Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Elétrica
Roteiro para Laboratório de:
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Tr
Aulas Práticas e Ensaios
Prof.: Adalton Lima de Aguiar
Prof.: José Roberto Camacho
Prof.: Elvio Prado da Silva
10 de agosto de 2010
Terceira Edição
Sumário
Sumário
1 Ensaio para Determinação
1.1 Coleta da amostra . . .
1.2 Preparação do ensaio . .
1.3 Realização do Ensaio . .
1.4 Questões . . . . . . . . .
1.5 Conclusão . . . . . . . .
ii
da
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Rigidez Dielétrica
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2 Verificação da Corrente a Vazio e da Corrente Transitória (INRUSH)
2.1 Componentes do Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Preparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Esquema de Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Obtenção da Corrente a Vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Questões Referentes a Obtenção da Corrente a Vazio . . . . . . . .
2.5 Obtenção da Corrente Transitória (INRUSH) . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 Questões Referentes a Obtenção da Corrente Transitória . . . . . .
2.6 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3 Ensaio em Vazio de um Transformador
3.1 Preparação . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Esquema de Montagem . . . . . . . . .
3.3 Levantamento de Dados . . . . . . . .
3.4 Questões . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . .
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4 Ensaio em Curto-Circuito de um Transformador Trifásico
4.1 Preparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Esquema de Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Trifásico
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do
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Óleo Isolante
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SUMÁRIO
4.3
4.4
4.5
4.6
iii
Levantamento de Dados
4.3.1 Efetuando Ensaio
Questões . . . . . . . . .
Conclusão . . . . . . . .
Anexo . . . . . . . . . .
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com Corrente Reduzida
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5 Ensaio para a Determinação do Rendimento
dor
5.1 Rendimento do Transformador . . . . . . . .
5.1.1 Rendimento em Energia . . . . . . .
5.2 Regulação de Tensão em Transformadores .
5.3 Preparação do Ensaio . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 Execução do Ensaio . . . . . . . . . .
5.4 Questões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Transformadores
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e Regulação do Transforma.
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6 Determinação da Polaridade e Defasamento Angular de
Trifásicos
6.1 Preparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Determinação da Polaridade . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Determinação do Defasamento Angular . . . . . . . . . .
6.3.1 Defasamento Angular: Comparação das Tensões .
6.3.2 Defasamento Angular: Método do Golpe Indutivo
6.4 Questões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Operação em Paralelo
7.1 Preparação . . . .
7.2 Ensaios . . . . . .
7.3 Paralelismo . . . .
7.4 Questões . . . . . .
7.5 Conclusão . . . . .
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10 de agosto de 2010
Apresentação
Ao corpo discente
A disciplina TRANSFORMADORES, obrigatória no currı́culo do curso de Engenharia
Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia, é uma disciplina e caráter especı́fico e parte
de um conjunto de disciplinas que compõem juntamente com Conversão de Energia, Máquinas Elétricas, Máquinas Sı́ncronas e Projeto de Máquinas, o leque de disciplinas básicas
para a formação de um profissional competente, com ênfase em Sistemas de Potência.
Às aulas de Laboratório ficam reservadas as discussões de aspecto prático dos transformadores tais como: ensaios de rotina, de tipo e cuidados especı́ficos desde a manutenção
de transformadores de distribuição.
Serão enfocados até os cuidados especiais com sofisticados transformadores hoje utilizados nas mais modernas instalações em Extra-Alta Tensão.
O nosso intuito é fornecer a você, nosso estudante, uma ferramenta para aprimorar a
sua capacidade de crı́tica construtiva, sua iniciativa e sua criatividade, virtudes sem as
quais não existe o profissional de qualidade em Engenharia Elétrica.
É nosso desejo que trabalhando em conjunto de forma cooperativa nesta disciplina, possamos todos aprender muito e estimular a criação de um profissional competente, desenvolvendo um curso de qualidade e construindo uma Universidade que prima pela seriedade
e pelo trabalho.
Uberlândia, 10 de agosto de 2010
prof.: Adalton Lima de Aguiar
prof.: José Roberto Camacho
1
Roteiro para Elaboração de Relatórios
Durante as aulas de laboratório, realizaremos uma série de procedimentos e ensaios em
transformadores de potência.
Nos capı́tulos seguintes encontram-se os procedimentos, materiais e ferramentas para
os ensaios. Caberá ao professor discursar a respeito do referido ensaio e do manuseio das
ferramentas. Ao aluno, caberá realizar o ensaio conforme os procedimentos zelando de
sua segurança e dos demais colegas afim de evitar acidentes, bem como zelar para com os
materiais e ferramentas disponı́veis para a realização do ensaio. Cabe também ao aluno a
confecção de um relatório completo referente a aula.
Ao fazer os relatórios o aluno deve proceder como se estivesse fazendo um relatório
para seu chefe na empresa em que trabalha. Logo, é de se supor que os mesmos deverão
ter coerência, aparência, capricho, e o mais importante, devem estar corretos.
Cada relatório deverá conter obrigatoriamente estes ı́tens nesta sequência:
0. Capa (cabeçalho, número e nome do ensaio, nome do aluno, matrı́cula, data);
1. Tı́tulo;
2. Objetivos;
(0,1 pontos)
3. Introdução Teórica;
(0,4 pontos)
4. Preparação:
(a) Materiais e ferramentas;
(0,1 pontos)
(b) Montagem;
(0,1 pontos)
5. Análise de Segurança;
(0,1 pontos)
6. Cálculos e análise dos Resultados;
(0,2 pontos)
7. Questões;
(0,8 pontos)
8. Conclusão. (no mı́nimo 10 linhas)
(0,2 pontos)
9. Referências Bibliográficas.
2
Laboratório: Aula
1
Ensaio para Determinação da Rigidez
Dielétrica do Óleo Isolante
Uma das principais funções do óleo em transformadores está relacionada com a sua
rigidez dielétrica1 .
