UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ – UFC CENTRO DE TECNOLOGIA – CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE Laboratório de Máquinas Elétricas – 2016.1
RELATÓRIO DA PRÁTICA 07 LIGAÇÃO ESTRELA-ESTRELA
Equipe: BRUNO DANTAS GOMES
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MARCUS DAVI DO NASCIMENTO FORTE
337359
VINICIUS ALEXANDRE DE MESQUITA
364051
Professor: Dr. JOSÉ ALMEIDA DO NASCIMENTO (QUINTA-FEIRA – 14:00-16:00) 14:00-16:00) Turma: 02C (QUINTA-FEIRA
Fortaleza 19/05/2016
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Sumário
1.
Introdução ............................................................................................................. 3
2.
Objetivos ...............................................................................................................5
3.
Material Utilizado ..................................................................................................5
4.
Procedimento Padrão .............................................................................................6
5.
Conclusão............................................................................................................ 14
6.
Referências .......................................................................................................... 15
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1. Introdução Transformadores polifásicos podem realizar as ligações de seus terminais de várias maneiras. Uma das ligações mais importantes é a ligação do tipo Estrela-Estrela. Trata-se em conectar as tensões de linha da fonte de tensão aos terminais estrela do primário do transformador e conectando um ponto neutro comum, conforme a figura 1 abaixo. Figura 1 – Ligação Estrela no primário e secundário
Fonte: www.mspc.eng.br/elemag/im01/div_trif02.png Figura 2 – Ligação Física de Transformador Trifásico
Fonte: macao.communications.museum/images/exhibits/2_4_2_4_por.png
Na no transformador de ligação estrela-estrela, as tensões de fase correspondem à tensão de linha sobre √ 3. Na situação de circuito aberto, ou seja, sem carga, as correntes harmônicas no primário provenientes da não linearidade da relação corrente-fluxo não possuem caminho para circulação. Este fato faz com que as tensões nas bobinas não mais tenham o formato senoidal da tensão de linha, que se reflete no secundário do transformador. O formato das tensões obtidas são comentadas no procedimento experimental. Quando conectado a uma carga, surge outro problema da ligação estrela com o neutro flutuante, em que quaisquer desequilíbrio de carga no 3
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secundário provocará o deslocamento do neutro elétrico devido às correntes no primário não poderem circular por um caminho sem afetar as outras tensões. Mais um problema é que quando ocorre a falte de uma das fases do primário, todas as bobinas do secundário deixarão de produzir tensão. Figura 3 – Neutro Elétrico
Fonte: www.casadotransformador.com.br/media/img/produtos/trafo-oleo-750_5000kva(1).png
Existem duas maneiras de resolver este problema. 1. Conectando-se o neutro do primário ao neutro da alimentação. Esta ligação permite a circulação das correntes de desequilíbrio e das correntes harmônicas. É importante citar que esta solução se mostra inviável no sistema elétrico, visto que não se porta o quarto condutor de neutro da geração de energia até o sistema de distribuição. 2. Acrescentar um enrolamento terciário ligado em delta ( ∆ ). A ligação delta tem a vantagem de reter as correntes harmônicas. Esta ligação torna-se mais complexa quanto maior for a potência do transformador. As principais vantagens da ligação estrela são: 1. Baixo custo para altas tensões e baixas correntes 2. Possibilidade de ligação do quarto condutor para fornecimento de tensões menores 3. Fácil conexão
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2. Objetivos
Verificar o desempenho da ligação YY utilizando um banco de transformadores monofásicos;
Verificar o desempenho da ligação YY quando alimentando cargas equilibradas e desequilibradas;
Estudar os harmônicos produzidos na ligação YY.
3. Material Utilizado
1 Transformador Trifásico 4 kVA;
1 Autotransformador Trifásico (TSGC 2 Voltage Regulator – 9 kVA/ 0 – 430-V);
3 Bancos de Transformadores Monofásicos - Mod. III A531;
1 Multímetro Digital;
1 Osciloscópio Digital;
Cabos macho/macho (tipo banana), tamanhos variados.
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4. Procedimento Padrão 4.1. Ligação estrela-estrela sem neutro aterrado (não conectado ao centro estrela da fonte) 4.1.1. Tensão de fase do secundário Realizou-se a montagem do banco trifásico estrela-estrela, conforme figura indicada no manual de práticas e apresentar a seguir, e em seguida alimentou-se com 125 V de linha. Figura 04. Ligação trifásica Y-Y
Fonte: Manual de Práticas – Máquinas Elétricas I, 2016.
Com o auxílio de um osciloscópio, observou-se a forma de onda da tensão de uma fase no primário e uma fase do secundário, conforme indicam as figuras a seguir: Figura 05. Forma de onda da tensão de fase no primário do transformador Y-Y sem neutro aterrado.
