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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Campus Itabira 1º RELATÓRIO DE MÁQUINAS ELÉTRICAS RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO E CORRENTE A VAZIO DE TRANSFORMADORES Lucas Araújo Soares 32092 Helder Câmara 26603 Lucas Barcelos Arantes 27900 Março de 2016 SUMÁRIO SUMÁRIO ............................................................................................................................... 2 1 Objetivos .......................................................................................................................... 3 2 Introdução ........................................................................................................................ 3 3 Materiais e Métodos ......................................................................................................... 5 3.1 Parte I – Ensaio de Relação de Transformação de Transformadores ...................... 5 3.2 Parte II – Ensaio de Corrente a Vazio de Transformadores .................................... 6 4 Resultados ........................................................................................................................ 7 4.1 Resultados da Parte I ................................................................................................ 7 4.2 Resultados da Parte II .............................................................................................. 8 5 Análise dos Resultados .................................................................................................... 7 5.1 Parte I ....................................................................................................................... 7 5.2 Parte II ...................................................................................................................... 8 6 Conclusões ..................................................................................................................... 17 Referências ............................................................................................................................. 18 Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 3 1 Objetivos Este trabalho tem como objetivo identificar a relação de transformação de um transformador e seus erros. O trabalho também irá identificar o comportamento da tensão e corrente em um ensaio em vazio do transformador analisando sua energização e a relação da corrente quando inserido uma carga no secundário. 2 Introdução Um transformador opera segundo o princípio da indução mútua entre a bobina primária e a secundária ou circuitos indutivamente acoplados. Considerando um transformador ideal de núcleo de ferro, onde os fluxos dispersos (Φ1 e Φ2) são iguais a zero, possui então apenas o fluxo mútuo(Φm) comum a ambas as bobinas como mostrado na Figura 1. Figura 1: Transformador de núcleo de ferro, caso ideal. Fonte: [1]. Quando V1, que é a tensão alternada de uma fonte, é instantaneamente positivo, a direção da corrente primária I1 produz a direção do fluxo mútuo, como se vê na Figura 1. A força eletromotriz induzida primária, E1, de acordo com a Lei de Lenz, produz uma polaridade positiva na parte superior da bobina primária que se opõe a V1. Igualmente, no secundário para a direção do fluxo mútuo. Uma carga ligada aos terminais do secundário cria uma corrente I2, que circula em resposta à polaridade de E2 e produz o fluxo desmagnetizante. Assim compreende-se como um transformador funciona e como transfere potência do primário para o secundário de forma que mantenha a potência do sistema sempre tanto na entrada quanto na saída de acordo com a equação: S=V.I (1) Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 4 Onde S é a potência do sistema (um valor fixo nominal de cada transformador), V é a tensão primária ou secundária e I é a corrente. A igualdade entre a força magnetomotriz (fmm) desmagnetizante do secundário e a componente primária, pode ser resumida e rearranjada como: �� �� = �� �� = � (2) Onde α é a relação de transformação, V1 é a tensão primária, V2 é a tensão secundária e N1 e N2 são os números de espiras na bobina primária e secundária respectivamente. O significado dessa relação de transformação é que ela é fixa (não constante) para todo transformador dependendo da sua aplicação prática. Para α < 1 é denominado um transformador elevador e para α > 1 abaixador. Para um funcionamento em vazio, tem-se uma corrente conhecida obviamente por corrente a vazio. A função desta corrente é suprir as perdas a vazio e produzir fluxo magnético (mútuo). É de interesse prático que as perdas sejam as menores possíveis. Para que tal ocorra, a corrente a vazio deve ser, em quase sua totalidade, utilizada para a magnetização do núcleo, ou seja,a corrente de magnetização � deve ser muito maior que a corrente ativa ou de perdas � . Essa relação poderá ser ilustrada na relação da Figura 2. Figura 2: Corrente de magnetização em relação a tensão V1 aplicada. Fonte: [3]. Onde � = ��. cos�∅�� �� = ��. ����∅��. Assim o valor de ϕ0deve ser o maior possível e cos(ϕ0) o FP (Fator de Potência) possuirá baixos valores. É comum considerar-se que a corrente em vazio é igual a de magnetização, pois, Im >> Ip em transformadores bem projetados. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 5 3 Materiais e Métodos 3.1 Parte I –Ensaio de Relação de Transformação de Transformadores Para este ensaio, foram utilizados os seguintes materiais descritos na Tabela 1. Tabela 1 –Lista de equipamentos. Item Quant. Descrição Especificação 01 01 Transformador Transformador monofásico de 1 kVA 02 01 Varivolt Varivolt trifásico com entrada em 220 V e saída de 0 a 220 V 03 02 Multímetro Multímetro Minipa, modelo ET-2110 04 01 Alicate Alicate amperímetro Fluke Modelo 325 05 01 Cargas Conjunto de cargas resistivas 350 W / 220 V 06 01 Cargas Conjunto de cargas capacitivas 350 Var / 220 V 07 10 Cabos Cabos para conexões Para o primeiro ensaio foi montado, seguindo o diagrama da Figura 3, com a saída 220 V do varivolt conectada no primário do transformador em um esquema 220 V – 110 V como demonstrado na Figura 3: Figura 3 – Esquema para o ensaio de relação de transformação 2:1. Como também demonstrado na Figura 3, foi utilizado dois multímetros para medições de tensão. Um multímetro foi colocado em paralelo nos bornes da bobina primária do transformador, o outro foi colocado em paralelo com o secundário do mesmo medindo Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 6 assim as tensões de entrada e saída. Também foi utilizado um alicate amperímetro acoplado em uma das fases que alimenta o transformador para medição da corrente. Com a montagem pronta, foi feito ensaios em vazio com variações de tensão na saído do varivolt de 60 V, 100 V, 140 V, 180 V até 220 V e foi anotado as tensões Ventrada e Vsaída. Repetiu-se esse processo mudando as montagens para as relações: 220 V – 220 V (1:1), 220 V – 440 V (1:2). Para utilizar algumas cargas na saída do transformador, voltou-se para o esquema 1:1 e ajustou a tensão do secundário para 220 V em vazio e desta vez anotou-se a tensão no primário e no secundário e a corrente em uma das fases. Repetiu-se esse processo adicionando cargas resistivas gradualmente em paralelo e foi anotando os valores. Repetiu- se o procedimento com as cargas capacitivas. 3.2 Parte II – Corrente a Vazio,Magnetização e Histerese Para o segundo ensaio foi montado, seguindo o diagrama da Figura 2, com a saída 220 V do varivolt conectada no primário do transformador em um esquema 220 V – 220 V como demonstrado na Figura 4 Figura 4 – Esquema para o ensaio de relação de transformação 1:1. Como demonstrado na Figura 4, foi utilizado um osciloscópio para a medição de tensão e corrente de entrada no primário do transformador. O tranformador foi energizado com 50% da tensão nominal, ou seja 110 [V]. O osciloscópio foi ajustado para apresentar apenas três ciclos de onda, e após a coleta desse dado foi ajustado o modo de exibição dos canais para X-Y. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 7 Posteriormente foi ajustado o varivolt para a tensão nominal e coletado os dados no osciloscópio. E novamente foi alterado o modo de exibição dos canais para X-Y e coletados os dados do comportamento da forma de onda. Retornado para o modo de exibição do osciloscópio para Y-T, foi insirido uma carga resistiva de 350 W, com 220 Vno secundário do transformador, conforme a figura 3. E os resultados da tensão e corrente foram registrados. Figura 5 – Ensaio de corrente a vazio, magnetização e histerese. Assim após coletado os dados, foi retirado a carga resistiva do secundário do transformador e ajustado o equipamento para exibir 5 ciclos de tensão e corrente e também o trigger foi ajustado para 20V em subida. O canal 01 foi realocado para a metade superior da tela e o canal 2 para a metade inferior da tela, e o cursor de posição horizontal para o início da tela. O varivolt foi ajustado para 220 V e foi desligada a alimentação do painel. Após selecionado o Single do osciloscópio, e alimentado novamente o circuito. 4 Resultados 4.1 Resultados da Parte I Os valores de tensão do primário e do secundário na primeira etapa do ensaio foram anotadas na Tabela 2. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 8 Tabela 2 – Relação de transformação. Relação 220V-110V Relação 220V-220V Relação 220V-440V Tensão Primária(V) V1 V2 2:1 V1 V2 1:1 V1 V2 1:2 60 60,6 31,8 1,90 60,4 63,9 0,94 60,8 128,4 0,47 100 100,0 52,9 1,89 100,4 106,2 0,94 100,6 212 0,47 140 140,2 74,3 1,88 140,4 148,5 0,94 140,6 296,7 0,47 180 180,1 95,4 1,88 180,6 191,1 0,94 180,1 379,7 0,47 220 220,1 116,6 1,88 220,4 232,8 0,95 220,2 468,0 0,47 Desvio padrão 0,007 0,0007 0,001 �� 1,88 0,94 0,47 Foi montada também uma tabela com os resultados quando inseridas, no secundário, as cargas resistivas e capacitivas: Tabela 3 – Ensaio do transformador em vazio e com cargas. Tensão Secundária (V) Em Vazio 01 Conjunto 02 Conjuntos 03 Conjuntos 220 V1(V) I1(A) V2(V) V1(V)) I1(A)) V2(V)) V1(V)) I1(A) V2(V)) V1(V)) I1(A)) V2(V) Resistores 210,9 0,15 220,5 208,7 1,70 215,6 207,1 3,20 210,6 209,9 4,70 208,9 Capacitores 208,9 0,15 220,8 209,0 1,40 222,6 208,6 3,20 223,0 207,7 4,90 224,0 4.2 Resultados da Parte II O osciloscópio demonstra na Figura 6 a seguir a tensão e corrente de ensaio com 50% da tensão nominal, ou seja, 110 V. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 9 Figura 6 – Ensaio com 50% da tensão nominal 110V. A seguir, o osciloscópio foi ajustado para o modo de exibição X-Y no qual pode-se observar a curva de histerese, demonstrado na Figura 7. Figura 7 – Ensaio com modo de exibição X-Y com 50% da tensão nominal. O osciloscópio demonstra na Figura 8 a seguir a tensão e corrente de ensaio com 100% da tensão nominal, ou seja, 220 V. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 10 Figura 8 –Ensaio com 100% da tensão nominal 220 V. A seguir, o osciloscópio foi ajustado para o modo de exibição X-Y no qual pode-se observar a curva de histerese, demonstrado na Figura 9. Figura 9 –Ensaio com modo de exibição X-Y com 100% da tensão nominal 220 V. O osciloscópio demonstra na Figura 10 a seguir a tensão e corrente de ensaio com 50% da tensão nominal acrescentando uma carga resistiva de 350 W ao circuito. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 11 Figura 10 – Ensaio com carga resistiva de 350W. Na Figura 11 o osciloscópio foi ajustado para apresentar 5 ciclos de onda com tensão nominal, sem a carga resistiva. Figura 11 – Ensaio pós ajustado 5 ciclos de exibição. Na Figura 12, o Single do osciloscópio foi acionado para captar o pico de tensão ao ligar a alimentação do painel com o varivolt ajustado em 220 V. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 12 Figura 12 – Pico de tensão ao ligar a alimentação. 5 Análise dos Resultados 5.1 Parte I Na primeira parte do ensaio, pode-se perceber que os valores medidos do transformador estão fora do erro padrão que é de ∓0,5% como demonstrado na equação 3. �% = ����� ��� � � ���� (3) Onde: E% é o erro percentual, Rnom é a relação nominal (2, 1 ou 0,5 para este experimento) e !̅ é a média das relações calculada. Utilizando desta equação chegou-se a valores de erros percentuais mostrados na tabela 4. Tabela 4: erros percentuais da relação de transformação. Relação 2:1 1:1 1:2 Erro % 6% 6% 6% Estes valores muito altos de erros podem ser devido a não regulação padrão do transformador, assim valores de perdas internas do transformador são consideráveis. Percebe-se que na segunda etapa dos ensaios, a corrente com o transformador funcionando em vazio realmente é bem baixa, como descrito na seção 1, e ela vai aumentando de acordo com que se adiciona as cargas tanto para as cargas resistivas quanto Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 13 para as capacitivas, mas em relação a tensão, quando vai aumentando as cargas resistivas vai diminuindo a tensão e acontece o contrário com as cargas capacitivas não nas mesmas proporções. O gráfico da Figura 13 apresenta o comportamento da tensão no secundário em relação a corrente: Figura 13: Gráfico da queda de tensão adicionando resistores como carga. Fonte: Autoria própria. A Figura 14 apresenta a mesma relação do gráfico anterior, porém mostra o comportamento da tensão quando adicionado cargas capacitivas: Figura 14: Comportamento da tensão quando adicionado cargas capacitivas. Fonte: Autoria Própria. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 14 Essa diferença da tensão secundária V2com cargas capacitivas e resistivas deve-se a defasagem de cargas. Quando as cargas possuem um fator de potência unitário o transformador tem uma pequena regulação percentual e E2 é levemente maior que V2 e adianta-se em relação a ela de um pequeno ângulo positivo como mostrado na Figura 15.a. Já um transformador à sua corrente nominal por uma carga de fator de potência capacitivo (em avanço) pode ter uma menor regulação, próxima de zero por cento ou até mesmo negativa. A regulação de valor muito baixo ocorre devido a que E2 poder ser menor que V2 como mostrado na Figura 15.b. Figura 15.a. Figura 15.b. Figura 15: a) Cargas de fator de potência unitário. b) Cargas com fator de potência em adianto. Fonte: [1]. A regulação de um transformador pode ser melhorada por uma carga em avanço, pois tal corrente capacitiva tende a contrabalançar as quedas internas indutivas do primário e do secundário do próprio transformador. Por isso valores de tensões mais altas podem ser medidas no secundário quando inserida cargas capacitivas. 