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Baixe 05.Transformadores-Leitura complementar-Cap 13 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!
TRANSFORMADORES Capítulo 13 TRANSFORMADORES Atualmente, a maior parte da energia elétrica gerada se dá em média tensão, na faixa entre 1 e 25 kV. No entanto, sabe-se que grandes blocos de energia são mais eficientemente transmitidos a longas distâncias utilizando-se tensões superiores a 138 kV, Por outro lado, a utilização segura desta energia em residências e em algu- mas indústrias implica que esta seja inferior a mil volts, A compatibilização destes níveis de tensão é feita através do uso de trans- formadores que, baseado em fenômenos eletromagnéticos, permite que um bloco de energia possa ser transferido de um enrolamento denominado primário para um outro denominado secundário, com uma conveniente alteração no valor de tensão, resultando em uma alteração no valor da corrente na proporção inversa. Os transformadores, em geral, são máquinas muito eficientes. A ausência de partes em movimento, tais quais as de um motor de indução, permitem que eficiên- cias da ordem de 96 a 99% sejam alcançadas nesta transferência de energia. Sendo assim, os transformadores são equipamentos empregados em todas as fases do processo de produção e uso de energia elétrica, incluindo a sua trans- missão e distribuição. Praticamente toda a energia elétrica gerada no país passa ne- cessariamente por um ou mais transformadores, de modo que, mesmo sendo alta a eficiência destes equipamentos, o repetido processo de compatibilização de níveis de tensões através do seu uso, resulta em perdas significativas que devem ser devi- damente consideradas e esforços devem ser envidados para que sejam reduzidas. Observe-se porém que ao considerar-se somente a questão da eficiência, pode-se incorrer em uma visão distorcida do que realmente ocorre com as perdas. Em outras palavras, sendo a eficiência simplesmente uma relação entre a potência de saída e a potência de entrada, perde-se o sentimento de como se comportam as perdas e de sua magnitude. Embora as perdas possam ser pequenas em termos relativos, podem ser bastante significativas em termos absolutos. Estima-se que cerca de 14% de toda energia elétrica gerada no Brasil são considerados perdas globais (técnicas e comerciais) em transmissão e distribuição, e que aproximadamente 30% das perdas técnicas concentram-se nos núcleos dos transformadores de distribuição. 475 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA As figuras a seguir apresentam os resultados de um levantamento realizado nos Estados Unidos, mostrando a contribuição de alguns elementos sobre as perdas totais do sistema de concessionárias privadas e públicas. Em ambos os casos, cerca de 20% a 40% das perdas se dão em transformadores. É baseado neste índice que este capítulo procura trabalhar a eficiência energética em transformadores, abordando aspectos de projetos, materiais e operação eficientes. E Amentadar a iransiormador de Dissibação D Irensfoemador de Potência O Transmissão Fizde Secondario poumos 323% 16,2% Figura 13.1 — Perdas na concessionária privada (Kennedy, 1998) 3 Abemo tador E Trenstormador de Dissibução. Transformador de Pesência D fionsmissão Rede Secundêna cutos 36,6% Figura 13.2 - Perdas na concessionária pública (Kennedy, 1998) : 476 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Figura 13,3 - Desenho esquemático de um transformador (Siemens) Os enrolamentos são constituídos de fios de cobre, isolados com esmalte ou papel, de seção retangular ou circular, O núcleo é constituído por um material ferromagnético, em chapas finas, iso- ladas entre si, contendo em sua composição o silício, que lhe proporciona caracteris- ticas excelentes de magnetização e perdas reduzidas. O conjunto formado pelos enrolamentos e pelo núcleo é denominado de parte ativa do transformador. Otanque é destinado a servir de invólucro da parte ativa e de