Para a execução deste ensaio são necessários:
• Analisador portátil de rigidez dielétrica;
• Amostras do óleo isolante do transformador;
1.1
Coleta da amostra
Alguns cuidados devem ser tomados para a coleta da amostra do óleo a ser testado,
afim de evitar a contaminação do mesmo, e são definidos pela Norma Brasileira intitulada:
NBR-7037 Recebimento, Instalação e Manutenção de Transformadores, a saber:
1. Usar um recipiente de vidro transparente com capacidade de aproximadamente 1
litro, que deve ser previamente lavado com álcool e benzina.
2. Esse recipiente deve ser seco e em seguida enxaguado com o próprio óleo a ser testado.
3. Recomenda-se que a rolha do mesmo seja de vidro esmerilhado e que após a lavagem
com álcool e benzina, seja levada à estufa para secagem de 100o C.
4. De preferência, deve-se mergulhar a rolha em parafina.
1
Capacidade de isolamento
3
1.2 Preparação do ensaio
4
5. Os demais recipientes (copos, funis, tubos e depósitos) se possı́vel, devem ser de vidro
e devem ser submetidos ao mesmo processo de limpeza e secagem.
6. Limpar cuidadosamente a válvula de drenagem evitando o uso de panos e estopas.
7. Abrir a válvula de drenagem existente no fundo do tanque do transformador, deixando escorrer aproximadamente 12 litro pela mesma antes de coletar a amostra. Isto
permitirá a limpeza do sistema de drenagem propriamente dito.
8. Encher devidamente o recipiente com óleo, sem usar jato forte, para evitar a formação
de espumas e bolhas.
9. Não deve ser permitida também, a entrada de qualquer impureza.
10. Se o ensaio não puder ser feito no próprio local, a amostra deverá ser guardada em
vidro especialmente preparado, evitando o máximo possı́vel o contato com o ar.
11. Antes do ensaio o óleo deve ser suavemente agitado, afim de que o conteúdo seja
homogeneizado.
12. A coleta do óleo não deverá ser efetuada quando a temperatura ambiente for superior à do óleo, para evitar-se a absorção de umidade pelo óleo, já que esta tende a
condensar-se em superfı́cie mais fria, nem tampouco com o ar ambiente agitado ou
empoeirado.
13. Não colocar o dedo no receptáculo e nem deixar cair nele suor, respingos ou corpos
estranhos.
1.2
Preparação do ensaio
Atentando aos cuidados para a coleta da amostra citados na seção 1, o procedimento
para a realização do ensaio vem a seguir:
• A tensão máxima do ensaio depende do equipamento. Seu valor mı́nimo deve ser de
35 kV.
• O analisador deve possuir dispositivos de segurança adequados.
• Retirar a cuba de prova do analisador portátil e lavá-la, juntamente com os eletrodos,
com uma parte do óleo de amostra. Neste momento verifique se o espaçamento entre
as placas é o tabelado pelas normas (0,1 polegada).
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1.3 Realização do Ensaio
5
• Encher a cuba de óleo, até cerca de 1 cm acima dos eletrodos. Evitar que o óleo
borbulhe.
• Dar uma movimentação branda de vaivém no óleo da cuba, para facilitar a saı́da de
eventuais bolhas de ar.
• Colocar a cuba de volta no analisador e deixá-la repousar por aproximadamente
3 minutos, para que ela fique isenta de bolhas e iguale sua temperatura à do ambiente.
• Não colocar o dedo no receptáculo e nem deixar cair nele suor, respingos ou corpos
estranhos.
• Após estas providências, o ensaio estará pronto para ser realizado.
• Abaixar a tampa de segurança, sem o que o ensaio não poderá ser feito.
1.3
Realização do Ensaio
Verificar se a tensão de suprimento coincide com a indicada na placa do analisador.
Ligar a tomada do analisador, girando o potenciômetro (reostato), para a posição mı́nima. Poderá existir uma lâmpada piloto que deverá estar acesa indicando que o circuito
está pronto para operação.
Girar o potenciômetro, caso o analisador seja manual, na direção aumentar, de maneira
a obter uma variação gradual da tensão de ensaio, da ordem de 3 kV/segundo.
Alguns analisadores possuem dispositivo automático que efetuam esta operação sem
intervenção do operador.
Observar no voltı́metro, a tensão de interrupção quando houver o arco e, consequentemente, ocorrer abertura do disjuntor elétrico instantâneo automático. Este deverá ser o
valor anotado para o ensaio.
Se houver um miliamperı́metro, anotar a corrente de fuga através do dielétrico.
Voltar o reostato para a posição mı́nima e aguardar 3 minutos para a repetição do
ensaio.
Repetir o ensaio 5 vezes, anotando as respectivas leituras.
Esvaziar a cuba, lavá-la com óleo e enchê-la com nova porção da mesma amostra e
repetir as operações.
Preencher a tabela abaixo com as 15 leituras aguardando 3 minutos entre cada medição:
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1.3 Realização do Ensaio
Leitura
Porção 1
6
Porção 2
Porção 3
Média
1a
2a
3a
4a
5a
Média
A média geral (última coluna à direita) será a rigidez dielétrica do óleo ensaiado. Este
valor deve ser comparado com os da tabela a seguir para sua classificação. Esta tabela é
somente uma indicação da qualidade do óleo, algumas empresas consideram o óleo aceitável
somente com rigidez dielétrica acima de 35 kV/0,1 pol.
Rigidez Dielétrica
(kV/0,1 pol)
Situação do Óleo
Isolante
Acime de 35
de 30 a 35
de 25 a 30
de 20 a 25
de 15 a 20
abaixo de 15
Excelente
Muito Bom
Bom
Satisfatório
Duvidoso, recomendado a filtragem
Regeitado, indispensável a filtragem
Após o ensaio com o óleo, esvaziar a cuba e, usando o ar como dielétrico entre as placas,
medir a rigidez dielétrica do mesmo e comparar o resultado obtido com o do óleo ensaiado.