5.2 Parte II No ensaio em vazio no transformador, com 50% e 100% datensão nominal, percebe- se que as formas de onda das correntes são diferentes. Esse fato ocorre pois o núcleo de ferro do transformador a 50% da tensão nominal não está totalmente magnetizado, ou seja, ainda não chegou na saturação,o que implica que as correntes de Foucault ainda não tomaram suas formas completas. Para calcular a corrente a vazio percentual do transformador (I0%) com base na corrente nominal do equipamento, deve-se utilizar os dados demonstrados na Figura 8 no qual foi medido 324 mA de pico em corrente a vazio e a corrente nominal. Transformando a corrente em RMS, encontra percentual usa-se a Equaç seja, 5%. A corrente a vazio tem a função fluxo magnético (Φm), e suprir as perdas obter o valor da corrente a vazio. de perda e corrente magnetizante. A corrente a vazio assume valores muito baixos, cerca de 1 a 7% da corrente nominal do primário do sua grande maioria, corrente magnetizante (I seja a menor possível. E ela (I relutância pela Equação 9, observ senoidal pois a relutância não é senoidal “O fluxo magnético que aparece no núcleo de um transformador quando se aplica tensão a um de seus enrolamentos é produzido através de uma corrente de excitação que aparece no enrolamento energizado. Em transforma tensão aplicada e do fluxo magnético resultante são praticamente de onda da corrente de excitação é diferente de uma senóide devido às propriedades magnéticas não-lineares do núcleo do transf onda juntamente com o laço de histerese correspondente do material que compõe o núcleo.”(MARCELINO, 2011, p. 16). Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 RMS, encontra-se 229 mA RMS. Dessa forma para encontrar a corrente a vazio se a Equação 4. E assim foi calculado uma corrente percentual de 0,05. Ou I0%=I/In A corrente a vazio tem a função de magnetizar o núcleo, responsável pela criação do e suprir as perdas a vazio do núcleo. Assim pela Equação 5 pode obter o valor da corrente a vazio.E as Equações 6 e 7 representam as fórmulas da corrente de perda e corrente magnetizante. I0=#� ² % � � I = I0 cosΦ0 Im = I0senΦ0 vazio assume valores muito baixos, cerca de 1 a 7% da corrente primário do transformador. Tomando em partido que a corrente corrente magnetizante (Im) por interesse prático que a corrente de perda seja a menor possível. E ela (Im) assim também podendo ser representada pela Equação 8 e a relutância pela Equação 9, observa-se que o formato de onda da corrente a vazio não será ois a relutância não é senoidal [3]. im = .& '1 =1 /s.μ∆ “O fluxo magnético que aparece no núcleo de um transformador quando se aplica tensão a um de seus enrolamentos é produzido através de uma corrente de excitação que aparece no enrolamento energizado. Em transformadores de potência, as formas de onda da tensão aplicada e do fluxo magnético resultante são praticamente senoi de onda da corrente de excitação é diferente de uma senóide devido às propriedades lineares do núcleo do transformador. A figura 15 mostra estas formas de onda juntamente com o laço de histerese correspondente do material que compõe o , 2011, p. 16). 15 Dessa forma para encontrar a corrente a vazio ão 4. E assim foi calculado uma corrente percentual de 0,05. Ou (4) de magnetizar o núcleo, responsável pela criação do Assim pela Equação 5 pode-se E as Equações 6 e 7 representam as fórmulas da corrente (5) (6) (7) vazio assume valores muito baixos, cerca de 1 a 7% da corrente m partido que a corrente a vazio é, em ) por interesse prático que a corrente de perda ) assim também podendo ser representada pela Equação 8 e a se que o formato de onda da corrente a vazio não será (8) (9) “O fluxo magnético que aparece no núcleo de um transformador quando se aplica tensão a um de seus enrolamentos é produzido através de uma corrente de excitação que dores de potência, as formas de onda da senoidais, porém a forma de onda da corrente de excitação é diferente de uma senóide devido às propriedades ormador. A figura 15 mostra estas formas de onda juntamente com o laço de histerese correspondente do material que compõe o Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 16 Figura 15 – (a) Tensão fluxo e corrente de excitação; (b) Laço de histerese correspondente Fonte: [2]. A corrente de energização do transformador chegou a um valor de 27,4 A como mostrado na Figura 12, um valor 6 vezes maior que a corrente nominal que é de 4,54 A. Esse fato é conhecido como corrente transitória de