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UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARANDEPARTAMENTO ACADMICO DE
ELETROTCNICA DAELTCAMPUS CURITIBA
ANTONIO CORDEIROJOO PAULO SILVA GONALVESKEMILY BEATRIZ R C
LOPESLORENA DE FIGUEIREDO COELHOLUIZ BENEDITO
EXPERINCIA 2: ENSAIO A VAZIO E DE CURTO-CIRCUITO DE
TRANSFORMADORES
CURITIBAOutubro/2014ANTONIO CORDEIROJOO PAULO SILVA
GONALVESKEMILY BEATRIZ R C LOPESLORENA DE FIGUEIREDO COELHOLUIZ
BENEDITO
EXPERINCIA 2: ENSAIO A VAZIO E DE CURTO-CIRCUITO DE
TRANSFORMADORES
Relatrio n2Relatrio n2, apresentado disciplina de Mquinas
Eltricas 1 (ET75E S24) do curso de Engenharia de Controle e Automao
e Engenharia Eltrica do Departamento Acadmico de Eletrotcnica da
Universidade Tecnolgica Federal do Paran Campus Curitiba, para
obteno de nota parcial e aprovao na disciplina. Entregue ao
professor Mrcio Aparecido Batista.
CURITIBAOutubro/2014
SUMRIO
1. OBJETIVO GERAL4 2 FUNDAMENTAO TERICA52.1 Transformador
Real52.2 Ensaio a Vazio62.3 Ensaio de Curto-Circuito83.
DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL93.1 Experimento l 93.2 Experimento ll
113.3 Experimento lll 133.4 Experimento lV154. RESULTADOS E
DISCUSSES164.1 Experimento l 164.2 Experimento ll 194.3 Experimento
lll 204.4 Experimento lV 215. CONCLUSO236. REFERNCIAS
BIBLIOGRFICAS24
1. OBJETIVO GERAL
A atividade prtica realizada na aula de mquinas eltricas tem
como objetivo analisar a relao de transformao e a corrente In Rush
em transformadores monofsicos. Ser utilizado um transformador
didtico, monofsico para coletarmos os dados. Um transformador
monofsico constitudo por dois enrolamentos (bobinas) instalados em
um mesmo ncleo de material ferromagntico, um dos enrolamentos
chamado primrio e o outro chamado secundrio, sendo que cada um
deles pode ter um nmero de espiras diferentes. A relao de
transformao em um transformador monofsico definida como a relao
entre as tenses primria e secundria. Na qual na prtica
comprovaremos a relao de transformao entre os enrolamentos e, alm
disso, tambm analisaremos a corrente IN RUSH. Que seria a corrente
de magnetizao durante a energizao do transformador.
2. FUNDAMENTAO TERICA
2.1 Transformador Real Umtransformador um dispositivo destinado
a transmitirpotncia eltricade um circuito a outro,
induzindotenses,correntese/ou modificando os valores dasimpedncias
eltricasde umcircuito eltrico. Inventado em1831porMichael Faraday,
os transformadores so dispositivos que funcionam atravs da induo de
corrente de acordo com os princpios do eletromagnetismo, ou seja,
ele funciona baseado nos princpios eletromagnticos daLei de
Faradaye daLei de Lenz,onde se afirma que possvel criar uma
corrente eltrica em um circuito uma vez que esse seja submetido a
um campo magntico varivel, e por necessitar dessa variao no fluxo
magntico que os transformadores s funcionam em corrente alternada.
Para entender o funcionamento bsico de um transformador so feitas
simplificaes que no prejudicam o entendimento da funo do mesmo.
Estas simplificaes consistem em desprezar as perdas internas por
efeito joule nos enrolamentos do transformador, perdas no ncleo
(Histerese e Correntes parasitas) e perdas de fluxo magntico, logo
o transformador estudado atravs destas simplificaes chamado de
Transformador Ideal. No entanto necessrio conhecer o funcionamento
real de um transformador levando em considerao as perdas internas
do mesmo. O circuito eltrico abaixo apresenta o comportamento de um
Transformador Real.