recipiente para o óleo isolante. O óleo isolante tem a finalidade de propiciar isolamento elétrico en- tre os componentes do transformador e dissipar para o exterior o calor gerado nos enrolamentos e no núcleo. Este óleo pode ser óleo mineral (parafínico ou naftênico) ou fiuídos isolantes a base de silicone. Antigamente eram usados askarel e piranol que hoje estão proibidos por serem nocivos a saúde. Transformadores de pequena potência podem ter sua parte ativa envolta pelo ar ambiente, que são denominados transformadores a seco, 478 | | | TRANSFORMADORES Os acessórios constituem os terminais, buchas, parafusos, tampas, sensores, relés, reguladores, ventiladores, radiadores, etc, destinados a auxiliar o funcionamen- to do transformador. As buchas são dispositivos que permitem a passagem dos condutores dos enrolamentos ao meio externo, e são constituídas por um corpo isolante, terminal e vedações. Toda a energia consumida em um transformador precisa dissipar-se na for- ima de calor. O calor gerado na parte ativa se propaga através do óleo e é dissipado no tangue. As elevações de temperatura de óleo e dos enrolamentos são normaliza- das e devem ser limitadas para evitar a deterioração do isolamento e do óleo. Quanto maior a potência do transformador mais difícil se torna a dissipação deste calor, pois a potência do transformador e conseguentemente suas perdas crescem com mais ra- pidez que a superfície disponível para a emissão de calor, Dependendo da potência do transformador a área da superfície externa poderá ser insuficiente para dissipar este calor e neste caso, é necessário aumentar a área de dissipação. Para tal, usam-se radiadores que poderão ser de tubos ou chapa estampada. Utilizam-se também ven- tiladores instalados do lado de fora do transformador, para auxiliar esta dissipação (ventilação forçada). Para adequar a tensão primária do transformador à tensão de alimentação, ou para controlar e regular à tensão na saída do mesmo, os enrolamentos primário e/ ou secundário podem ser dotados de derivações (taps). Estes taps podem ser esco- lhidos mediante a utilização de um comutador instalado junto à parte ativa, dentro do tanque, O comutador, conforme projeto e tipo construtivo, pode ser operado com o transformador em funcionamento (sob carga) ou com o transformador desligado da rede. Os transformadores das subestações de alta tensão podem ser classificados de acordo com suas funções: * Transformadores elevadores, cuja função é elevar a tensão de geração para tensão de transmissão; * Transformadores de interligação, cuja função é interligar partes do sistema de transmissão; * Transformadores abaixadores, cuja função é reduzir a tensão de transmissão para a tensão da subtransmissão ou de distribuição. Os transformadores podem ainda ser classificados de outras maneiras, por exemplo, quanto à finalidade, material e forma do núcleo, número de fases, disposi- ção dos enrolamentos, maneira de dissipar o calor, etc. 479 TRANSFORMADORES Bucha de tensão superior 1,1 - Terminal de tensão superior Tempa Abertura para Inspeção Guamição Comutador Armadura Núcieo pasa sw Bobinas 8.1 —Bobinas de tensão inferior 82 —Bobinas de tensão superior 9 Tanque 8.1 —Olhal do suspensão 8.2 —Radiador 9.3 — Suporte para fixação 10 Bucha de tensão inferior 10.1 — Terminal da tensão Infertor 11. Placa do Identificação 12 Dispositivo de aterramento. Figura 13.4 - Transformador em corte Existem situações onde os transformadores podem ser utilizados para con- verter a tensão de um nível mais baixo para um nível mais elevado, em redes de distribuição, Estas condições ocorrem quando estão presentes unidades geradoras, nestes sistemas, operando como cogeração, ou como geração distribuída (GD). Em função da intensa aplicação observada para os transformadores em siste- mas de distribuição, é de fundamental importância que se conheça a influência dos mesmos em termos de perdas elétricas. Para tanto, os itens seguintes descrevem, sucintamente, as principais características representativas destes elementos. 