O cálculo das perdas de potência dos transformadores de subestações é um aspecto crucial do gerenciamento do sistema de potência. Como fornecedor deTransformadores de Subestação, entendemos a importância de cálculos precisos de perda de energia tanto para a eficiência dos transformadores quanto para a rede elétrica geral. Neste blog iremos nos aprofundar nos métodos e fatores envolvidos no cálculo dessas perdas.
Tipos de perdas de potência em transformadores de subestações
Existem dois tipos principais de perdas de potência em transformadores de subestações: perdas sem carga e perdas com carga.
Não - Perdas de Carga
As perdas sem carga, também conhecidas como perdas no núcleo, ocorrem mesmo quando o transformador não está alimentando nenhuma carga. Estas perdas devem-se principalmente à magnetização e desmagnetização do núcleo do transformador. O núcleo é feito de materiais ferromagnéticos e, quando um campo magnético alternado é aplicado, são geradas histerese e correntes parasitas.
A perda por histerese é a energia dissipada como calor quando os domínios magnéticos no material do núcleo são repetidamente realinhados. Depende das propriedades do material do núcleo, da densidade máxima de fluxo e da frequência da corrente alternada. A perda por correntes parasitas, por outro lado, é causada pelas correntes induzidas no núcleo devido à mudança do campo magnético. Essas correntes fluem em caminhos circulares dentro do núcleo e resultam em dissipação de calor.
A fórmula para calcular as perdas sem carga ($P_{0}$) é dada por:
$P_{0}=P_{h}+P_{e}$
onde $P_{h}$ é a perda por histerese e $P_{e}$ é a perda por correntes parasitas.
A perda por histerese pode ser estimada usando a fórmula de Steinmetz:
$P_{h}=k_{h}fB_{m}^{n}V$
onde $k_{h}$ é a constante de histerese, $f$ é a frequência do fornecimento, $B_{m}$ é a densidade máxima de fluxo no núcleo, $n$ é o expoente de Steinmetz (geralmente entre 1,5 e 2,5) e $V$ é o volume do núcleo.
A perda por correntes parasitas pode ser calculada usando a fórmula:
$P_{e}=k_{e}f^{2}B_{m}^{2}t^{2}V$
onde $k_{e}$ é a constante das correntes parasitas, $t$ é a espessura das laminações do núcleo.
Perdas de carga
As perdas de carga, também chamadas de perdas de cobre, ocorrem quando o transformador está alimentando uma carga. Essas perdas são devidas à resistência dos enrolamentos do transformador. Quando a corrente flui através dos enrolamentos, a energia é dissipada na forma de calor de acordo com a lei de Joule.
A fórmula para calcular as perdas de carga ($P_{L}$) em uma determinada corrente de carga $I$ é:
$P_{L}=I^{2}R$
onde $R$ é a resistência dos enrolamentos. No entanto, na prática, as perdas de carga são geralmente medidas na corrente nominal ($I_{r}$) e são dadas como um valor de perda de carga nominal ($P_{rL}$). Para calcular as perdas de carga com um fator de carga diferente ($\lambda$), a seguinte fórmula pode ser usada:
$P_{L}=\lambda^{2}P_{rL}$
onde $\lambda=\frac{I}{I_{r}}$ é o fator de carga.
Fatores que afetam as perdas de potência
Temperatura
A resistência dos enrolamentos do transformador depende da temperatura. À medida que a temperatura aumenta, a resistência dos enrolamentos também aumenta, levando a maiores perdas de carga. Portanto, medição e compensação precisas de temperatura são necessárias para cálculos precisos de perda de energia.
Freqüência
A frequência da alimentação afeta as perdas sem carga e com carga. Frequências mais altas geralmente resultam em aumento de histerese e perdas por correntes parasitas no núcleo. Além disso, a impedância dos enrolamentos também muda com a frequência, o que pode afetar a corrente de carga e, portanto, as perdas de carga.
Fator de carga
Conforme mencionado anteriormente, as perdas de carga são proporcionais ao quadrado do fator de carga. Um transformador operando com um fator de carga alto terá perdas de carga maiores em comparação com um operando com um fator de carga baixo. Portanto, otimizar a distribuição de carga nos transformadores pode ajudar a reduzir as perdas gerais de energia.
Procedimento de cálculo
Para calcular as perdas totais de potência ($P_{total}$) de um transformador de subestação, simplesmente somamos as perdas sem carga e as perdas com carga:
$P_{total}=P_{0}+P_{L}$
Aqui está um procedimento passo a passo para calcular as perdas de energia:
- Determine as perdas sem carga: Obtenha o valor de perda sem carga na folha de dados do fabricante do transformador ou meça-o usando equipamento de teste apropriado.
- Determine as perdas de carga nominais: Semelhante às perdas sem carga, as perdas nominais em carga podem ser obtidas na folha de dados ou medidas.
- Calcule o fator de carga: Meça a corrente de carga real e divida-a pela corrente nominal para obter o fator de carga.
- Calcule as perdas de carga: Use a fórmula $P_{L}=\lambda^{2}P_{rL}$ para calcular as perdas de carga no fator de carga atual.
- Calcule as perdas totais de energia: Some as perdas sem carga e as perdas com carga para obter as perdas totais de potência.
Importância do cálculo preciso da perda de energia
O cálculo preciso da perda de potência é essencial por vários motivos. Em primeiro lugar, auxilia na avaliação da eficiência do transformador. Conhecendo as perdas de potência, podemos calcular a eficiência do transformador utilizando a fórmula:
$\eta=\frac{P_{out}}{P_{in}}\times100%=\frac{P_{in}-P_{total}}{P_{in}}\times100%$
onde $P_{out}$ é a potência de saída e $P_{in}$ é a potência de entrada.
Em segundo lugar, o cálculo da perda de potência é importante por razões económicas. Perdas elevadas de energia significam que mais energia é desperdiçada, o que se traduz em custos operacionais mais elevados. Ao calcular com precisão as perdas, podemos identificar oportunidades para reduzir o consumo de energia e poupar dinheiro.
Finalmente, o cálculo das perdas de potência é crucial para o projeto e planejamento de sistemas de potência. Ajuda na determinação do tamanho e classificação apropriados dos transformadores, bem como na otimização da distribuição de carga nos transformadores para minimizar as perdas gerais.
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Referências
- Sistemas Elétricos de Potência: Análise e Controle por A. Gómez - Expósito, C. Canizares e JR Martí.
- Análise e projeto de sistemas de energia por J. Duncan Glover, Mulukutla S. Sarma e Thomas J. Overbye.
- Engenharia de Transformadores: Projeto, Tecnologia e Diagnóstico por GK Dubey.