Rigidez Dielétrica
Ar
Óleo Ensaiado
(kV /0, 1pol)
(kV /0, 1pol)
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1.4 Questões
1.4
7
Questões
1. Comparar o óleo das amostrar e o ar, quanto à sua capacidade de isolamento elétrico.
2. O ar poderia substituir o óleo nos tanques dos transformadores? Por que isto não é
feito nos transformadores de médio e grande porte?
3. Justificar as grandes divergências entre os diversos valores de rigidez dielétrica para
uma mesma amostra, caso existam.
4. Efetuar o diagnóstico do óleo com base nos resultados finais.
5. Explique a razão da observância de intervalo de tempo entre as diversas medidas de
rigidez dielétrica do óleo.
6. O que ocorreria se a distância entre os eletrodos fosse reduzida pela metade? Os
valores assim medidos, poderiam ser usados para análise do óleo sob a luz da teoria
vista?
7. A rigidez dielétrica do óleo isolante é afetada pela ocorrência de uma faı́sca no mesmo?
No instante da faı́sca, qual é o valor da rigidez? O que acontece com ela após a
extinção da faı́sca? Em que condições isso não ocorre?
8. Qual a forma dos eletrodos recomendada pelas normas? Haveria diferença dos valores
obtidos se os eletrodos fossem pontiagudos? Por que?
9. Quais as vantagens e desvantagens do Askarel em relação aos óleos minerais?
10. Explicar o princı́pio e a aplicação do Relé Buchholz.
1.5
Conclusão
Escreva em um mı́nimo de 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio para a determinação da rigidez dielétrica do óleo executado em laboratório e sobre a importância dos
parâmetros obtidos durante o teste.
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Laboratório: Aula
2
Verificação da Corrente a Vazio e da
Corrente Transitória (INRUSH)
A corrente a vazio é um parâmetro importante, pois define a energia consumida pelo
transformador quando opera sem carga e ainda fornece a energia necessária para a magnetização do seu circuito magnético. A forma de onda da corrente em vazio também indica
o nı́vel de saturação do núcleo magnético do transformador.
Já a corrente transitória (de INRUSH) pode ser qualificada como um fator na qualidade
de fabricação de um determinado transformador. A corrente transitória pode inviabilizar
a aplicação de um determinado esquema de proteção do circuito elétrico ao qual pertence
o transformador.
2.1
Componentes do Transformador
As principais partes componentes de um transformador de distribuição tı́picos são:
• tanque com aletas de refrigeração;
• óleo isolante e refrigerante (óleo mineral);
• as buchas de alta e baixa tensão;
• núcleo magnético;
• taps das bobinas do transformador (manual ou automático);
• os enrolamentos de alta e baixa tensão;
• papel isolante envolvendo os condutores (bobinas) e as cabeças das bobinas.
8
2.2 Preparação
2.2
9
Preparação
Será utilizado um transformador monofásico, para a visualização da forma de onda da
corrente em vazio do transformador.
Prepare portanto o seguinte material:
• 1 transformador monofásico;
• 1 varivolt monofásico;
• 1 osciloscópio com memória;
• 1 reostato;
• 1 chave on-off.
2.3
Esquema de Montagem
Osciloscópio
Resistor
H1
X1
H2
X2
Transformador 1f
Varivolt 1f
Figura 2.1: Montagem para obtenção da Corrente a Vazio
Neste estágio não se preocupe com valores medidos, mas sim em entender o porque das
formas de onda obtidas.
Execute a montagem da aula de laboratório seguindo o esquema da figura 2.1. De
acordo com o esquema o transformador deverá estar operando em vazio.
Observe que na figura 2.1 temos um resistor em série com o circuito, e as ponteiras do
osciloscópio medindo seus terminais. Devemos proceder desta forma pois sabemos que as
ponteiras comuns dos osciloscópios medem tensão, logo para conseguirmos uma forma de
onda de corrente proporcional a tensão (lei de Ohm), devemos medir os terminais de um
resistor.
UFU-Laboratório de Transformadores
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2.4 Obtenção da Corrente a Vazio
2.4
10
Obtenção da Corrente a Vazio
Sabemos que as ponteiras de medição de osciloscópios comuns medem tensão, logo, para
obtenção da corrente, devemos fazer uso da lei de ohm (V = R · i). Com as ponteiras do
osciloscópio medindo a diferença de potencial nos terminais do resistor, veremos na tela do
osciloscópio uma forma de onda idêntica1 a forma de onda de corrente.
2.4.1
Questões Referentes a Obtenção da Corrente a Vazio
Aumente gradualmente a tensão a partir de zero no varivolt e observe a forma de onda
registrada no osciloscópio.
1. O que se pode observar na forma de onda para as tensões de excitação mais baixas?
E para as mais altas? Em que situação a onda é mais distorcida?
2. Desenhe as formas de onda observadas, para uma excitação mais baixa e mais alta,
respectivamente. O que representa esta onda de tensão observada no osciloscópio?
2.5
Obtenção da Corrente Transitória (INRUSH)
Desligue a alimentação do circuito do transformador (chave em OFF), com o varivolt
em um valor que forneça uma corrente em vazio razoável.
Prepare o recurso de gravação e memória do osciloscópio para que possamos obter a
corrente transitória.
Ligue a chave on-off e verifique a forma de onda capturada pelo osciloscópio no momento
em que o circuito foi ligado. Esta corrente é denominada Corrente Transitória (INRUSH),
pois ocorre somente no momento de chaveamento do circuito.
2.5.1
Questões Referentes a Obtenção da Corrente Transitória
1. O que pode se observar a respeito da corrente transitória no instante em que o
transformador foi ligado em vazio?
2. O que pode se observar a respeito da corrente transitória alguns ciclos após seu
chaveamento?
1
Podemos dizer que a forma de onda de corrente que passa por um resistor é idêntica a forma de onda
de tensão desde que consideremos o resistor como sendo puramente resistivo.