Transformador Real
i0 [A] corrente de magnetizao do ncleoR1 e R2 [] resistncias das
bobinas que representam perdas nos enrolamentos de cobre por efeito
joule X1 e X2 [] reatncia indutiva nos enrolamentos que representam
as perdas de fluxo magntico ghf [S] condutncia interna do ncleo,
representa as perdas por correntes parasitas bm [S] sustncia de
magnetizao do ncleo.
2.2 Ensaio a VazioO ensaio a vazio consiste em aplicar uma tenso
ao primrio do transformador enquanto o secundrio se encontra aberto
(circuito aberto). A principal razo para executar-se o teste de
circuito aberto (a vazio) medirem-se as perdas do ncleo tenso
nominal. Os parmetros do ramo de magnetizao (ghf e bm) do circuito
equivalente do transformador, tambm podem ser obtidos das medies.
Uma figura esquemtica de um ensaio a vazio se encontra abaixo.
Ensaio a vazio
Como indicado na figura, aplicada a tenso nominal no enrolamento
primrio indicado por X1 X2 ou enrolamento de mais baixa tenso
nominal (BT). Assim ento liga-se se um voltmetro (V), um ampermetro
(A) e um wattmetro (W) para realizar as medies.
2.2.1 Parmetros do Ensaio a Vazio
Perdas no ncleo
Como a corrente de magnetizao i0 muita pequena pode-se desprezar
as perdas do enrolamento de mais baixa tenso, assim ento a leitura
do wattmetro pode ser considerada as perdas no ncleo do
transformador.
Corrente de magnetizao ou excitao
A corrente io a prpria leitura do ampermetro
Fator de potncia a vazio
O fator de potncia (cos ) a vazio pode ser determinado pela razo
entre a potncia ativa (leitura de W) e a potncia aparente.
Parmetros do ramo magnetizante
A corrente i0 a corrente resultante devido a outras duas
correntes. Ihf a corrente responsvel pelas perdas no ncleo e Im a
corrente magnetizante que gera o fluxo magntico.
Os parmetros do ramo magnetizante ghf e bm podem ser encontrados
considerando que a perda nos enrolamentos so muito pequenas e podem
ser desprezadas, logo a tenso fornecida pela fonte V1, igual a
tenso gerada E1 no enrolamento primrio do transformador. Como as
correntes so geradas devido a uma tenso senoidal, elas podem ser
representadas por vetores. A corrente i0 faz um ngulo de com a
tenso E1. Alm do mais i0(leitura de A) a soma vetorial de Ihf e Im.
Assim ento possvel encontrar Ihf, Im, ghf e bm.
2.2.2 Aspectos da corrente a vazio de um transformador
Com o auxlio de um osciloscpio possvel analisar a forma de onda
da corrente i0. A forma de onda de i0 ser a soma das correntes Ihf
e Im. Ihf est em faze com E1, logo sua forma de onda ser senoidal.
Im est atrasada de E1 pois pode ser considerada como uma carga
indutiva, no entanto sua forma de onda no senoidal perfeita mas sim
distorcida. Tal falto ocorre devido a histerese magntica no ncleo e
resulta em uma forma de onda conhecida como bicuda.
Formas de onda da tenso e correntes
2.3 Ensaio a Curto-Circuito O ensaio a curto consiste em aplicar
uma porcentagem da tenso nominal ao primrio do transformador
enquanto o secundrio se encontra em curto. A principal razo para
executar-se o teste de curto circuito encontrar os parmetros de
impedncia do primrio e secundrio encontrando assim as perdas nos
enrolamentos e permitindo-se o conhecimento das caractersticas de
desempenho do transformador. Uma figura esquemtica de um ensaio a
vazio se encontra abaixo.