13.2. PERDAS ELÉTRICAS EM TRANSFORMADORES Em um transformador há três circuitos distintos que devem ser considerados, o elétrico, o magnético e o circuito dielétrico. Em cada um desses circuitos ocorrem 481 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA perdas que podem ser subdivididas da seguinte forma: a) Perdas no circuito elétrico: * Perdas por R. devido à corrente de carga; « Perdas por R.? devido à corrente de excitação; * Perdas por correntes parasitas nos condutores devido ao fluxo de dispersão. b) Perdas no circuito magnético: * Perdas por histerese no núcleo; * Perdas por correntes parasitas, ou de Foucault, no núcleo; * Perdas por dispersão das correntes parasitas no núcleo através dos grampos, pa- rafusos, etc, c) Perdas no circuito dielétrico: Essas perdas são normalmente incluídas nas perdas no ferro, Quando são medidas as várias perdas, em um transformador, estas são auto- maticamente agrupadas em duas: 1) Perdas sem carga (conhecidas como perdas no ferro): « Perdas por R.? devido à corrente de excitação; * Perdas por histerese no núcleo; * Perdas por correntes parasitas, ou de Foucault, no núcleo; * Perdas por fuga de correntes parasitas no núcleo através dos grampos, parafusos, etc, 2) Perdas com carga (conhecidas como perdas no cobre): * Perdas por R.P devido à corrente de carga; * Perdas por correntes parasitas nos condutores devido ao fluxo de dispersão. Para que um transformador possa ter uma eficiência alta todas essas perdas devem ser reduzidas ao mínimo. Entretanto é interessante considerar primeiramente as características que determinam suas magnitudes e posteriormente as providên- cias que devem ser tomadas para que elas sejam reduzidas. 482 | | | | CONSERVAÇÃO DE ENERGIA 13.2.2. Perdas no Circuito Magnético a) Perdas por histerese no núcleo Essas perdas dependem, sobretudo, da qualidade do núcleo usado e é calcu- lada através de curvas fornecidas pelos fabricantes do núcleo magnético, Elas são pro- porcionais ao peso do material usado, e variam de acordo com a densidade do fluxo. Para minimizar essas perdas deve-se diminuir o peso do material o máximo possível e hão ter uma densidade de fluxo excessiva. No entanto, deve-se observar que, diminuir a densidade de fluxo, tendo como objetivo diminuir as perdas por histerese, acarreta o uso de maior quantidade de material ferromagnético, o que produz aumento no com- primento dos fios de cobre nos enrolamentos, aumentando assim as perdas por R.B. b) Perdas por correntes parasitas de Foucault no núcleo Essas perdas dependem da densidade de fluxo empregada, da qualidade do material do núcleo, da espessura das lâminas do núcleo e da eficiência da isotação entre as placas do núcleo. A maioria das observações considerando as perdas por histerese também se aplica às perdas por correntes parasitas no núcleo. Usualmente estas duas perdas são calculadas juntas por curvas fornecidas pelo fabricante do núcleo. As perdas para uma dada quantidade de material podem ser reduzidas diminuindo a espessura das lâminas do núcleo. No entanto, a redução da espessura dessas lâminas, de forma indevida apre- senta as seguintes desvantagens: * Se a espessura das lâminas é muito reduzida, a soma total das camadas isolantes entre elas torna-se muito grande, com consequente incremento nas dimensões do equipamento; * Quanto mais finas forem as lâminas, maior é a dificuldade para agrupá-las no nú- cleo do transformador, e se a espessura for muito reduzida a sua vantagem na tentativa de obter ganhos quanto às perdas no ferro pode ser inútil, por causa de junções ruins das lâminas. Também, a construção do núcleo com lâminas finas não é tão resistente mecanicamente como uma com lâminas mais espessas. As características de excitação de um transformador são determinadas ex- clusivamente pelo projeto e pelos materiais que compõem o núcleo magnético. Des- ta forma, sendo conhecidos