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2.6 Conclusão
11
3. Repetindo o processo de energização do transformador por várias vezes, o que se
pode concluir a respeito da influência do instante de energização sobre a corrente
transitória? Não se esqueça que a tensão aplicada ao transformador é senoidal e de
frequência igual a 60 Hz.
4. Desenhe formas de onda tı́picas de corrente transitória em transformadores.
5. Por que entre dois processos de obtenção da corrente transitória, a forma de onda
registrada no osciloscópio nunca se repete?
2.6
Conclusão
Escreva em um mı́nimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a corrente em vazio, a
corrente transitória (de inrush) do transformador monofásico observado em laboratório e
sobre os componentes tı́picos dos transformadores trifásicos de distribuição.
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Laboratório: Aula
3
Ensaio em Vazio de um Transformador
Trifásico
Em um ensaio em vazio1 , como o próprio nome diz, o transformador é ensaiado sem
carga.
Os objetivos do teste em vazio do transformador trifásico são:
• Determinar as perdas no núcleo por histerese e Foulcault (perdas no ferro);
• Determinar a corrente em vazio Io;
• Determinar a relação de transformação de placa (K) e a relação do número de espiras
(Kn);
• Determinar os parâmetros do ramo magnetizante.
3.1
Preparação
Prepare portanto o seguinte material:
• 1 transformador trifásico;
• 3 amperı́metros com escalas apropriadas;
• 1 voltı́metro com escala apropriada;
• 2 wattı́metros de escalas apropriadas;
• 1 varivolt trifásico.
1
Não confunda este ensaio com o experimento da aula 2. Nesta aula 3, realizaremos um ensaio em vazio
do transformador, e na aula 2, foram realizadas apenas medições e oscilografias.
12
3.2 Esquema de Montagem
3.2
13
Esquema de Montagem
V
Volt
A
Watt
Amp
A
B
Varivolt 3f
C
N
X1
H1
X2
H2
X3
H3
Transformador 3f
Amp
V
A
Watt
Amp
Figura 3.1: Montagem para obtenção do Ensaio em Vazio
Lembre-se que a notação H1, H2 e H3 refere-se aos terminais da alta tensão e que X1,
X2 e X3 referem-se aos terminais da baixa tensão. Veja que os terminais H1, H2 e H3
estão em vazio (sem carga) neste ensaio.
3.3
Levantamento de Dados
Será utilizado para a realização do teste em vazio, um transformador trifásico com as
seguintes caracterı́sticas:
Potência Nominal Tensão
(Pn )
(AT)
Tensão
(BT)
Frequência
(Hz)
Ligação Ligação
(AT)
(BT)
Neste estágio os valores medidos são muito importantes, todo cuidado deve ser tomado durante a leitura de tensões, correntes e potências. Execute a montagem da aula de
laboratório seguindo o esquema da figura 3.1.
De acordo com o esquema, o transformador trifásico deverá estar operando todo o
tempo em vazio.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
3.4 Questões
14
Aplicando tensão nominal ao enrolamento de baixa tensão, efetuar as medições abaixo:
Vn
(V)
I01
(A)
I02
(A)
I03
(A)
W01
(W)
W02
(W)
Sabemos que W0 = W02 + W01 , mas fique atento ao valor lido nos wattı́metros e conserve
o sinal positivo ou negativo medido.
A fim de determinar a relação de transformação do transformador sob teste, aplicar
uma tensão reduzida ao enrolamento de alta tensão, anotando os valores:
VAT
(V)
3.4
VBT
(V)
Questões
1. Com os dados de VAT e VBT , determine os valores de K:
KP laca
Kn
(Fornecido na Placa)
Kn =
KEnsaiado
N1
N2
KEnsaiado =
VAT
VBT
2. Com os valores obtidos na seção 3.3, calcule a corrente de magnetização I0 (na linha
e na fase), a potência perdida a vazio por fase e a tensão de alimentação na fase,
obedecendo a conexão do enrolamento de baixa tensão.
I0−Linha =
I01 + I02 + I03
3
I0−Linha
(A)
UFU-Laboratório de Transformadores
I0−F ase
(A)
3a ed.
⇒
W0−F ase =
W0−F ase
(W)
W0
3
VF ase
(V)
10 de agosto de 2010
3.4 Questões
15
3. Calcular os parâmetros do ramo magnetizante, por fase, para as representações série
e paralela do circuito equivalente, o fator de potência a vazio e as correntes I0p e I0q .
W0−F ase = VF ase · I0−F ase · cos(φ0 )
I0p =
W0−F ase
VF ase
⇒
2
2
2
I0−F
ase = I0p + I0q
Para circuito equivalente série:
Rms =
W0−F ase
2
I0−F
ase
⇒
Zm =
VF ase
I0−F ase
Zm2 = Rm2s + Xm2s
⇒
Para circuito equivalente paralelo:
Zm =
cos(φ0 )
VF ase
I0−F ase
I0p
(A)
⇒
I0q
(A)
Rmp =
W0−F ase
2
I0p
Zm
(Ω)
⇒
Rms
(Ω)
VF ase
I0q
Xmp =
Xms
(Ω)
Rmp
(Ω)
Xmp
(Ω)
4. Determinar a porcentagem da corrente de magnetização em relação à corrente nominal do transformador:
Corrente Nominal
InLinha
(A)
do T ransf ormador
InF ase
(A)
UFU-Laboratório de Transformadores
I0−F ase
(A)
3a ed.
⇒
InLinha = √
Wn
3 · V nLinha
I0 % de InF ase
(%)
10 de agosto de 2010
3.5 Conclusão
16
5. Por que uma das correntes obtidas pelos amperı́metros não apresenta o mesmo valor
das outras duas?
6. Por que o ensaio em vazio deve ser realizado alimentando-se o enrolamento de baixa
tensão?
7. Justificar a diferença entre os três valores de K (Kn, KP laca , KEnsaiado ) e definir cada
um deles.
