Testes de fator K em transformadores

Configuração para determinação do fator K de transformadores

A determinação e a verificação do fator K normalmente não são realizadas durante os testes de fábrica, mas sim durante a operação, em condições de teste de carga ou de simulação com distorção harmônica, ou em uma configuração dedicada para testes de carga harmônica utilizando fontes de energia programáveis.

Um analisador de potência captura o espectro harmônico de corrente resultante de cargas não lineares que causam aquecimento adicional nos transformadores. Os parâmetros da fórmula do fator K são medidos em um circuito elétrico ativo, portanto, representam a distorção harmônica real, tanto no total quanto para cada ordem harmônica com a qual o transformador se depara. Um analisador de potência moderno pode calcular automaticamente o fator K com base nessas medições.

Interpretação dos resultados da medição do fator K do transformador

A fórmula do fator K pondera cada harmônico pelo quadrado de sua ordem. Os harmônicos de ordem superior geram um calor significativamente maior devido às perdas adicionais por correntes parasitas. Um transformador com um alto fator K não eliminará os harmônicos causados pelas cargas não lineares consumidas pelo sistema. No entanto, ele foi projetado para suportar o aumento de temperatura causado pelos harmônicos. A classificação do fator K de um transformador indica que ele é capaz de suportar os efeitos colaterais da distorção harmônica de corrente.

As classificações padrão do fator K de um transformador podem servir de orientação na decisão de compra:

• Os transformadores K-4 são capazes de suportar cargas não lineares leves ou moderadas, por exemplo, em escritórios com computadores, equipamentos eletrônicos e iluminação LED.
• Os transformadores K-9 são uma boa opção para sistemas em que até 50% da carga total é não linear, por exemplo, em hospitais, escolas e edifícios comerciais.
• Os transformadores K-13 podem suportar até 75% de cargas não lineares, por exemplo, em fábricas e em infraestruturas de telecomunicações, como salas de servidores, centros de telecomunicações e torres de comunicação.
• Os transformadores K-20 suportam até 100% de carga não linear e são adequados para aplicações com alto teor de harmônicos, por exemplo, em data centers, fontes de alimentação ininterruptas e infraestruturas de TI.
• Qualquer transformador com classificação superior a K-30 é fabricado sob medida para suportar correntes harmônicas muito elevadas em casos altamente específicos, nos quais 100% das cargas são não lineares.

O número de dispositivos que consomem cargas não lineares aumentou rapidamente e continuará a aumentar em um futuro próximo. Isso causa poluição elétrica nas redes de energia. Os transformadores de distribuição submetidos a correntes harmônicas sofrem um aumento nas perdas por correntes parasitas nos enrolamentos e nas perdas dispersas no aço estrutural, gerando calor residual.

Transformadores com um alto fator K têm:

• núcleos mais robustos, com densidade de fluxo otimizada e melhor laminação, fabricados com materiais de núcleo de baixa perda;
• enrolamentos configurados para minimizar as perdas por correntes parasitas e moldados para distribuir o calor uniformemente pela superfície;
• condutores neutros com classificação de 200% para suportar o dobro da corrente nominal; e
• proteções eletrostáticas para proteger as bobinas do transformador e os componentes eletrônicos.

Seus desafios na determinação do fator K do transformador

A escolha de um transformador com um fator K adequado é essencial para uma instalação segura e eficiente. Um transformador com especificações excessivas é desnecessariamente caro, enquanto um com especificações insuficientes corre o risco de superaquecimento e falha.

A determinação do fator K de um transformador envolve mais do que apenas medir a distorção harmônica total. Uma análise de harmônicos precisa e detalhada é essencial, pois o fator K é calculado a partir dos valores RMS de cada harmônico na corrente. Mesmo pequenos erros nos harmônicos de ordem superior podem afetar consideravelmente o resultado.

Entre os desafios mais comuns estão:

• Perfis harmônicos complexos e transitórios: ao contrário do perfil constante de uma carga sinusoidal, ambientes com alta presença de harmônicos geram cargas transitórias e flutuantes.
• Amplo espectro harmônico e alta faixa dinâmica: as cargas não lineares modernas geram um conteúdo harmônico complexo que deve ser captado em uma ampla faixa de frequências, com pequenos harmônicos de ordem superior medidos com precisão, juntamente com a corrente fundamental, que é muito maior.
• Pontos críticos harmônicos: a distribuição irregular das perdas exige medições de temperatura mais precisas.
• Efeitos do ângulo de fase: um teste preciso do fator K deve levar em conta os efeitos de ângulo de fase dos harmônicos, além das amplitudes dos harmônicos.
• Harmônicas triplas: os múltiplos da terceira harmônica (por exemplo, 3ª, 9ª, 15ª) aumentam as perdas nos enrolamentos e por correntes parasitas, causando um aquecimento exponencial do transformador.
• Harmônicas individuais x THD: valores semelhantes de distorção harmônica total (THD) podem resultar em fatores K significativamente diferentes, uma vez que o efeito real das harmônicas individuais não se reflete necessariamente na distorção total medida ou calculada para todo o sistema de energia.
• Condições operacionais representativas: os resultados do fator K só são significativos quando as medições refletem o perfil real de carga do transformador.
• Geração de relatórios e cálculos automáticos: o cálculo automatizado do fator K e a exportação padronizada de dados melhoram a repetibilidade, reduzem o trabalho manual e simplificam a documentação.
• Preparado para o futuro: qualquer cálculo baseado em uma análise de harmônicos de carga não linear realizada hoje também deve levar em conta um possível aumento futuro das cargas não lineares.

Nossas soluções para a determinação do fator K de transformadores

Um analisador de harmônicos é a ferramenta básica para avaliar a carga harmônica total e medir ordens harmônicas individuais. Para aplicações mais abrangentes e exigentes, que requerem a determinação explícita do fator K, um analisador de potência oferece uma análise mais aprofundada nos domínios do tempo e da frequência. O analisador de potência de precisão LMG671, com capacidade de análise de harmônicos até a 2.000ª ordem (ou seja, até 150 kHz), oferece um espectro excepcionalmente amplo para a medição direta de harmônicos de corrente por meio da Transformada Rápida de Fourier (FFT) de alta resolução.

Descubra o que o LMG671 pode fazer por você:

• Medições precisas de tensão, corrente, frequência e distorção harmônica total tanto da tensão quanto da corrente.
• Cálculo e resultado em tempo real do Fator K, sincronizados com o ciclo, por meio de um editor de scripts exclusivo e integrado.
• Análise da qualidade de potência nos domínios do tempo e da frequência.
• Exibição e quantificação de componentes harmônicos individuais.
• Comportamento de carga não sinusoidal visualizado por meio de formas de onda exibidas na tela para uma análise rápida.
• Alta faixa dinâmica que permite a máxima precisão de medição de pequenos harmônicos de ordem superior, mesmo na presença de grandes correntes fundamentais