Os transformadores trif´asicos de 45kVA foram ensaiados durante 12 ho- ras de opera¸c˜ao e a potˆencia foi alterada de hora em hora, com exce¸c˜ao para o m´aximo carregamento. A potˆencia de 114% da nominal foi mantida no transformador durante 30 minutos no intuito de garantir a integridade da bancada de teste. A opera¸c˜ao por mais de 30 minutos eleva a temperatura de opera¸c˜ao do conversor, aumentando a possibilidade de atua¸c˜ao da prote- ¸c˜ao. No dissipador do conversor, foi instalado um sensor de temperatura que interrompe a realiza¸c˜ao dos testes caso a temperatura m´axima seja ultrapas- sada, ou seja, a integridade do conversor seja comprometida.
Outro limitador operativo do sistema, com rela¸c˜ao `a m´axima potˆencia, ´e definido pelos filtros. Os indutores dos filtros foram projetados e testados
para uma corrente de pico m´axima de 100A, contudo na condi¸c˜ao de carre- gamento m´aximo chega a 112A. Um valor maior de corrente ´e suficiente para levar os n´ucleos dos indutores `a satura¸c˜ao. O sistema de ventila¸c˜ao, insta- lado nos pain´eis dos filtros, n˜ao ´e suficiente para dissipar o calor necess´ario. Durante a opera¸c˜ao, foram monitoradas temperaturas no indutor de 1200C
e no capacitor de 800C, valores este iguais aos m´aximos recomendados pelos
fabricantes.
6.3.2.1 Dados operacionais dos transformadores
O comportamento das potˆencias ativas no prim´ario e secund´ario dos transformadores N0 381486 e N0 381128 ´e apresentado nas Figuras 6.22 e
6.23, respectivamente. Adicionalmente, as Tabelas 6.10 e 6.11 apresentam dados quantitativos das perdas para cada patamar de carga aplicada nos transformadores. 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Tempo(h) Potência Ativa(kW)
T
1T
2T
3 Potência no secundário Potência no primárioFigura 6.22: Potˆencia ativa no prim´ario e secund´ario do transformador trif´asico de 45kVA/13,8kV - N0 381486.
Tabela 6.10: Perdas no transformador trif´asico de 45kVA/13,8kV -N0 381486.
Transformador de distribui¸c˜ao N0 381486 - 45kVA, 380V/13,8kV
Carregamento FP Perdas - S1 Perdas - D1 Perdas - S2
27,33% 0,94 1,07% 1,15% - 51,33% 0,97 1,76% 1,72% 1,69% 76,00% 0,98 2,28% 2,31% 2,24% 101,33% 0,99 3,37% 3,46% 3,51% 114,22% 1,00 4,00% - 4,14% 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Tempo(h) Potência Ativa(kW) Potência no secundário
T
2T
3T
1 Potência no primárioFigura 6.23: Potˆencia ativa no prim´ario e secund´ario do transformador trif´asico de 45kVA/13,8kV - N0 381128.
Tabela 6.11: Perdas no transformador trif´asico de 45kVA/13,8kV -N0 381128.
Transformador de distribui¸c˜ao N0 381128 - 45kVA, 380V/13,8kV
Carregamento FP Perdas - T1 Perdas - T2 Perdas - T3
27,33% 0,94 1,07% 1,16% -
51,33% 0,97 1,65% 1,76% 1,71%
76,00% 0,98 2,24% 2,42% 2,42%
101,33% 0,99 3,30% 3,39% 3,46%
Confrontando os dados, observa-se que as varia¸c˜oes das perdas em fun- ¸c˜ao da temperatura de opera¸c˜ao nestes transformadores s˜ao bem reduzidas. Durante as 12 horas de opera¸c˜ao, as perdas praticamente n˜ao mudaram para os perfis de cargas equivalentes.
Com o objetivo de comparar os desempenhos operacionais dos dois trans- formadores de 45kVA, s˜ao apresentadas na Tabela 6.12 e na Figura 6.24 as perdas m´edias e os rendimentos dos mesmos.