2.3.1 Parmetros do Ensaio a Curto-Circuito
Perdas nominais nos enrolamentos Como a tenso aplicada baixa as
perdas no ncleo podem ser desprezadas, logo as perdas nos
enrolamentos a prpria leitura do wattmetro
Parmetros de impedncia
A resistncia equivalente referida ao lado de mais alta tenso
nominal
A impedncia equivalente referida ao lado de mais alta tenso
Com Reat e Zeat pode se encontrar a reatncia equivalente
referida ao lado AT
Assim ento pode se encontrar os parmetros equivalentes referido
ao lado de mais baixa tenso BT atravs da relao de espiras .
Ensaio a curto-circuito
Uma tenso aplicada ao lado de mais alta tenso AT(H1-H2) nominal
do transformador de maneira que o valor da corrente mostrada em no
ampermetro no exceda a corrente nominal. O valor da tenso aplicada
cerca de 2 a 12 % da tenso nominal.
3. DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTALO ensaio nos transformadores
didticos da marca LEYBOLD e TRAFO foi dividido em quatro subtpicos
para melhor detalhamento e compreenso dos estudantes. 3.1
Experimento l)O primeiro experimento trata-se de observar a relao
de transformao para tenses aplicadas em determinados ns sugeridos
com o intuito de analisar o comportamento da tenso nos arranjos dos
ns A, M e E. Por fim, retirou-se a culatra do transformador e
registrou-se o que aconteceu. A Tabela 1 representa os materiais e
equipamentos utilizados para esse primeiro
experimento.ItemUnidadeQuantidadeDescrio do Material
1P2Multmetro Digital (VOM) ICEL MD - 6110
2P1Transformador LEYBOLD
3P6Pontas de Prova Tipo Banana-Banana
4P1Tomada de Uso Geral
5P1Varivolt
Tabela 1 Materiais e equipamentos utilizados para o Experimento
I
A figura 4 a seguir, representa o transformador didtico LEYBOLD
e os pares de tenses utilizados para a prtica desse primeiro
experimento.
Figura 4 Transformador de LEYBOLD
A tenso V2 e V3 so equivalentes entre si e metade da tenso V1.
Analogamente V4, V5 e V6 comportam-se respectivamente da mesma
maneira, porm obedecendo a relao de transformao.As etapas a seguir
representam o passa a passo das conexes realizadas para a observao
e registro dos valores obtidos. Conectou-se o varivolt a rede da
bancada com tenso de alimentao. Utilizou-se cabos banana-banana
para conectar o varivolt a um ponto sugerido do transformador.
Conectou-se um multmetro para analisar a tenso saindo do varivolt.
Estabeleceu-se um multmetro para analisar as tenses em todos os
outros pontos pr-determinados.O primeiro experimento sugeriu-se a
aplicao de 60V em V1, 40 V em V2, 40 V em V4, 70 V em V6 e por
ltimo a aplicao de 60 V em V1, porm sem a culatra. Para chegar a
tenso proposta de alimentao no ponto determinado estabeleceu-se o
varivolt na escala mnima (0 V) e com o seletor modificou-o
vagarosamente at atingir a tenso proposta.
A figura 5 representa a aplicao de 60 V em V1 e a obteno da
tenso em V4.
Figura 5 Aplicao de 60V em V1
Os resultados obtidos sero apresentados na seo 5.
3.2 EXPERIMENTO ll)
O segundo experimento trata-se de observar a relao de
transformao para a aplicao de tenso nominal (220 V) ao ponto H1, H4
logo props-se analisar o comportamento da tenso V1, V2 e corrente
A1, A2 com e sem carga. A opo de carga ou sem carga foi
estabelecido esquematicamente atravs de uma chave seletora. A
Tabela 2 representa os materiais e equipamentos utilizados para
esse segundo experimento.ItemUnidadeQuantidadeDescrio do
Material
1P3Multmetro Digital (VOM) ICEL MD - 6110
2P1Transformador TRAFO
3P9Pontas de Prova Tipo Banana-Banana
4P1Conexo R-S Bancada
5P1Resistor de Potncia 100
A
Tabela 2 Materiais e equipamentos utilizados para o Experimento
Il
Figura 6 a seguir, representa o transformador do fabricante
Trafo, utilizado para a prtica desse segundo experimento, com suas
respectivas conexes em seus terminais.
