizado um banco trifásico constituído por 3 transformadores monofásicos idênticos. idênti cos. As características característi cas de cada um dos transformadores monofásicos e suas ligações primária e secundária, para o atendimento dos requisitos citados são: a) Potência nominal 50kVA, 2600/220 V, 60Hz, conexão estrelatriângulo; b) Potência nominal 50kVA, 4500/120 V, 60Hz, conexão triânguloestrela; c) Potência nominal 150kVA, 2600/220 V, 60Hz, conexão triânguloestrela; d) Potência nominal 150kVA, 2600/120 V, 60Hz, conexão estrelatriângulo; e) Potência nominal 50kVA, 4500/220 V, 60Hz, conexão estrelatriângulo;

2) Um transformador transf ormador monofásico monof ásico de potência pot ência nominal de 552kVA, 13800/2300V, 60Hz, apresenta perda no núcleo de 3880W quando opera em condições nominais de tensão e freqüência. freqüê ncia. A resistência do enrolamento do lado de alta tensão é de 6 ohms e a do lado de baixa tensão é de 0,2 ohms. Operando em condições nominais e fator de potência unitário, o rendimento aproximado deste transformador será de: a) 88,2% b) 89,4% c) 90,1% d) 92,0% e) 95,6%

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS 3) Um transformador rebaixador de tensão é usado em uma linha de 1650V, para fornecer forne cer 45A e 110V. A corrente que ela recebe, supondo um rendimento de 100%, será de: a) 3A b) 4A c) 5A d) 6A e) 6,25A 4) Um transformador transf ormador de 10.000kVA apresenta eficiência nominal de 99%. Em vazio, vazio, ele consome da rede 10kW. 10kW. Operando a 75% da da carga nominal, a perda por Efeito Joule é: a) 90kW b) 80kW c) 50,625kW d) 38,4kW e) 27,6kW 5) Se a regulação de tensão nominal nominal de um transformador transf ormador é 1,5%, pode-se afirmar que a sua tensão terminal operando em vazio é: a) 1,500 pu b) 1,150 pu c) 1,000 pu d) 1,015 pu e) 0,985 pu 6) O relé Buchholz detecta: a) A redução da resistência de isolamento; b) A formação de gases; c) A existência de curto-circuito interno; d) A elevação de temperatura e) A redução da rigidez dielétrica 7) A cor roxeada dos grãos de sílica gel de um transformador indica que o seu óleo isolante: a) Contém umidade; b) Está com com reduzida rigidez dielétrica; c) Contém borras; d) Está com elevado índice de acidez; e) Está com com reduzida tensão interfa interfacial. cial. 8) A carga do secundário de um transformador abaixador com uma razão de espiras de 5:1 é de 900ohms. A impedância do primário é: a) 180 ohms; Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS b) c) d) e)

4500 ohms; 22500 ohms; 32400 ohms; 36000 ohms.

9) Considerando que um transformador transf ormador de potência trifásico trif ásico com relação relação de tensões de linha 13,8kV/138kV, potência nominal igual a 100MVA e reatância equivalente série igual a 0,10 pu na base dos dados nominais do transformador seja submetido aos ensaios de curto-circuito e de circuito aberto para avaliação de alguns dos seus dados de placa, julgue os itens subsequentes: I ± O ensaio de curto-circuito é realizado com a finalidade de avaliação da relação entre as tensões primárias e secundárias do transformador. II ± Calculado em ohm, o valor da reatância equivalente série do transformador no enrolamento de alta tensão é igual a cem vezes o valor da mesma reatância referenciada ao lado de baixa tensão. III ± Por meio do ensaio de circuito aberto no transformador, é possível se determinar a regulação de tensão esperada para o transformador para funcionamento sob tensão nominal no lado de alta tensão. IV ± A impedância base que é utilizada para calcular a reatância equivalente em pu no lado de alta tensão apresenta valor superior a 169 ohms. V ± No ensaio de curto-circuito, é aplicada tensão nominal no lado de baixa tensão e, simultaneamente, é aplicado um curto-circuito aos terminais de alta tensão do transformador e efetuadas medidas de tensão e de corrente no lado de baixa tensão. Estão certos apenas os itens: a) b) c) d) e)

I e II; I e V; II e IV; III e IV; III e V.