Tabela 6.12: Perdas nos transformadores trif´asicos N0 381128 e 381486.
Transformadores de distribui¸c˜ao N0 381128 e 381486 N0 Trafo 27, 33% 51, 33% 76, 00% 101, 33% 114, 22% 381486 1,11% 1,72% 2,31% 3,44% 4,07% 381128 1,12% 1,71% 2,36% 3,38% 4,02% 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Nível de Carregamento (kVA)
Perdas (W) Transformador de 45 kVA Traformador 381486 Traformador 381128 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 94 94.5 95 95.5 96 96.5 97 97.5 98 98.5 99
Nível de Carregamento (kVA)
Rendimento (%)
Transformador de 45 kVA
Traformador 381486 Traformador 381128
(a) (b)
Figura 6.24: Perdas e rendimento dos transformadores trif´asicos 381486 e 381128. (a) - Perdas nos transformadores trif´asicos 381486 e 381128;
(b) - Rendimento dos transformadores trif´asicos 381486 e 381128.
Pode-se observar que as perdas m´edias s˜ao praticamente iguais em am- bos os transformadores, e o m´aximo rendimento ´e de aproximadamente 97%, que ocorre para um carregamento de 76% da potˆencia nominal. Para o carregamento 114,22% o rendimento dos transformadores reduz para aproxi- madamente 96%.
6.3.2.2 Dados operacionais da bancada
A bancada regenerativa, apesar de ser submetida a um n´ıvel de potˆencia elevado, bem pr´oximo do m´aximo admitido, apresenta opera¸c˜ao est´avel e os valores de potˆencia ativa e reativa seguem as referˆencias dos controladores. Na Figura 6.25 s˜ao apresentadas as potˆencias ativa e reativa nos conversores da bancada durante os testes dos transformadores trif´asicos de 45kVA.
0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 P [kW] − Q [kVAr] Tempo (h) P Q Potência Ativa no Retificador
Potência Reativa no Retificador
0 2 4 6 8 10 12 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 P [kW] − Q [kVAr] Tempo (h)
Potência Reativa no Inversor (Q e Q*) Potência Ativa no Inversor (P e P*)
(a) (b)
Figura 6.25: Potˆencias ativa e reativa nos conversores durante o ensaio dos trans- formadores trif´asicos de 45kVA.
(a) - Potˆencia ativa e reativa injetada no barramento CC; (b) - Potˆencia ativa e reativa no conversor inversor.
O conversor retificador ativo injeta no barramento CC 51,4kW durante a opera¸c˜ao em m´axima potˆencia, enquanto que o conversor inversor injeta 45kW, acarretando uma perda no conversor back-to-back de aproximada- mente 6,4kW. Novamente a potˆencia reativa ´e igualada a zero atrav´es dos controladores, visto que n˜ao h´a a necessidade de se regular o fluxo de reativo durante os testes.
Na Figura 6.26 s˜ao apresentadas as correntes de eixo direto e em quadra- tura nos conversores, bom como a tens˜ao no barramento CC. A corrente de eixo direto no conversor retificador para opera¸c˜ao com 51,4kW ´e aproxima- damente 112A, valor este maior que o considerado na etapa de projeto dos indutores. As correntes e a tens˜ao no barramento CC s˜ao est´aveis e iguais aos valores de referˆencia. A tens˜ao ´e mantida pelos controladores em 780V,
durante todo o teste, independentemente da potˆencia drenada pelo conversor inversor. 0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 Corrente [A] Retificador Ativo 0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 Corrente [A] Tempo (h) Inversor Corrente i d e id * Corrente i d e id * Corrente i q e iq * Corrente i q e iq * 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 760 765 770 775 780 785 790 Tensão no Barramento CC [V cc ] Tempo (h) Vdc Vdcref. Tensão no Barramento CC − Vcc e Vcc* (a) (b)
Figura 6.26: Correntes de eixo direto e em quadratura nos conversores e tens˜ao no barramento CC durante o ensaio dos transformadores trif´asicos de 45kVA.
(a) - Corrente id e iq nos conversores retificador e inversor;
(b) - Tens˜ao no barramento CC.