o peso, o tipo de material, a estrutura, e a densidade de fluxo do núcleo, as características de excitação podem ser calculadas, incluindo até mesmo os harmônicos. Ainda mais, desde que diferenças na qualidade, estrutura, e densidade de fluxo entre diferentes tamanhos de transformadores são relativamen- 484 TRANSFORMADORES te pequenas, em comparação com a diferença em seus pesos, é possível fazer uma estimativa das perdas no núcleo de um dado transformador, com base nos dados de outros, fazendo relação em termos dos pesos correspondentes, 13.2.3. Perdas por Fuga de Correntes Parasitas no Núcleo Essa perda é muito difícil de ser determinada e como no caso das corren- tes parasitas nos condutores é usualmente admitido adicionar uma porcentagem, que é determinada por experiências, às perdas no núcleo magnético, as quais são calculadas por curvas fornecidas pelos fabricantes do material ferromagnético. Para minimizar essas perdas deve-se ter cuidado com a disposição dos grampos. 13.2.4. Perda por Fuga de Correntes Parasita no Tanque Estas perdas são similares à anterior, exceto que elas aumentam as perdas no cobre e é usualmente admitida da mesma forma (adicionando uma porcentagem ao invés de ser calculada através de fórmulas). Mediante as condições de carga elas podem perfeitamente alcançar grandes proporções, principalmente se as correntes do secundário forem altas. 13.2.5. Dissipação de Calor O problema de se manter a temperatura de um transformador em limites seguros não tem grande significância para pequenos transformadores, Contudo, a lei natura! de que o calor para ser dissipado aumenta com o cubo da dimensão li- near e a área pela qual o calor deve passar aumenta apenas com o quadrado da dimensão linear, adicionado ao fato de que, em grandes unidades, o calor tem que viajar por uma longa distância para alcançar o lado de fora, tem dado razão para inúmeros problemas térmicos, verificados em grandes unidades. Naturalmente, tem- se focado no design de tanques para uma eficiente dissipação de calor, e isto tem resultado no desenvolvimento de uma variedade de métodos de resfriamento de grandes transformadores. Os equipamentos acessórios de grandes transformadores, que mais chamam a atenção, são os vários dispositivos de resfriamento, ou seja, tu- bos de resfriamento e radiadores, localizados na superfície dos tanques, em muitos casos suplementados por uma bateria de ventiladores, ou sistemas de resfriamento consistindo de coolers e dutos. 13.3. CÁLCULO DAS PERDAS EM UM TRANSFORMADOR As perdas em um transformador, conforme discutido anteriormente, são cal- culadas basicamente através de duas parcelas: perdas no cobre e perdas no ferro. A 485 TRANSFORMADORES v - volume do núcleo magnético; T - espessura das chapas; f - frequência da fonte em Hz; Boa densidade máxima de fluxo magnético. * Perdas totais no núcleo: As perdas totais no núcleo, por efeito Joule, correspondem às perdas por his- terese mais Foucault. Portanto, Po=P+P, Onde: P - perdas totais no núcleo. Através das expressões empíricas de cálculo das perdas por histerese e Fou- cault tem-se para a perda total no ferro: z max PK tv TER Em geral, as perdas no cobre e no ferro de um transformador são obtidas, ou através da forma apresentada, que é muito utilizada no projeto do equipamento, ou através de ensaios de campo, como os ensaios em vazio e em curto-circuito. 13.4, CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DE UM TRANSFORMADOR A eficiência de um transformador, para qualquer condição de carga e qual- quer fator de potência (FP), corresponde a: n=t- - percentagem de perdas no ferro + percentagem de perdas no cobre . (FP 100 percentagem de perdas no ferro + percentagem de perdas nocobre A porcentagem de perdas a serem inseridas na expressão anterior é deter- minada para a carga em consideração, assumindo que para um dado fator de carre- gamento, fc, a parcela de perdas no ferro é 1/fc. P,e a parcela de perdas no cobre é fc. P, como indicado na tabela a seguir. 