10) Um cliente adquiriu de uma empresa fabricante de transformadores uma unidade monofá monofásica sica para atendimento atendi mento de sua instalação elétrica. O transformador adquirido, entre outros dados típicos, contém as seguintes informações: relação de transformação: 500V/100V, 60Hz, potência igual a 1kVA, impedância série equivalente referenciada ao lado de alta tensão composta por uma resistência igual a 1 ohm e reatância igual a 2 ohms. Considere que o transformador supre, em seu lado de baixa baixa tensão, uma carga de 1kVA e que as perdas no núcleo de ferro são Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS desprezíveis. desprezívei s. Essa carga apresenta fator de potência unitário e o transformador opera com tensão igual a 100V no lado de baixa tensão. Com relação às características e ao funcionamento desse transformador para atender a carga, assinale a opção INCORRE T A: a) A regulação de tensão nesse transformador na condição de funcionamento é inferior a 8%; b) A tensão necessária no lado de alta tensão para atender a carga carga deve ser superior a 500V; c) A impedância série do transformador, caso fosse desconhecida, poderia ser estimada por meio de ensaio de curto-circuito nesse equipamento; d) As perdas elétricas em razão de efeito jáulico (perdas ativas) nesse transformador, possivelmente, superam 20W; 11) Considere que um ttransformador ransformador de po potência tência trifásico tenha sido submetido aos ensaios de curto-circuito e a vazio para avaliação de algumas de suas características. caracterí sticas. A respeito desses ensaios no transformador, transformador, assinale a opção INCORRE T A: a) A reatância de magnetização do transformador transf ormador é estimada a partir dos dados obtidos do ensaio em curto-circuito; b) Por meio do ensaio a vazio, é possível estimar a relação de transformação aproximada do transformador; c) As perdas nos enrolamentos do transformador podem ser estimadas a partir das informações colhidas do ensaio em curtocircuito; d) As perdas no núcleo ferromagnético podem ser estimadas a partir partir do ensaio a vazio. 12) Uma indústria indúst ria tem te m uma carga trifásica trifási ca equilibrada equilibrad a de 4450kVA, 50kVA, 380V (fase-fase) que deverá ser alimentada através de uma linha primária de distribuição de 69kV (fase-fase). Para este objetivo será utilizado um banco trifásico equilibrado, constituído de 3 transformadores monofásicos idênticos. Abaixo são dadas várias possibilidades possibilidade s de configuração para este banco e a especificação para cada um dos transformadores transfor madores monofásicos. A única alternativa alte rnativa que atende às especificações é: a) b) c) d)

Ligação Y-Y; Y-Y; 150kVA; (69/raiz3)kV: 220V Ligação delta-Y; 150kVA; 69kV: 127V Ligação Y-delta; 150kVA; 150kVA; (69/raiz3)kV: 220V Ligação delta-delta; 150kVA; 69kV: 220V.

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS 13) Quando um transformador transf ormador de potência tem t em as seguintes seguint es características caracter ísticas 13,8kV A T e 220/127V B T, isto significa que a ligação do transformador é: a) b) c) d)

Delta - Y Y - Delta Y-Y Delta - Delta.

14) Um transformador transf ormador trifásico t rifásico com potência nominal de 500kVA, possui tensões nominais de linha de 5000V no primário e 200V no secundário. O primário está ligado em triângulo e o secundário secundário em estrela. estrela. O valor da corrente nominal de fase no primário, em ampére, é aproximadamente: a) b) c) d) e)

28,8 33,3 38,8 43,3 48,8

15) Dois transformadores transfor madores trifásicos trifási cos de mesmas tensões nominais no primário e secundário, ambos com ligação no primário em triângulo e no secundário em estrela e com idêntico deslocamento angular no primário e secundário, um com potência nominal de 500kVA e impedância de 5% e o outro com potência nominal de 750kVA e impedância de 7,5%, são instalados ligados em paralelo. Quando a carga ligada ao secundário dos dois for 800kVA, o transformador de 500kVA transportará, aproximadamente, carga, em kVA, de: a) b) c) d) e)

240 280 320 360 400

16) Um transformador transf ormador trifásico trifási co de 500kVA, com tensões nominais 13200/380V, possui o primário ligado em triângulo e o secundário ligado em estrela e alimenta uma carga equilibrada de 300kW com fator de potência 0,8. A corrente corrente de linha absorvida pelo enrolamento primário primário do transformador, em ampére, vale aproximadamente: a) 7,1 Delirose Ramos

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS b) c) d) e)

10,3 13,5 16,7 19,9.

17) Considere:

A corrente absorvida pelo enrolamento primário do transformador da figura acima, em ampére, vale, aproximadamente: a) 0,55 b) 0,66 c) 0,77 d) 0,88 e) 0,99. 18)Um transform t ransformador ador possui as especificações especificações seguintes:110V/15V, seguintes:110V/15V, 30W e rendimento igual a 90%. Se no secundário for instalada uma uma carga de 10 ohms, a corrente no primário será, aproximadamente, de: a) b) c) d) e)

90mA 150mA 230mA 480mA 560mA.

19) A fim de se reduzir as a s perdas devido ao efeito das correntes parasitas para sitas (Foucault) em um transformador de potência, é necessário: a) Aumentar o valor da indução magnética nas lâminas de ferrosilício. b) Aumentar a freqüência do sinal alternado

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS c) Reduzir o valor das resistências dos enrolamentos primário e secundário d) Reduzir a espessura e spessura da chapa cha pa do núcleo nú cleo do ferro f erro do transformador 20) Para que um transformador, trabalhando em regime de plena carga, tenha um rendimento máximo, é necessário que os (as): a) Valores das impedâncias imped âncias dos do s enrolamentos enrolam entos primários p rimários e secundários sejam iguais. b) Perdas nominais no ferro e no cobre sejam iguais c) Perdas nominais por histerese sejam o dobro das perdas nos enrolamentos por efeito joule d) Valores das perdas por histerese e Foucault, no núcleo de ferro do transformador, sejam iguais. 21) No caso dos transformadores t ransformadores de potência, a relação não linear entre e ntre o fluxo de magnetização e a corrente de excitação correspondente é chamada de: a) b) c) d)