Figura 6 Trafo
As etapas a seguir representam o passa a passo das conexes
realizadas para a observao e registro dos valores obtidos.
Conectou-se a fase R, S fornecida pela bancada aos pontos H1 e
H4 respectivamente. Conectou-se um multmetro em paralelo na escala
de tenso aos pontos H1 e H4 (V1). Interconectou-se os pontos H3, H2
e tambm os pontos X1, X2; X3, X4 devido a configurao de construo do
transformador. Conectou-se um multmetro em srie na escala de
corrente entre o ponto H1 e a fase R (A1). Conectou-se um multmetro
em srie na escala de corrente entre o ponto X1 e a carga no caso
com o circuito a presentando carga. Conectou-se um multmetro em
paralelo na escala de tenso entre os pontos X1 e X4.Em um primeiro
momento aplicou-se a tenso nominal no enrolamento primrio e sem
carga obteve-se as tenses V1, V2 e as correntes A1 e
A2.Posteriormente com um resistor de potncia teoricamente de 100
conectou-se em srie aos pontos X1 e X3 e novamente mediu-se as
tenses e correstes.A Figura 7 representa o transformador
funcionando sem carga.
Figura 7 Transformador sem carga no secundrio
A Figura 8 representa o transformador funcionado com carga.
Figura 8 Transformador com carga no secundrio
3.3 EXPERIMENTO III)
O terceiro experimento trata-se de observar a relao de
transformao atravs do auxlio de um TTR. A Tabela 3 representa os
materiais e equipamentos utilizados para esse segundo
experimento.
ItemUnidadeQuantidadeDescrio do Material
1P1Transformador TRAFO
2P7Pontas de Prova Tipo Banana-Banana
3P1TTR
Tabela 3 Materiais e equipamentos utilizados para o Experimento
Ill
O medidor de relao de transformao (TTR) um instrumento construdo
de tal maneira que tanto o transformador a ser testado como o
transformador de referncia do aparelho so excitados pela mesma
fonte de tenso.Os enrolamentos secundrios do transformador de
referncia e do transformador sob teste so ligados em srie, com
polaridade invertida, atravs do detector. Quando a relao do
transformador de referncia ajustada de modo que no flua corrente no
circuito formado pelos enrolamentos secundrios, duas condies so
satisfeitas simultaneamente; as relaes de tenso nos dois
transformadores so iguais e no h carga em ambos os secundrios.A
relao da tenso a vazio do transformador de referncia conhecida
(valores indicados pelas chaves seletoras) conseqentemente, a relao
de transformao do transformador sob teste conhecida. As conexes
estabelecidas podem ser observadas na Figura 9.
Figura 9 Conexes entre o transformador e o TTRA Figura 10
representa a montagem realizada em sala.
Figura 10 Transformador conectado com o TTR3.4 EXPERIMENTO
IV)
O quarto experimento trata-se de observar a corrente de pico
estabelecida ao conectar-se os cabos de alimentao aos pontos H1 e
H3, estes pontos de alimentao do transformador. A Tabela 4
representa os materiais e equipamentos utilizados para esse
experimento.
ItemUnidadeQuantidadeDescrio do Material
1P1Alicate Ampermetro
2P1Transformador TRAFO
3P5Pontas de Prova Tipo Banana-Banana
4P1Conexo R-N Bancada
Tabela 4 Materiais e equipamentos utilizados para o Experimento
IV
A figura 11 a seguir mostra a montagem do Trafo com o intuito de
medir a corrente In Rush no transformador.
Figura 11 Montagem para a medio da corrente In Rush
Com o circuito montado ligou-se e desligou-se a bancada 10 vezes
com o intuito de obter diversos valores para a corrente In Rush
atravs de um alicate ampermetro.