magnetização ou corrente de energização INRUSH. Como o núcleo é feito de material magnético possui o efeito de histerese, quando o transformador é desenergizado ocorre a interrupção da corrente que circula na máquina e a intensidade de campo magnética vai a zero. Com essa interrupção, dependendo do valor de excitação, haverá um resíduo de indução magnética no núcleo chamado de indução remanente [4]. Entretanto, quando re-energizou a máquina com o valor de tensão nominal no momento do chaveamento havia um fluxo remanente de valor alto, assim é necessário um aumento muito grande da densidade de fluxo magnético no núcleo para que o transformador consiga trabalhar novamente dentro das suas características de tensão e corrente nominais. Este aumento da indução magnética depende diretamente do aumento da corrente no momento do chaveamento, por isso mediu-se um valor tão alto de corrente na energização do transformador. Na literatura alguns autores afirmam que a corrente de inrush pode chegar a aproximadamente 25 vezes a corrente nominal de um transformador em 0,01s após o chaveamento e aproximadamente 12 vezes a corrente nominal em 0,1s após o chaveamento. A semelhança que existe entre a corrente de INRUSH e a corrente de falta pode ocasionar a má operação de relés diferenciais de proteção, que devem atuar em caso de curto circuito no barramento ou no transformador. Os métodos utilizados para diferenciar estas duas correntes são: os que utilizam harmônicas para restringir e/ou bloquear a máquina e os que utilizam a forma de onda para identificar se há ou não a falta (curto circuito), aquele sendo mais comumente utilizados em transformadores. O tipo de método de bloqueio Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 17 de harmônicos garante para um grande percentual dos casos onde a corrente de inrush pode ser confundida pelo sistema de proteção com uma corrente de curto, porém o problema é quando ocorre que a corrente de operação tem um baixo conteúdo harmônico,podendo assim, passar despercebida pelo sistema de proteção diferencial [4]. O estudo sobre a energização de transformadores é importante devido a influência do mesmo no sistema elétrico de potência. Fenômenos como o da corrente de inrush causam alguns transtornos para os operadores do sistema elétrico e também para as máquinas deste sistema. Pode–se considerar este estudo como probabilístico, pois quando feito o experimento inúmeras vezes sob as mesmas condições, levam a resultados diferentes a cada tentativa. 6 Conclusões Contudo, pode-se concluir que, de acordo com o ensaio de relação de transformação do transformador monofásico, compreende-se o princípio de conversão de potência na rede elétrica. Definiu-se neste trabalho o que um transformador abaixador (que abaixa a tensão do primário para o secundário) e um transformador elevador (que aumenta a tensão do primário para o secundário) mantém sempre balanceado a potência dos dois terminais. Pôde-se analisar também o erro de relação de transformação do transformador utilizado no laboratório que ultrapassou o esperado que era de no máximo ±0,5%, neste experimento não foi analisado o motivo desde erro. Na analise da corrente a vazio do transformador pode-se compreender, através deste trabalho, o motivo pela distorção da corrente em vazio por causa da influência do efeito de histerese e a diferença da onda quando adicionado cargas resistivas. Também foi analisado, com detalhes, a corrente de energização ou corrente de INRUSH. Devido ao efeito de indução remetente quando desenergizada a máquina, no momento da reenergização eleva a corrente a valores maiores que a nominal da mesma, corrente essa que pode causar um mau funcionamento dos relés diferenciais por isso a importância do estudo envolvendo este tipo de corrente. Relatório de Máquinas Elétricas I - 2016 18 Referências [1] KOSOW, I. Lionel. Máquinas Elétricas e Transformadores. Vol. 1. 15ªed. São Paulo: Globo, 2011. [2] MARCELINO, Guilherme. ANÁLISE E MEDIÇÕES DAS SOBRECORRENTES DE ENERGIZAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR MONOFÁSICO. Link: http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10003742.pdf [3] LISITA, R. Luiz. Conversão eletromecânica de energia. IFBA, 2000. Disponível no link:http://www.ifba.edu.br/professores/castro/Transformador.pdf. Acesso em: 3 abr. 2016. [4] RAFFO, V. Gustavo. Análise da corrente de inrush em transformadores de potência, Projeto de Diplomação. UFRGS. Porto Alegre, 2010. [5] DE SOUZA, S. M. R. João. Desenvolvimento de uma metodologia para a avaliação da confiabilidade dos ajustes de relés diferenciais de transformadores baseada no método de Monte Carlo. Dissertação de Mestrado nº 758. UFMG. Belo Horizonte, 2012.
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