Fonte: O próprio autor
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ – UFC CENTRO DE TECNOLOGIA – CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE Laboratório de Máquinas Elétricas – 2016.1 Figura 06. Forma de onda da tensão de fase no secundário do transformador Y-Y sem neutro aterrado.
Fonte: O próprio autor
Observou-se que tanto no primário quanto no secundário a forma de onda é não senoidal. Isso ocorreu devido à não linearidade do fluxo gerado no transformador, devido a saturação, além da presença de componentes de 3ª harmônica principalmente. Observa-se que, embora a tensão de linha do primário tenha sido alimentada por uma onda senoidal, esse sinal não se observou na tensão de fase, pois como o neutro não está conectado. Assim, a forma de onda encontrada no secundário foi a mesma do primário, pois elas mudam apenas em módulo, visto que é uma ligação Y-Y.
4.1.2. Tensão de linha do secundário Verificou-se a forma de onda de fase-fase do secundário, e observou-se o seguinte: Figura 07. Forma de onda da tensão de linha no secundário do transformador Y-Y sem neutro aterrado.
Fonte: O próprio autor 7
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Como mostrado na figura acima, a forma de onda encontrada foi senoidal. Isso aconteceu devido ao fato de que as tensões de fase possuírem terceiras harmônicas e ao se subtraírem para compor a tensão de linha, elas se anulam, gerando uma tensão senoidal. Por outro lado, imaginando-se que a fonte seja um barramento infinito, a tensão imposta por esta não deverá se alterar conforme a carga.
= () + (3) = ( − 120) + (3) = − = () − ( − 120) = √ 3 ( + 30)
4.2. Ligação estrela-estrela com neutro aterrado (conectado ao centro estrela da fonte) Ligou-se o centro-estrela do primário ao neutro da fonte e observou-se as formas de onda mostradas nas figuras seguintes. Figura 08: Forma de onda da tensão de linha no primário do transformador Y-Y com neutro aterrado.
Fonte: O próprio autor Figura 09: Forma de onda da tensão de fase no primário do transformador Y-Y com neutro aterrado.
Fonte: O próprio autor 8
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ – UFC CENTRO DE TECNOLOGIA – CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE Laboratório de Máquinas Elétricas – 2016.1 Figura 10: Forma de onda da tensão de linha no secundário do transformador Y-Y com neutro aterrado.
Fonte: O próprio autor Figura 11: Forma de onda da tensão de fase no secundário do transformador Y-Y com neutro aterrado.
Fonte: O próprio autor
Como pode-se observar, todas as formas de onda apresentaram formato senoidal, isso ocorreu devido ao fato de que ao conectarmos o neutro da fonte, apareceu um caminho para que as componentes de terceira harmônica da corrente, permitindo a formação da tensão senoidal. Assim, devido ao primário apresentar formato senoidal, esse é refletido no secundário.
4.3. Corrente no centro estrela do transformador Através de uma ponteira de corrente, observou-se a corrente presente no neutro do primário.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ – UFC CENTRO DE TECNOLOGIA – CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE Laboratório de Máquinas Elétricas – 2016.1 Figura 12: Forma de onda de corrente no neutro do primário do transformador.
Fonte: O próprio autor
Como esperado, observou-se que no neutro foi encontrado uma forma de onda cuja frequência apresentou aproximadamente 180 Hz, ou seja, aproximadamente três vezes a frequência fundamental da rede (60Hz). As componentes de terceira harmônica da corrente que não se anularam fluíram pelo neutro.
4.4. Conexão de cargas monofásicas ao secundário com neutro isolado Desligou-se a alimentação do circuito e em seguida foi desfeita a ligação entre o neutro da fonte e o ponto comum do primário do transformador, isolando novamente o neutro. Conectou-se uma carga monofásica (lâmpadas em paralelo), como mostra a figura a seguir. Figura 13: Banco trifásico Y-Y alimentando uma carga monofásica.
Fonte: Manual de Práticas – Máquinas Elétricas I, 2016. 10
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Tensão de fase
Conectou-se o osciloscópio de forma a observar a forma de onda da tensão entre o neutro do primário do transformador e o neutro da fonte. Em seguida, utilizando outro canal, observou-se V an. Figura 14: Forma de onda da tensão entre o neutro do primário e o neutro da fonte (em amarelo) e tensão de fase (em azul), sem carga.
Fonte: O próprio autor
Quando a carga é nula, a tensão no neutro do primário é dada pelas componentes de terceira harmônica como observado no início da prática. Além disso, a tensão de fase não é senoidal, como explicado anteriormente. Figura 15: Forma de onda da tensão entre o neutro do primário e o neutro da fonte (em amarelo) e tensão de fase (em azul), com carga.
Fonte: O próprio autor
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Ao adicionar carga, a tensão do neutro aumenta e distorce. Isso ocorre porque colocando-se carga em apenas uma das fases do transformador, o centro estrela do primário se desloca (deslocamento do neutro), fazendo com que a tensão no neutro aumente e a tensão de fase fique deformada.