Harmônicos. Efeito Ferranti Histerese Força Magnetomotriz

22) O ensaio a vazio em transformadores tem como finalidade determinar: a) Perdas no cobre. b) Impedância percentual c) Perdas por histerese e Foucault d) Resistência dosenrolamentos 23) A fim de se garantir garanti r que os óleos ó leos isolantes cumpram a finalidade f inalidade de garantir um perfeito isolamento entre os componentes do transformador e dissipar o calor produzido nos enrolamentos e no núcleo, é necessária a realização de testes do tipo: a) b) c) d)

Descarga eletrostática. eletrost ática. Controle de pressão Filtragem Rigidez dielétrica

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS 24) Um transformador trifásico, de potência 750kVA,13,8kV delta (A T) e 220/127Vestrela aterrado (B T), alimenta uma carga de 600kW com fator de potência 0,8 indutivo. O valor de corrente de linha, em ampéres, no lado da alta tensão é, aproximadamente, igual a: a) b) c) d)

26,28. 31,38 38,54 54,35

25) Um transformador transf ormador trifásico, ligado em estrela-delta, relação de transformação ³a´, é alimentado por uma tensão de linha ³V´ e uma corrente de linha ³I´. Determine as relações secundárias de tensão de linha e corrente de linha, respectivamente: a) b) c) d) e)

V/a e aI. V/raiz(3)a e raiz(3)aI V/a e aI/raiz(3) Raiz(3)aV e I/raiz(3)a aV e I/a

26) Um transformador tran sformador trifásico, t rifásico, de potê potência ncia 75kVA,13,8kV 75kVA, 13,8kV (delta) (de lta) (A T) e 380/220V estrela, aterrado (B T) alimenta uma carga de 69kW com fator de potência 0,92 indutivo. O valor da corrente de linha em ampéres,no lado de baixa tensão é, aproximadamente, igual a: a) b) c) d)

68,5A. 113,95A 196,82A 252,4A

27) Um transformador transf ormador com núcleo de ferro f erro funcionando fun cionando numa linha de 120V possui 500 espiras no primário e 100 espiras no secundário. A tensão no secundário é de: a) b) c) d) e)

600V. 120V 50V 24V 12V

28) Um transformador transf ormador ideal de 4,6kVA, 2.300/115V,freqüência 2.300/1 15V,freqüência de 60Hz, foi f oi projetado para ter uma uma f.e.m. f.e .m. induzida de 2,5V/espira. Determinar o

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS número de espiras do enrolamento de alta (Na) e as correntes nominais para os enrolamentos de alta (Ia) e de baixa (IB) a) b) c) d) e)

Na = 920 espiras, espiras, Ia = 2mA e Ib = 40mA. Na = 460 espiras, espiras, Ia = 40A e Ib = 2A. Na = 1.840 espiras, espiras, Ia = 2mA e Ib = 40mA. Na = 460 espiras, espiras, Ia = 20A e Ib = 4A. Na = 920 espiras, espiras, Ia = 2A e Ib = 40A.

29)Um banco transformador trifásico é formado por três transformadores transformadores monofásicos. Se o transformador transfo rmador trifásico trifá sico é utilizado para abaixar a tensão de 230kV para 69kV (tensões de linha) e encontra-se ligado estrela-delta, qual a é a relação de transformação de cada transformador monofásico? a) b) c) d) e)

230:69kV. 230/raiz(3):69/raiz(3)kV. 230:69/raiz(3)kV. 230raiz(3):69kV. 230/raiz(3):69k.

30) Um transformador transf ormador de potência T1 de 1000kVA, 13800V:380V, impedância de 5%, conectado em Dyn1, é colocado em paralelo com um transformador T2 de 500kVA, 13800V:380V, impedância de 4,5%, conectado em Dyn1. É possível afirmar que: a) A carga total que pode ser alimentada sem sobrecarregar nenhum dos transformadores é de 1200kVA. b) A carga total que pode ser alimentada sem sobrecarregar nenhum dos transformadores é de 1300kVA. c) A carga total que pode ser alimentada sem sobrecarregar nenhum dos transformadores é de 1400kVA. d) A carga total que pode ser alimentada sem sobrecarregar nenhum dos transformadores é de 1500kVA. e) Os transformadores transformadores T1 e T2 não podem operar em paralelo.

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APOSTILA DE MÁQUINAS ELÉTRICAS GABARITO

1

A

7

A

13

A

19

D

25

B

2

E

8

C

14

B

20

B

26

B

3

A

9

C

15

E

21

A

27 27

D

4

C

10

D

16

D

22

C

28

E

5

D

11

A

17

A

23

D

29

E

6

B

12

A

18

C

24

B

30

C

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Máquinas Elétricas_Capítulo 2

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