8. Com base nos dados do teste em vazio e na sua capacidade de julgar os resultados
o que é melhor para o sistema de energia elétrica equipado com muitos transformadors: transformadors operando sempre com muita folga (superdimensionados) ou
transformadores operando no limite de sua capacidade? Explique.
9. Desenhe o circuito equivalente do transformador (ramo série e ramo paralelo), considerando somente a parte magnética. Inserir nos desenhos os valores calculados.
3.5
Conclusão
Escreva em um mı́nimo de 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio em vazio, e sobre
as importâncias deste ensaio.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
Laboratório: Aula
4
Ensaio em Curto-Circuito de um
Transformador Trifásico
Em um ensaio em curto-circuito, o transformador é submetido a curto-circuito trifásico,
e aumenta-se a tensão gradativamente até atingir a corrente nominal. Logo, este ensaio
simula transformador com carga máxima.
Os objetivos do ensaio em curto-circuito do transformador trifásico são:
• Determinar as perdas no cobre (nos condutores que compõem as bobinas).
• Determinar a impedância, resistência e reatância percentuais.
• Determinar a queda de tensão interna.
4.1
Preparação
Prepare portanto o seguinte material:
• 1 transformador trifásico;
• 3 amperı́metros com escalas apropriadas;
• 1 voltı́metro com escala apropriada;
• 2 wattı́metros de escalas apropriadas;
• 1 varivolt trifásico.
17
4.2 Esquema de Montagem
4.2
18
Esquema de Montagem
V
Volt
A
Watt
Amp
A
B
Varivolt 3f
C
N
H1
X1
H2
X2
H3
X3
Transformador 3f
Amp
V
A
Watt
Amp
Figura 4.1: Montagem para obtenção do Ensaio em Curto-Circuito
Lembre-se que a notação H1, H2 e H3 refere-se aos terminais da alta tensão e que X1,
X2 e X3 referem-se aos terminais da baixa tensão. Veja que os terminais X1, X2 e X3
estão em curto-circuito neste ensaio.
4.3
Levantamento de Dados
Será utilizado para a realização do teste em curto-circuito, um transformador trifásico
com as seguintes caracterı́sticas:
Potência Nominal Corrente Nominal Tensão
(Pn )
(In)
(AT)
Tensão
(BT)
Frequência
(Hz)
Ligação Ligação
(AT)
(BT)
Neste estágio os valores medidos são muito importantes, todo cuidado deve ser tomado durante a leitura de tensões, correntes e potências. Execute a montagem da aula de
laboratório seguindo o esquema da figura 4.1.
Após calculada a corrente nominal do transformador, aumente a tensão gradativamente,
e anote tensão e corrente até atingir a corrente nominal.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
4.3 Levantamento de Dados
19
Vcc
(V)
4.3.1
Icc1
(A)
Icc2
(A)
Icc3
(A)
Efetuando Ensaio com Corrente Reduzida
Caso não seja possı́vel fazer circular pelos enrolamentos do transformador, a sua corrente
nominal obtenha os valores abaixo, para um valor reduzido de corrente:
In
(A)
Icc
(A)
W cc1
(W)
W cc2
(W)
W cc
(W)
Efetue as devidas correções e obtenha os valores nominais da tensão e da potência de
curto-circuito:
Icc
(A)
V cc
(V)
V ccn
(V)
In = √
V ccn =
V cc · In
Icc
UFU-Laboratório de Transformadores
Pn
3·Vn
⇒
3a ed.
W ccn =
W ccn
(W)
In2
· W cc
Icc2
10 de agosto de 2010
4.4 Questões
4.4
20
Questões
1. Construa a curva caracterı́stica de curto-circuito V cc = f (Icc).
2. Faça um comentário sobre a curva obtida. Qual a sua aplicação no ensaio em curtocircuito?
3. Calcule a porcentagem da tensão primária de curto-circuito, relativamente à tensão
primária nominal:
Vn
(V)
V cc
(V)
V cc% de V n
4. Calcule o valor da impedância Z, da resistência R e da reatância X percentuais,
efetuando as devidas correções para 75o C.
R
(%)
X
(%)
R% =
W cc
· 100%
Wn
Z
(%)
⇒
X% =
R75o C = R ·
R75o C
(%)
Z% =
Z75o C
(%)
V cc
· 100%
Vn
p
Z%2 − R%2
+ θ75o C
1
α
⇒
= 234, 5
1
αcobre
+ θamb
α
1
5. Determine para o transformador ensaiado, as perdas adicionais e as perdas nos enrolamentos.
W0
(W)
Wad = 20% de W0
(W)
W ccn
(W)
Wenrolamento
(W)
6. Compare as perdas nos enrolamentos com as a vazio e tire suas conclusões sobre o
transformador sob teste.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
4.5 Conclusão
21
7. Enumere as vantagens e desvantagens de um transformador que tenha um valor muito
alto de V1cc.
8. Segundo a ABNT, quais são os valores normais de V1cc
9. Analisar a diferença dos resultados desprezando-se ou não as perdas adicionais.
10. Durante o ensaio em curto, o que acontece com a indução no núcleo do transformador?
Por que?
4.5
Conclusão
Escreva em um mı́nimo de 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio em curto-circuito
de um transformador trifásico executado em laboratório e sobre a importância dos parâmetros obtidos durante o teste.
4.6
Anexo
Figura 4.2: Propriedades dos Materiais
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
Laboratório: Aula
5
Ensaio para a Determinação do
Rendimento e Regulação do
Transformador
5.1
Rendimento do Transformador
Por definição, Rendimento é a relação entre a potência de saı́da P2 e a potência de
entrada P1 , normalmente expressa em porcentagem, como mostra a equação 5.1.