Tensão de linha
Em seguida, desligou-se a alimentação, as cargas e o osciloscópio, de modo que mudou-se as ponteiras de forma a monitorar as tensões de fase e linha no secundário, à medida que as lâmpadas foram ligadas uma a uma. Pelas formas de onda observada no secundário, a tensão de linha é senoidal e não se altera com o incremento da carga. Isso ocorre porque a tensão no secundário é imposta pela tensão do primário, e a tensão de linha no primário é senoidal. No entanto, a tensão de fase altera-se com o incremento da carga pois o neutro no triângulo de tensões é deslocado, consequentemente aumentando a tensão de fase.
4.5. Conexão de cargas monofásicas ao secundário com neutro conectado à fonte Desligou-se a alimentação e conectou-se o neutro do primário ao neutro da fonte. Energizou-se o circuito novamente e pudemos observar as seguintes formas de onda: Figura 16: Forma de onda da tensão linha (em amarelo) e tensão de fase (em azul), sem carga.
Fonte: O próprio autor 12
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ – UFC CENTRO DE TECNOLOGIA – CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE Laboratório de Máquinas Elétricas – 2016.1 Figura 17: Forma de onda da tensão linha (em amarelo) e tensão de fase (em azul), com carga.
Fonte: O próprio autor
Nos dois casos, sem e com carga, tanto as tensões de linha quanto as de fase foram senoidais e não sofreram alteração com o desequilíbrio do secundário. Isso ocorre porque, com a conexão do neutro no centro estrela do primário, se impôs uma tensão senoidal na fase do primário do transformador, fazendo com que a fase do secundário também fosse senoidal. A tensão de linha já permanecia constante, como visto no caso anteriormente estudado. A circulação de corrente de desequilíbrio ocorre pelo centro estrela, não havendo o deslocamento do neutro.
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5. Conclusão Foi possível observar os efeitos da ligação estrela-estrela no transformador, assim como o comportamento da tensão e a observação do impacto da componente de terceira harmônica no sinal de tensão. Quando não houve a conexão do neutro do transformador à fonte no item 4.1, foi possível observar o formato de onda da tensão, que não foi senoidal devido à componente de terceira harmônica provocado pela não linearidade do fluxo de magnetização. Como o fluxo tem uma relação direta com a corrente, consequentemente a corrente também não será senoidal e a circulação de correntes da componente de 3ª harmônica em circuitos trifásicos sem ligação do neutro provocam uma distorção do sinal de tensão, pois não há a circulação da corrente para o neutro. Como as correntes de 3ª harmônica estão em fase, a tensão deverá se deformar para que resulte este efeito. Isto ficou evidenciado através das figura 05 e 06. No item 4.2, conectou-se o neutro do transformador à fonte, havendo assim um caminho para a circulação da corrente de terceira harmônica. Sob outra ótica, o circuito trifásico poderia ser decomposto em três circuitos monofásicos independentes, compartilhando somente o neutro, com a circulação da corrente de 3ª harmônica ocorrendo através do condutor neutro conectado à fonte. Assim não houve a distorção do formato de onda da tensão, ficando praticamente uma senoide pura, como mostrado nas figuras 08, 09, 10 e 11. A corrente no neutro isolado do primário do transformador foi observada no item 4.3, e verificada sua frequência de aproximadamente 180 Hz, evidenciando a componente de 3ª harmônica. O efeito da adição de cargas a um circuito trifásico sem neutro foi praticado no item 4.4, e suas formas de ondas capturadas para estudo. Percebe-se que, além dos problemas causados pela não circulação da corrente de 3ª harmônica pelo neutro, ainda há o deslocamento do neutro devido o desbalanceamento das cargas, que influenciam diretamente na tensão de fase de cada bobina. Realizou-se o mesmo experimento no item 4.5, porém com a conexão do neutro da fonte ao neutro do transformador (centro estrela). O resultado foram tensões 14
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com seus formatos de onda bem definidos (senoide com a componente fundamental) e a não ocorrência do desequilíbrio das tensões pelo deslocamento do neutro, pois a corrente de desequilíbrio circulou entre o neutro da fonte e do transformador. A ligação estrela-estrela tem como características a simplicidade de ligação e a opção de ter duas tensões de ligação no primário e secundário (fase ou linha). No entanto, possui algumas restrições quanto à conexão do neutro à fonte e à carga, sendo necessária para a eliminação da distorção do formato de onda da tensão e para a manutenção da regulação de tensão em cada fase quando há a adição de cargas.
6. Referências
FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, C.; UMANS S. D. Máquinas Elétricas. 7. ed. Porto Alegre: McGraw Hill, 2014. Guia Prático Nº 07 – LIGAÇÃO ESTRELA-ESTRELA . Fortaleza: DEE-UFC, 2016. 15