6.3.2.3 Dados Comparativos nos Estudos dos Transformadores Nesta se¸c˜ao ´e realizada uma an´alise comparativa entre os resultados ob- tidos nos 12 transformadores trif´asicos de distribui¸c˜ao ensaiados. As Tabelas 6.13 e 6.14 apresentam as perdas m´edias nos transformadores e a avalia¸c˜ao do rendimento em fun¸c˜ao do n´ıvel de carregamento, respectivamente.
Comparando-se os resultados da Tabela 6.13 para os transformadores tri- f´asicos de 30kVA verifica-se que os que possuem tens˜ao de 13,8kV apresentam menores perdas, para todos os n´ıveis de carga, em rela¸c˜ao aos transforma- dores de 23,1kV. As perdas nos transformadores de 30kVA fabricados pela empresa Ep4 s˜ao menores que os fabricados pela empresa Ep2, independen-
temente do n´ıvel de carga de opera¸c˜ao, quando se compara transformadores de mesma tens˜ao.
Tabela 6.13: Perdas m´edias nos 12 transformadores trif´asicos em fun¸c˜ao do n´ıvel de carregamento.
Transformadores de distribui¸c˜ao trif´asicos
N0 Transf. 30kVA 30, 50% 55, 00% 81, 00% 103, 67% 115, 33% 381484 - Ep2 0,56% 0,83% 1,68% 2,40% 3,15% 381126 - Ep4 0,30% 0,68% 1,53% 2,39% 2,83% 381489 - Ep2 1,43% 2,67% 3,80% 5,13% 5,93% 381132 - Ep4 1,35% 2,38% 3,43% 4,60% 5,20% N0 Transf. 45kVA 27, 33% 51, 33% 76, 00% 101, 33% 114, 22% 381486 - Ep2 1,11% 1,72% 2,31% 3,44% 4,07% 381128 - Ep4 1,12% 1,71% 2,36% 3,38% 4,02% 381493 - Ep2 0,69% 1,45% 2,22% 3,31% 4,06% 381136 - Ep4 1,16% 2,13% 2,93% 4,00% 4,69% N0 Transf. 75kVA 16, 27% 30, 67% 45, 33% 60, 40% - 381488 - Ep2 1,15% 1,65% 1,93% 2,28% - 381130 - Ep4 0,68% 0,91% 1,10% 1,48% - 381496 - Ep2 0,72% 0,90% 1,13% 1,45% - 381138 - Ep4 0,57% 0,87% 1,16% 1,48% -
Tabela 6.14: Resultados dos testes realizados nos transformadores trif´asicos de 30kVA, 45kVA e 75kVA.
Resultados dos testes dos transformadores trif´asicos Potˆencia e Fab. Maior Rendimento Rend. Rend.
tens˜ao Potˆencia Rend. ≈ 100%Pn ≈ 114%Pn
30kVA Ep2 55% 98,4% 97,7% 97,2% 380V/13,8kV Ep4 30% 98,9% 97,6% 97,4% 30kVA Ep2 81% 95,2% 95,0% 94,8% 380V/23,1kV Ep4 81% 95,7% 95,5% 95,4% 45kVA Ep2 76% 96,9% 96,6% 96,4% 380V/13,8kV Ep4 76% 96,9% 96,6% 96,4% 45kVA Ep2 27% 97,3% 96,7% 96,4% 380V/23,1kV Ep4 76% 96,1% 96,0% 95,9% 75kVA Ep2 45% 97,5% - - 220V/13,8kV Ep4 60% 96,2% - - 75kVA Ep2 60% 97,6% - - 220V/23,1kV Ep4 60% 97,5% - -
Na Tabela 6.14 observa-se que o maior rendimento do transformador de 30kVA 380V/13,8kV, fabricado pela empresa Ep2, de 98,4% foi encontrada
para uma carga de 55% da nominal. Para opera¸c˜ao com carga nominal e acima da nominal os rendimentos do transformador foram de 97,7% e 97,2%, respectivamente. No transformador fabricado pela empresa Ep4 o maior ren-
dimento de 98,9% foi para uma carga de 30% da nominal. Com carga nominal e acima da nominal os rendimentos foram de 97,6% e 97,4%, respectivamente. Desta forma, a diferen¸ca operacional de destaque nos transformadores de 30kVA 380V/13,8kV s˜ao os pontos de maior rendimento. Por outro lado, nos transformadores de 30kVA 380V/23,1kV n˜ao se observou esta diferen¸ca operacional, sendo que os maiores rendimentos foram ambos obtidos para o carregamento de 81% do nominal.