P2
· 100%
(5.1)
P1
O cálculo do rendimento pode ser feito usando-se as medidas das duas potências. Entretanto, nos transformadores, os valores dos rendimentos, são muito altos, fazendo com que
os valores medidos sejam muito próximos e sua diferença supera freqüentemente a classe
de precisão dos instrumentos de medida. Nestes casos, é comum utilizar-se um processo
indireto.
O rendimento depende obviamente, dos valores da carga e do seu fator de potência.
O rendimento fornecido pelo fabricante, segundo a ABNT, deve ser referente à sua carga
nominal com fator de potência unitário.
A equação 5.2 permite o cálculo do rendimento pelo processo indireto.
η% =
η% =
V2 · I2 · cos(φ)
· 100%
V2 · I2 · cos(φ) + R2 · I22 + P0 + Pad
22
(5.2)
5.1 Rendimento do Transformador
23
Onde:
• V2 · I2 · cos(φ)
• R2 · I2
• P0
⇒ é a potência P2 de saı́da;
⇒ corresponde as perdas em curto-circuito;
⇒ corresponde as perdas em vazio;
• Pad ⇒ são perdas adicionais diversas além das citadas, que correspondem a aproximadamente 20% de P0 , logo: P0 + Pad = 1, 2 · P0 .
Nesta aula, usaremos o processo direto para a medição do rendimento, utilizando como
cargas três resistores.
5.1.1
Rendimento em Energia
As empresas de energia elétrica calculam o rendimento em energia diário dos transformadores, consideram o rendimento em n intervalos de tempo de potência aproximadamente
constante (no intervalo de tempo n), sendo que h é medido em horas (rendimento diário)
para cada intervalo.
A expressão para o rendimento diário em energia será dada pela equação 5.3.
η% = P
n
Sendo:
n
P
V2 · I2 · cos(φ) · h
V2 · I2 · cos(φ) · h +
• E2h =
n
P
V2 · I2 · cos(φ) · h
• Ecc =
n
P
R2 · I22 · h
n
P
R2 ·
I22
· h + 1, 2 · P0 · 24
· 100%
(5.3)
⇒ Energia de saı́da no intervalo de tempo n;
⇒ Energia do ensaio em curto-circuito (Pcc ) para o intervalo
de tempo n;
• P0
⇒ perdas em vazio, que ocorrem durante as 24 horas do dia.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
5.2 Regulação de Tensão em Transformadores
5.2
24
Regulação de Tensão em Transformadores
A Regulação de Tensão é a variação da tensão na saı́da do transformador quando a
carga nominal é retirada. Ela indica portanto, a capacidade do transformador de manter
tensão estável com a variação da carga desde vazio até plena carga. Normalmente, seu
valor é fornecido em porcentagem da tensão nominal de saı́da.
Reg% =
E2 − V2
· 100[%]
V2
(5.4)
Sendo que:
• Reg%
⇒ Regulação percentual;
• E2
⇒ tensão a vazio;
• V2
⇒ tensão com carga nominal.
Da teoria vista em sala, sabe-se que a regulação depende também do valor da carga
(corrente) e do tipo de carga (indutivo ou capacitivo) e do valor do seu fator de potência.
A regulação fornecida pelos fabricantes refere-se às condições nominais de carga com
fator de potência unitário.
Devemos saber que a melhor regulação deve ser próxima de zero. Quanto maior a
regulação, pior é a variação de tensão no secundário do transformador, e esta variação não
pode ser grande.
5.3
Preparação do Ensaio
Será necessário para este ensaio os seguintes equipamentos:
• 1 Transformador Trifásico;
• 2 Voltı́metros;
• 6 Amperı́metros;
• 4 Wattı́metros;
• 1 Varivolt Trifásico;
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
5.3 Preparação do Ensaio
25
• 3 Reostatos;
• Fios e cabos para as ligações.
Registrar os dados de placa do transformador a ser ensaiado e calcular as correntes nominais
do mesmo. Efetuar a montagem conforme diagrama 5.1.
V
V
Volt
Volt
Amp
A
Watt
A
B
Varivolt 3f
C
N
H1
X1
H2
X2
H3
X3
Transformador 3f
Amp
Amp
Reostato
Reostato
Amp
V
Amp
A
Watt
V
A
Watt
Amp
A
Watt
Reostato
Figura 5.1: Esquema de ligação para ensaio de Rendimento e Regulação
5.3.1
Execução do Ensaio
1. Colocar uma carga variável no secundário do transformador e alimentá-lo com tensão
nominal no primário.
2. Registrar a tensão no secundário com carga zero.
3. Variar a carga com fator de potência constante, com valores de I2 medidos de 0,5 em
0,5 Ampère, até atingir a corrente nominal I2n .
4. Para cada valor de I2 lido, registrar as diversas leituras dos instrumentos, preenchendo
a tabela 5.1.
5. Calcular o Rendimento e a Regulação para cada valor de I2 .
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
5.4 Questões
26
Tabela 5.1: Tabela a ser preenchida e calculada para obtenção do Rendimento e Regulação
do transformador
I2
5.4
V2
W3
W4
P2
I1
V1
W1
W2
P1
Reg%
η%
Questões
1. Com os dados obtidos no ensaio(tabela 5.1), traçar para o transformador em questão
a curva do rendimento em função da carga (η% x I2 ou η% x fc ).
2. Analise o gráfico da questão anterior em relação a carga, verificando o comportamento
do transformador em vazio, a meia carga e com carga máxima.
3. Se você fosse o engenheiro responsável, qual o regime de carga você recomendaria
para este transformador trabalhar a maior parte do dia?
4. Classificar o transformador pela curva obtida (forca ou distribuição).
5. Desenhe uma curva de carga diária hipotética de um transformador. Faca a analise de
rendimento com base nesta curva e na expressão para o rendimento diário em energia
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
5.5 Conclusões
27
fornecida pelo transformador. (Não se esqueça que o carregamento do transformador
se altera ao longo de um dia de funcionamento e que as perdas a vazio são constantes).
