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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 (