LCEE Exp 02 Transformadores

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Universidade Federal de Goia´s
ESCOLA DE ENGENHARIA ELE´TRICA,
MECAˆNICA E DE COMPUTAC¸A˜O
Lab. de Conversa˜o Eletromecaˆnica de Energia – 2017/1
Engenharia Ele´trica – Prof. Dr. Igor Kopcak
Experimento 02 – Transformadores
Bancada 1: Circuitos magne´ticos; Resisteˆncia de Enrolamento; Transforma-
dor trifa´sico
Bancada 2: Polaridade de enrolamentos e Autotransformador
Bancada 3: Ensaio em vazio, ensaio em curto-circuito, regulac¸a˜o e rendimento
Aluno(a): Matr´ıcula:
Aluno(a): Matr´ıcula:
Aluno(a): Matr´ıcula:
Introduc¸a˜o
Resisteˆncia do Enrolamento
As medic¸o˜es da resisteˆncia de enrolamento sera˜o realizadas com ohmı´metro de ponte resistiva e
ohmı´metro digital. Ambos aparelhos aplicam uma tensa˜o DC no enrolamento e, por isso, a resisteˆncia
medida e´ chamada de RDC . Quando em operac¸a˜o normal, o transformador e´ energizado com tensa˜o
AC, de forma que a resisteˆncia dos enrolamentos sera´ maior do que a RDC , devido ao efeito pelicular.
Em 60Hz, a resiteˆncia RAC sera´ ligeiramente maior que RDC .
Em transformadores trifa´sicos, e´ necessa´rio conhecer o tipo de conexa˜o dos enrolamentos, para a
determinac¸a˜o do valor me´dio das resisteˆncias dos enrolamentos. Para conexo˜es em ∆, o valor me´dio
sera´ dado pela expressa˜o (1) e, para conexa˜o em Y, pela expressa˜o (2).
R∆DC =
1
2
(RAB +RBC +RCA) (1)
RYDC =
1
6
(Rab +Rbc +Rca) (2)
sendo
R(AB,BC,CA) – as resisteˆncias medidas nos terminais do transformador do lado ligado em ∆;
R(ab,bc,ca) – as resisteˆncias medidas nos terminais do transformador do lado ligado em Y.
Relac¸a˜o de transformac¸a˜o em transformador trifa´sico
Em transformadores trifa´sicos, a relac¸a˜o de transformac¸a˜o nominal, ou de placa, se refere aos
valores das tenso˜es de linha, VL, nos terminais prima´rio e secunda´rio. Isso implica que a relac¸a˜o de
transformac¸a˜o depende na˜o apenas do nu´mero de espiras das bobinas do prima´rio e do secunda´rio,
mas tambe´m da forma como estas sa˜o conectadas. Nesse sentido, ha´ quatro possibilidades ba´sicas de
conexa˜o das bobinas de transformadores trifa´sicos: Y–Y, Y–∆, ∆–Y, e ∆–∆. Outra caracter´ıstica dos
transformadores trifa´sicos e´ que a tensa˜o no secunda´rio pode estar defasada em relac¸a˜o a` tensa˜o do
prima´rio.
Em sistemas de energia, estas caracter´ısticas podem ser exploradas de va´rias maneiras. Normal-
mente o tipo de conexa˜o dos enrolamentos e´ escolhido em func¸a˜o de questo˜es de protec¸a˜o, operac¸a˜o e
filtro de correntes de sequeˆncia e/ou harmoˆnicas. Quanto ao defasamento, ha´ transformadores cons-
tru´ıdos especialmente para que se possa controlar a defasagem angular entre as tenso˜es do prima´rio
e secunda´rio, os chamados Transformadores Defasadores. Estes transformadores, quando ligados em
um sistema de energia malhado, possuem a capacidade de controlar os fluxos de poteˆncia nas linhas
de transmissa˜o a ele conectadas.
Polaridade de enrolamentos
Quando se tem por objetivo, conectar duas pilhas (baterias) em se´rie ou em paralelo, deve-se estar
atento a` polaridade de seus terminais para se realizar a conexa˜o correta, de forma a se somar suas
teno˜es, ou somar suas capacidades de fornecimento de corrente.
Embora o conceito de polaridade para o transformador seja diferente do conceito em pilhas/baterias,
o conhecimento da polaridade dos terminais das bobinas e´ fundamental quando for necessa´rio, p.ex.,
conectar transformadores em paralelo ou ligar o terminal da bobina prima´ria ao da secunda´ria para
a configurac¸a˜o de autotransformador. A observac¸a˜o das polaridades e´ especialmente importante para
os transformadores de instrumentos, nos quais as tenso˜es e/ou correntes em seus secunda´rios devem
ser na˜o apenas proporcionais em mo´dulo aos valores do enrolamento prima´rio, como tambe´m devem
possuir o mesmo aˆngulo de fase.