6. Utilizando a mesma montagem, determinar os valores de R2 , X2 e Z2 do transformador em uso.
7. Utilize os valores de R2 , X2 e Z2 , para o calculo da regulação pelos métodos: gráfico
(Desenhe o diagrama de Kapp do transformador) e analı́tico (Calcule a regulação:
Reg% = Z% · fc · cos(φi − φc )). Lembre-se que o fator de potência para cargas
resistivas é unitário.
5.5
Conclusões
Escreva em no mı́nimo 10 linhas as suas conclusões sobre o ensaio para a determinação
do Rendimento e da Regulação de um transformador trifásico.
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3a ed.
10 de agosto de 2010
Laboratório: Aula
6
Determinação da Polaridade e
Defasamento Angular de Transformadores
Trifásicos
A polaridade de um transformador está relacionada ao sentido de enrolamento das
bobinas, e esta pode ser aditiva ou subtrativa.
Já o defasamento angular está relacionado ao tipo de ligação trifásica do transformador
que pode ser ∆, Y ou Z.
6.1
Preparação
Registrar os dados de placa do transformador a ser ensaiado.
Material necessário:
• 1 fonte CC;
• 2 voltı́metros CA;
• 2 voltı́metros CC;
• 1 amperı́metro CC de ponteiro central;
• 1 varivolt trifásico;
• 1 transformador trifásico;
• 1 chave liga-desliga.
28
6.2 Determinação da Polaridade
6.2
29
Determinação da Polaridade
Determinar pelo método do golpe indutivo, a polaridade de cada coluna do transformador, usando a montagem da figura 6.1.
H1
CH
Fonte CC
X1
Volt
Volt
H0
X0
Figura 6.1: Montagem para determinação da Polaridade
Realizar a ligação sucessivamente para cada uma das fases. Ao ligar, se V1 defletir
positivamente, observar a deflexão de V2 ao desligar:
• Se V2 defletir negativamente, a polaridade é subtrativa.
• Se V2 defletir positivamente, a polaridade é aditiva.
Polaridade Encontrada
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
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6.3 Determinação do Defasamento Angular
6.3
6.3.1
30
Determinação do Defasamento Angular
Defasamento Angular: Comparação das Tensões
Efetue a ligação mostrada na figura 6.2.
100V
Volt
A
B
Varivolt 3f
C
N
H1
X1
H2
X2
H3
X3
Transformador 3f
Figura 6.2: Esquema de ligação para determinação de Defasamento Angular
Fechar um curto entre H1 e X1 e alimentar o lado de VT S com tensão trifásica reduzida.
Medir as tensões especificadas na tabela 6.1 para a determinação do defasamento angular
do transformador pelo método da comparação das tensões.
Tabela 6.1: Medições para o Método da Comparação das Tensões
VT S
[V ]
VH1−H3
[V ]
VH3−X2
[V ]
VH2−X2
[V ]
VH3−X3
[V ]
VH2−X3
[V ]
Com os dados da tabela 6.1 em mãos, consulte a tabela 6.2 afim de obter o ângulo do
defasamento angular. Observe que não é possı́vel a determinação do tipo de ligação do
transformador, pois vários tipos de ligação possuem o mesmo ângulo de defasamento.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
Tabela 6.2: Obtenção do ângulo de defasamento
6.3 Determinação do Defasamento Angular
6.3.2
32
Defasamento Angular: Método do Golpe Indutivo
Determinar o defasamento pelo método do golpe indutivo efetuando as ligações e efetuando as medições conforme a figura 6.3.
CH
Fonte CC
CH
H1
X1
H2
X2
H3
X3
Amp
Fonte CC
Transformador 3f
H1
X1
H2
X2
H3
X3
Amp
Transformador 3f
CH
Fonte CC
H1
X1
H2
X2
H3
X3
Amp
Transformador 3f
Figura 6.3: Determinação de Defasamento Angular pelo método do Golpe Indutivo
• Ligar uma fonte de CC através de uma chave a TS, positivo em H1 e negativo em
H2.
• Ligar um amperı́metro em três posições, aos terminais da TI, da seguinte forma:
– 1a posição - X1X2 - positivo do instrumento em X1.
– 2a posição - X1X3 - positivo do instrumento em X1.
– 3a posição - X2X3 - positivo do instrumento em X2.
• Fechar o interruptor na TS, fazendo desta forma, H1 positivo e H2 negativo e verificar
para as três posições, a polaridade dos terminais X1-X2, X1-X3 e X2-X3, completando
a tabela 6.3.
• Verificar se a polaridade das fases A, B e C está corretamente ligada aos terminais
H1, H2 e H3 nesta ordem respectivamente. Caso alguma destas polaridades estiverem
ligadas invertidas nos terminais, a verificação do defasamento angular através da
tabela 6.4 será impossı́vel.
Através dos dados obtidos na tabela 6.3 podemos compará-los com a tabela 6.4 afim
de obter o defasamento angular pelo método do golpe indutivo.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
6.4 Questões
33
Tabela 6.3: Anote as polaridades encontradas
X1
X2
X1
X3
X2
X3
Tabela 6.4: Tabela para verificação do Defasamento Angular pelo Golpe Indutivo
6.4
X1
X2
X1
X3
X2
X3
Defasamento
+
-
+
-
-
+
0o
+
-
0
0
-
+
30o
-
+
-
+
+
-
180o
-
+
0
0
+
-
210o
Questões
1. Após a montagem da figura 6.2, e com os dados da tabela 6.1 em mãos, consulte a
tabela 6.2 e obtenha o ângulo do defasamento angular pelo método da comparação
das tensões.
2. Após a montagem da figura 6.3, e com os dados da tabela 6.3 em mãos, consulte a
tabela 6.4 e obtenha o ângulo do defasamento angular pelo método do golpe indutivo.
3. Por que o ensaio da determinação do defasamento angular não permite conhecer o
tipo de ligação das TS e TI do transformador?
4. Como o ensaio para determinação do defasamento angular não permite conhecer o
tipo de ligação, há alguma forma de saber qual o tipo de ligação do transformador?