Os transformadores dos fabricantes Ep2 e Ep4 de 45kVA 380V/13,8kV
apresentaram resultados similares. Os melhores rendimentos de 96,9% foram obtidos para o carregamento de 76%. Na condi¸c˜ao nominal os rendimentos foram de 96,6% e na condi¸c˜ao de sobrecarga de 96,4%. Contraditoriamente, nos transformadores de 45kVA 380V/23,1kV os resultados encontrados para o ponto de maior rendimento foram distintos entre os fabricantes.
Os transformadores de 75kVA 380V/13,8kV, visto limita¸c˜oes construti- vas da bancada, n˜ao foram ensaiados nas condi¸c˜oes nominal e de sobrecarga. Nas condi¸c˜oes avaliadas, o melhor rendimento do transformador do fabricante Ep2 de 97,5% foi obtido para o carregamento de 45%. No transformador do
fabricante Ep4 o melhor rendimento de 96,2% foi obtido para o carregamento
de 60%.
Outros resultados provenientes dos ensaios realizados nos transformado- res de distribui¸c˜ao s˜ao apresentados no Apˆendice F.
6.4
Coment´arios Finais
Durante a realiza¸c˜ao dos ensaios dos transformadores de distribui¸c˜ao monof´asicos e trif´asicos, a bancada regenerativa operou por 208 horas. Nos transformadores monof´asicos foram realizados 3 testes, sendo avaliados dois bancos trif´asicos, totalizando 68 horas de opera¸c˜ao. Os resultados apresenta- dos no texto foram obtidos durante o terceiro teste. As restantes 140 horas de
opera¸c˜ao ocorreram durante os ensaios dos transformadores trif´asicos. Neste cap´ıtulo e no Apˆendice F s˜ao apresentados os resultados dos 12 ensaios, con- templando todas as faixas de potˆencias e n´ıveis de tens˜oes presentes.
A bancada regenerativa foi projetada em fun¸c˜ao dos transformadores es- peciais de 50kVA 220/480V, entretanto, ap´os pequenas altera¸c˜oes, foi poss´ıvel ensaiar transformadores de distribui¸c˜ao convencionais. A partir dos ensaios realizados, foi poss´ıvel avaliar o desempenho operacional dos transformado- res monof´asicos e trif´asicos com imparcialidade. Os perfis de carga aplicados nos transformadores equivalentes foram similares, dando credibilidade aos resultados obtidos.
O tempo de opera¸c˜ao e as caracter´ısticas de opera¸c˜ao credenciam a ban- cada regenerativa como alternativa para a realiza¸c˜ao de ensaios de rotina em transformadores de distribui¸c˜ao. Com a utiliza¸c˜ao da bancada os transfor- madores sob testes operaram em condi¸c˜oes similares ao que s˜ao submetidos em campo, quando operando no sistema el´etrico de potˆencia.
Considera¸c˜oes Finais e
Propostas de Continuidade
7.1
Considera¸c˜oes Finais
Este trabalho apresentou uma nova metodologia para realiza¸c˜ao de en- saios de carregamento em transformadores de potˆencia. Tal metodologia foi desenvolvida atrav´es da concep¸c˜ao, especifica¸c˜ao e constru¸c˜ao de uma ban- cada de ensaios experimentais, rotulada como bancada regenerativa. Entre as diversas vantagens presentes na metodologia proposta em rela¸c˜ao `as t´ec- nicas convencionais, vale a pena destacar a possibilidade de realizar o ensaio com carga efetiva em ambiente laboratorial de forma segura, com baixo con- sumo de energia e com o controle das vari´aveis associadas ao carregamento do transformador.