4. RESULTADOS E DISCUSSES
4.1 Experimento I)
A figura 12 a seguir, representa o transformador didtico
LEYBOLD, utilizado para a prtica desse primeiro experimento:
Figura 12 Transformador LEYBOLD.A tenso V1 o resultado da soma
das tenses V2 e V3, assim como a tenso V6 a soma das tenses V4 e
V5. E V2 ou V3, assim como V4 ou V5, so equivalentes a metade da
tenso V1 e V6 respectivamente.Utilizando a relao de transformao,
possvel fazer o clculo das tenses, sabendo que h 500 espiras na
bobina primria e 250 espiras na bobina secundria.
Nos itens a seguir, sero mostrados, tanto os valores medidos
quanto os valores calculados, das tenses para cada um dos terminais
do transformador.a) Ao aplicar 60V em V1:TensoVcalculadoVmedido
V160 V60 V
V230 V29,9 V
V330 V30,1 V
V415 V14, 2 V
V515 V14,3 V
V630 V29,1 V
Tabela 5 Valores de tenso ao aplicar 60V em V1.Como V2 igual a
V3, que metade de V1, logo
Na bobina secundria, pela relao de transformao, encontra-se
V6:
Portanto, V5 e V6, so iguais a:
b) Ao aplicar 40V em V2:TensoVcalculadoVmedido
V180 V81,4 V
V240 V40 V
V340 V40,5 V
V420 V19, 2 V
V520 V14,3 V
V640 V39,2 V
Tabela 6 Valores de tenso ao aplicar 40V em V2.Neste caso,
sabe-se que V1 o dobro de V2 e que V3 o mesmo valor de V2,
portanto:
E, para a segunda bobina:
Portanto, V5 e V6, so iguais a:
c) Ao aplicar 40V em V4:TensoVcalculadoVmedido
V1160 V157,7 V
V280 V78,2 V
V380 V78,8 V
V440 V40 V
V540 V40,4 V
V680 V81,3 V
Tabela 7 Valores de tenso ao aplicar 40V em V2.Como V5 igual a
V6 e este o dobro de V4, logo
E, para a primeira bobina,
d) Ao aplicar 70V em V6:TensoVcalculadoVmedido
V1140 V137,1 V
V270 V68,1 V
V370 V68,7 V
V435 V34,8 V
V535 V35,1V
V670 V70 V
Tabela 8 Valores de tenso ao aplicar 70V em V6.Analogamente aos
itens anteriores,
e) Ao repetir o item a sem a culatra:TensoVmedido
V160 V
V230 V
V329,7 V
V44,5 V
V55 V
V610 V
Tabela 9 Valores de tenso ao aplicar 60V em V1.Neste caso, ao
retirar a culatra do transformador, possvel perceber que houve
grande reduo da tenso gerada na bobina secundria. Isto se deve ao
fato do aumento da relutncia, que, consequentemente, exige uma
maior fora magneto motriz (f.m.m.) de excitao. A corrente
magnetizante precisa ser relativamente elevada, a menos que o
enrolamento possua uma grande quantidade de espiras, ou seja,
excitado com frequncia elevada, para que oferea fonte uma grande
reatncia. Se for pensado em transformadores com ncleos de ar, eles
acabam ficando restritos quase exclusivamente a pequenos
transformadores (do tipo de controle) de frequncias mais elevadas
que as industriais.
4.2 Experimento II)
A figura 13 a seguir, representa o transformador do fabricante
Trafo, utilizado para a prtica desse segundo experimento, com suas
respectivas conexes em seus terminais.
Figura 13 Representao do Trafo montado na prtica do segundo
experimento.
a) Com a chave aberta, os valores medidos de tenso nas duas
bobinas e de corrente na primeira bobina so:
O valor da relao de transformao :
Como I0 responsvel pelas perdas internas ao ncleo, A1=I0 (