5. Por que é importante conhecer o defasamento angular do transformador?
6.5
Conclusões
Escreva em um mı́nimo de 10 linhas as suas conclusões sobre a importância do ensaio
para determinação do defasamento angular de transformadores trifásicos.
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
10 de agosto de 2010
Laboratório: Aula
7
Operação em Paralelo de
Transformadores
Para que transformadores possam ser conectados em paralelo, eles devem satisfazer as
seguintes condições:
• possuir a mesma relação de transformação;
• possuir o mesmo grupo de defasamento angular;
• apresentar a mesma impedância percentual;
• apresentar mesma relação entre resistência e reatância equivalentes.
Portanto, antes de se executar a ligação em paralelo dos transformadores, estas condições devem ser verificadas através de testes.
7.1
Preparação
Prepare portanto os seguintes materiais:
• 2 voltı́metros CA;
• 2 wattı́metros CA;
• 3 amperı́metros CA;
• 1 varivolt trifásico;
• 2 transformadores trifásicos;
34
7.2 Ensaios
7.2
35
Ensaios
Para a verificação das condições de paralelismo, proceda como se segue:
1. Verifique se os transformadores possuem a mesma relação de transformação medindo
as tensões no primário e secundário e preencha a tabela 7.1.
Tabela 7.1: Verifique a relação de transformação
V1
[V ]
V2
[V ]
Kn
Kn = VV12
2. Verifique se os transformadores possuem a mesma impedância percentual realizando
os ensaios do capı́tulo 4 na página 17 e preencha a tabela 7.2.
Tabela 7.2: Verifique a impedância percentual
/////
T ransf ormador
1
T ransf ormador
2
Potência
V1
V2
Vcc
Pcc
Z%
R%
X%
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3a ed.
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7.2 Ensaios
36
3. Verifique se os transformadores possuem a mesma relação entre resistência e reatância
equivalentes utilizando os dados obtidos no ı́tem anterior, e preencha a tabela 7.3.
Tabela 7.3: Verifique a relação entre resistência e reatância equivalentes
/////////////////
T ransf ormador
1
T ransf ormador
2
R%
X%
R%
X%
4. Verifique se os transformadores possuem o mesmo defasamento angular realizando os
ensaios do capı́tulo 6 na página 28, e preencha a tabela 7.4. Para tanto, sugere-se
o método da comparação das tensões. Para isso, pode-se aproveitar a montagem do
circuito do ensaio em curto-circuito, bastando apenas retirar o curto do secundário,
ligar H1 e X1 e medir as tensões da tabela 7.4 e compará-las, conforme tabela 6.2 da
página 31.
Tabela 7.4: Medições para o Método da Comparação das Tensões
Transformador 1
Transformador 2
V1
[V ]
VH1−H3
[V ]
VH3−X2
[V ]
VH2−X2
[V ]
VH3−X3
[V ]
VH2−X3
[V ]
Defasamento
Angular
UFU-Laboratório de Transformadores
3a ed.
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7.3 Paralelismo
7.3
37
Paralelismo
De posse dos dados dos ensaios, concluir se há condições de ligação em paralelo dos
transformadores.
Se for possı́vel, após ligá-los conforme a figura 7.1, verifique as condições de operação, fazendo medidas das correntes de circulação nas conexões secundárias e da tensão
secundária correspondente.
Volt
A
B
Varivolt 3f
C
N
H1
H2
H3
H1
Transformador 3f
X1
X2
X3
H2
H3
Transformador 3f
X0
X1
X2
X3
X0
Volt
Amp
Carga
Figura 7.1: Ensaio de Transformadores em Paralelo
Uma vez os transformadores ligados em paralelo meça a corrente circulante entre os
dois transformadores com os neutros interligados e com os neutros no secundário isolados
e anote seus valores na tabela 7.5.
Tabela 7.5: Verificação da Corrente circulante
Neutros Interligados
Neutros Isolados
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7.4 Questões
7.4
38
Questões
1. Sabemos que uma das condições de se ligar transformadores em paralelo é que eles
possuam a mesma impedância interna. Explique por que.
2. Por que é necessário conhecer o defasamento angular dos transformadores para ligálos em paralelo?
3. Sabemos que transformadores com potências diferentes podem ser ligados em paralelo, mas um engenheiro sábio não projeta sistemas desta forma. Explique o que pode
ocorrer ao se ligar em paralelo transformadores com potências diferentes.
4. Você já observou que os transformadores de distribuição estão ligados em paralelo
apenas no primário? Por que é recomendado que os transformadores de distribuição
não sejam ligados em paralelo também no secundário?
5. Muitas vezes opta-se por vários transformadores em paralelo ao invés de somente um
transformador com potência suficiente para atender a carga. Você como engenheiro
da empresa ou concessionária de energia, como justificaria tal procedimento? Quais
as vantagens e desvantagens de se tomar esta decisão?
6. Considerando a corrente circulante com neutro interligado e com neutro isolado, em
qual das duas situações a corrente circulante é menor? Por que?
7. Qual é a situação real de operação em paralelo? Com os neutros interligados ou
isolados? Por que?
8. A operação satisfatória do circuito em paralelo composto pelos transformadores é
concluı́da após análise das leituras da corrente circulante Icirc e da tensão secundária
V2 . Na situação ideal, a corrente Icirc deve ser nula e a tensão V2 deve ser exatamente
igual à nominal secundária dos dois transformadores. Justifique o por que.
9. Demonstre que no caso do paralelismo entre os transformadores T1 e T2, a relação
mostrada na equação 7.1 é verdadeira.
ST 1 %
ZT 2 %
=
ST 2 %
ZT 1 %
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(7.1)
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7.5 Conclusão
7.5
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Conclusão
Escreva em um mı́nimo de dez linhas suas conclusões sobre a importância de um estudo
detalhado dos transformadores quando a sua conexão em paralelo.
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