Ap´os o desenvolvimento da metodologia, trabalhou-se com simula¸c˜oes computacionais, com o objetivo de se obter dados para auxiliar na an´alise comparativa entre os resultados a serem obtidos em laborat´orio com os es- perados, de acordo com a literatura. Este objetivo foi completamente al- can¸cado, uma vez que os resultados das simula¸c˜oes trouxeram um maior aprofundamento te´orico acerca do trabalho como um todo.
Na etapa de simula¸c˜ao da bancada, as malhas de controle dos conversores foram modeladas, definindo-se os crit´erios de projeto dos principais contro- ladores. Os resultados obtidos das simula¸c˜oes computacionais mostraram que a estrat´egia adotada no controle do conversor inversor foi capaz de rea- lizar o ensaio de carregamento do transformador nas condi¸c˜oes operacionais
desejadas. O controle do conversor retificador ativo manteve a tens˜ao no bar- ramento CC constante durante os testes, repondo assim a potˆencia drenada pelo conversor inversor.
Ap´os esta an´alise computacional, foi montada uma bancada experimental de 75kVA. Os primeiros ensaios realizados apresentaram resultados similares aos obtidos na etapa de simula¸c˜ao. Atrav´es desta bancada, a opera¸c˜ao iso- lada de cada componente da estrutura e a opera¸c˜ao global foram analisadas e os resultados apresentados. Desta forma, abordaram-se a especifica¸c˜ao e o projeto dos transformadores, conversores, filtros LC, sistema de medi¸c˜ao, circuitos auxiliares, supervis´orios e estrutura dos controladores dos converso- res.
Atrav´es da bancada regenerativa os transformadores especiais de 50kVA, dedicados ao sistema, foram ensaiados para diferentes condi¸c˜oes de opera- ¸c˜ao. Durante estes ensaios, monitorou-se as grandezas el´etricas e t´ermicas no transformador sob ensaio. Estes dados coletados e apresentados foram utilizados por alunos da UFMG em trabalhos de doutorado e mestrado, no processo de valida¸c˜ao de modelos t´ermicos propostos.
Al´em de ensaiar os transformadores trif´asicos de 50kVA, dedicados `a bancada regenerativa, foram ensaiados 18 transformadores de distribui¸c˜ao convencionais, sendo 6 monof´asicos e 12 trif´asicos. A partir destes ensaios, foi poss´ıvel definir as perdas operacionais e calcular o rendimento para diferentes carregamentos.
Todavia, ´e importante ressaltar que o principal objetivo de tais ensaios ´e comprovar a efic´acia do funcionamento da bancada. Seguindo esta linha de racioc´ınio, ´e importante registrar que os transformadores monof´asicos foram ensaiados com carga efetiva durante um ciclo de 24 horas, sendo a mesma alterada de hora em hora, j´a os transformadores trif´asicos foram ensaiados durante 12 horas. A carga aplicada durante os ensaios variou entre 30% e 115% da nominal. Durante a totalidade dos ensaios dos transformadores especiais e de distribui¸c˜ao, a bancada regenerativa operou aproximadamente 250 horas, comprovando a aplicabilidade e a robustez do sistema.
Em resumo, entre as contribui¸c˜oes alcan¸cadas durante o trabalho de doutorado, destaca-se:
• desenvolvimento da metodologia para o levantamento das condi¸c˜oes t´ermicas de opera¸c˜ao em transformadores com carga efetiva e baixo consumo de energia el´etrica;
• desenvolvimento da bancada experimental de 75kVA que, al´em de vali- dar a metodologia proposta, possibilita a realiza¸c˜ao de outros trabalhos de doutorado e mestrado na ´area em quest˜ao;
• forma¸c˜ao de um banco de dados, com as grandezas el´etricas e t´ermicas dos transformadores da bancada, para o desenvolvimento de metodo- logias de c´alculo da temperatura no ponto mais quente e no topo do ´oleo.