38 1204 asp, 2P,; AP 3/4P;. MB: 1/AP, f 487 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA Onde: P, - percentagem de perda no ferro com tensão normal P. - percentagem de perda no cobre com carga total Exemplo Considere um transformador trifásico de 1000 kVA, 60 Hz, 6600/433 V, ope- rando com carga total, onde são observadas as seguintes perdas: (a) perdas no ferro = 1770 W; (b) perdas no cobre = 11640 W. a) Com carga total e fator de potência unitário tem-se: ; | 1770.100 Porcentagem de perda no ferro = -———— = 0,177% 1000 .1000 11640.100 Porcentagem de perda no cobre= "———— =1,164% | 1000.1000 FP=1,0 | 0,177 +1,164 Porcentagem de eficiência = p - | *100 = 98,67% (1100) + 0,177 +1,164 b) Com 5/4 de carga com fator de potência unitário: Porcentagem de perda no ferro = 50 77 =0,142% Porcentagem de perda no cobre = SII64 =1,455% FP=1,0 . 0,142 +1455 (1100) + 0,142 41,455 Porcentagem de eficiência = + 100 = 98,43% | c) Com 3/4de carga e FP=0,8 Porcentagem de perda no ferro = E 0,177 = 0,236% Porcentagem de perda no cobre = ê, 1,164 = 0,874% 4 0,236 +0,874 me ni 5 100 = 98,90% (0,8.100) + 0,236 +0,874 Porcentagem de eficiência = ' - 488 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA 13.6. NOVAS TECNOLOGIAS Transformadores com eficiência elevada já estão disponíveis comercialmen- te, Atualmente, já existe tecnologia disponível para que fabricantes possam fornecer transformadores com diferentes índices de perdas. A escolha da tecnologia a ser uti- tizada dependerá do nível de importância dada às perdas e à sua consideração no cômputo dos custos de investimento e operacionais. A busca de transformadores de alta eficiência tem levado os fabricantes a pesquisarem novos materiais com o objetivo de produzir transformadores com índices cada vez menores de perdas. A redução dessas perdas ao longo dos anos se deve principalmente ao de- senvolvimento de novos materiais empregados na construção dos núcleos e enrola- mentos dos transformadores. Com o advento do transformador com núcleo de aço amorfo de baixas perdas na década de 1980 e com a larga utilização de metodolo- gias de avaliação, a indústria de transformadores alcançou uma redução das perdas em vazio e em carga. A seguir apresentam-se os principais desenvolvimentos relacionados à apli- cação de novas tecnologias em projetos de transformadores mais eficientes. 13.6.1. Formato de condutores avançados Nos últimos 20 anos a indústria de transformadores vem procurando forma- tos diferentes para os condutores visando melhorar a eficiência dos transformadores. Os condutores de alumínio vêm sendo substituídos por condutores de cobre devido à sua baixa resistência elétrica e alta resistência mecânica à tração. Um dos últimos desenvolvimentos na forma dos condutores foi a utilização de condutores planos na forma de tiras. Os condutores planos reduzem as perdas por correntes parasitas e permitem que uma quantidade maior de cobre seja instala- da em espaços menores. Testes realizados em transformadores de força de uma distribuidora permi- tiram calcular a redução de perdas comparando transformadores com condutores convencionais e os condutores planos (avançados). Os resultados obtidos estão apresentados nas tabelas seguintes: 490 TRANSFORMADORES Tabela 13.1 - Comparação de transformador 48/64/80 MVA Convencional e Avançado | Característica da transformador Peso do núcleo é enrolamento:(TOQO:kg): Perda a vazio (KW) Perda em carga (kW) 90,8 BRAS: Perda total (W): 23 95,9 Tabela 13.2 - Comparação de transformador 48/64/80 MVA Convencional e Avançado peso do núdieo cê j 68,49 63,50 * “71% Co Peida a vago UM) O 837 694 17% “ Perdaem carga) ec : 820 734 10,5% “+ CEperda total (kW) o 165,7 1428 138% Deve-se observar que além da redução das perdas nos condutores, há uma sensível redução no peso do transformador, já que os condutores avançados ocu- pam 30% menos espaço. 13.6.2. Aço silício de baixas perdas Um transformador com núcleo de aço silício de baixas perdas é um equi- pamento cujo núcleo é projetado e construído para minimizar as perdas em vazio. A partir do momento que as distribuidoras de energia e consumidores industriais começaram a avaliar as perdas na década de 70, os fabricantes têm se empenhado para reduzir as perdas nos transformadores com núcleo de aço silício. Esforços neste sentido permitiram uma redução das perdas em vazio em transformadores com núcieo de silício da ordem de 50% nos últimos 30 anos. Esta redução das perdas em vazio foi obtida através de: * Melhoria na produção do aço silício; * Melhoria da laminação do aço; * Melhoria do empacotamento do núcleo; * Uitlização de modelos computacionais para otimização da geometria do núcleo. 491 TRANSFORMADORES formadores convencionais com núcleo de aço silício, transformadores com núcleo de aço silício de baixa perda e transformadores com núcleo de metal amorfo. Tabela 13.3 - Comparação dos valores de Perdas em vazio (W) Potência (KVA) Silício: ae fiaihas perdas Monofásicos 10: 60 n 25 100 50 20 Ea 210 108 2 75 260 EO 30 100 320; 160 54 Trifásicos a 75 370 185 67 150 so 270 107 300/00 475 185 500 70 260 750. 875 310 1000 1200 420 1500. 180022: Co 00555 200% 2000 ui 160 250 2400: Mesmo demandando maiores investimentos, a utilização dos transforma- dores com núcleo de metal amorfo se viabiliza ao quantificar-se os ganhos energé- ticos em relação aos transformadores convencionais. A economia obtida pode ser facilmente determinada através de ensaios comparativos. Às perdas em vazio não dependem da carga do transformador e a economia com a sua redução permanece durante toda a vida útil do equipamento. Adicionalmente, a utilização de transformadores de metal amorfo por parte de distribuidoras de energia pode ser considerado como uma medida de conserva- ção de energia e gerenciamento pelo lado da demanda, não resultando em perda no faturamento. 493 CONSERVAÇÃO DE ENERGIA 13.7. OPERAÇÃO OTIMIZADA Os critérios mais comumente empregados para a especificação e análise de carregamento de transformadores fundamentam-se principalmente em limites tér- micos, perda de vida, cicio de operação e em condições ambientes. Ou seja, diz-se por exemplo para um transformador 55ºC que a sua potência nominal é aquela que fluindo continuamente pelo mesmo, provoca nos seus enrolamentos uma elevação de temperatura média acima da temperatura ambiente de 55ºC, considerando-se, ainda, que a temperatura no ponto mais quente não pode exceder os 95ºC. À análise de carregamento é muito importante, sobretudo porque os trans- formadores são os equipamentos mais caros dentro de uma subestação, onde exer- cem a sua função principal, Como o investimento nestes equipamentos é de longa maturação, torna-se imperativo que durante a fase de planejamento haja uma preo- cupação de evitar a ocorrência de sobrecargas que possam provocar riscos ou danos, resultando em uma redução da expectativa de vida útil e níveis de confiabilidade dos transformadores. Neste item é apresentado um procedimento alternativo para a seleção e aplicação de transformadores, considerando não somente os aspectos técnicos, mas também os econômicos, Dado um conjunto de alternativas possíveis, a metodolo- gia proposta, implementada sob a forma de um processo de otimização, seleciona automaticamente qual o transformador, ou transformadores, que devem compor a configuração da subestação para o perfeito atendimento da demanda. 13.7.1. Fator de carregamento ótimo Nas seções anteriores foram apresentadas equações para a determinação do eficiência de operação de transformadores. A equação a seguir, no entanto, apresen- ta este eficiência como uma função de dados fornecidos pelos fabricantes, constan- tes da placa do transformador e do fator de carregamento. n= Fc. S,: FP “100 Fc. S,: FP+ Fc?.P4 +1,2.P onde: t-eficiência de operação (%); Fc -fator de carregamento (pu); Sy- potência nominal (kVA); FP - fator de potência da carga; 494 