Uma notac¸a˜o usual para a identificac¸a˜o da polaridade e´ mostrada na Figura . Na˜o ha´ conexo˜es de
fontes, impedaˆncias ou medidores tanto na bobina prima´ria como na bobina secunda´ria.
Figura 1: Marca de polaridade das bobinas: correntes entrando no ponto produzem fluxo
magne´tico no mesmo sentido.
ϕ
i
N1 N2
i2
1
fonte: Apostila de Eletrote´cnica (Murari, 2009).
A notac¸a˜o indicada na Figura sugere que as correntes que circulam pelas bobinas, entrando pelos
terminais marcados, geram fluxos magne´ticos no mesmo sentido (coincidentes), caracterizando que os
terminais marcados (•) teˆm a mesma polaridade.
Autotransformador
O autotransformador caracteriza-se pela existeˆncia de uma conexa˜o ele´trica entre os lados de alta
e baixa tensa˜o e portanto, somente pode ser utilizado quando na˜o e´ necessa´rio o isolamento ele´trico
(isolac¸a˜o galvaˆnica) entre os dois enrolamentos. No entanto, o autotransformador apresenta algumas
vantagens com relac¸a˜o a` poteˆncia transmitida e a` eficieˆncia.
No autotransformador, a relac¸a˜o entre a tensa˜o na fonte e a tensa˜o na carga na˜o corresponde a`
relac¸a˜o de espiras. Estabelece-se uma nova grandeza denominada Relac¸a˜o de Transformac¸a˜o (RT) e
assim, a relac¸a˜o de transformac¸a˜o para o autotransformador (RT’) e´ dada pela equac¸a˜o (3)
RT ′ =
V1
V1 + V2
=
RT V2
RT V2 + V2
=
RT
RT + 1
(3)
sendo
RT =
V1
V2
=
N1
N2
= RE – Relac¸a˜o de Espiras para um transformador monofa´sico.
Enquanto a Relac¸a˜o de Espiras (RE) e´ a relac¸a˜o entre as tenso˜es nas bobinas, a Relac¸a˜o de
Transformac¸a˜o (RT) e´ a relac¸a˜o entre as tenso˜es na fonte e na carga.
1 Roteiro para os Ensaios: Bancada 1
Primeiramente anotar os dados de placa do transformador trifa´sico, calculando em seguida as
correntes nominais dos enrolamentos.
Poteˆncia (kVA):
Tenso˜es (V/V):
Conexa˜o:
Temperatura:
Frequeˆncia:
Classe de isolac¸a˜o (kV):
Correntes (A/A):
1.1 Circuitos Magne´ticos
Conecte duas fases do Variac trifa´sico a uma das bobinas do ramo esquerdo do transformador
trifa´sico. Monitorando com um volt´ımetro aplique 100V na bobina.
Mec¸a com outro volt´ımetro as tenso˜es induzidas:
– em outra bobina do ramo esquerdo: ;
– em uma das bobinas do ramo central: ;
– em uma das bobinas do ramo direito: ;
Aplique 100V em uma das bobinas do ramo central e mec¸a com outro volt´ımetro as tenso˜es indu-
zidas:
– em uma das bobinas do ramo esquerdo: ;
– em outra bobina do ramo central: ;
– em uma das bobinas do ramo direito: ;
Aplique 100V em uma das bobinas do ramo direito e mec¸a com outro volt´ımetro as tenso˜es indu-
zidas:
– em uma das bobinas do ramo esquerdo: ;
– em uma das bobinas do ramo central: ;
– em outra bobina do ramo direito: ;
O que se pode comentar sobre os valores observados, considerando a teoria de circuitos magne´ticos?
1.2 Medic¸a˜o da resisteˆncia dos enrolamentos
Fazer as ligac¸o˜es do transformador trifa´sico de forma a compor um transformador rebaixador, cuja
relac¸a˜o de transformac¸a˜o seja 330V/
√
3110V. Esboce no quadro abaixo as conexo˜es necessa´rias.
Indique qual e´ a relac¸a˜o de espiras em cada ramo do nu´cleo e qual e´ a relac¸a˜o de transformac¸a˜o
do transformador. Comente a diferenc¸a.
Com um mult´ımetro digital, selecionar a func¸a˜o ohmı´metro e conectar as pontas de prova nos
terminais adequados. Somente apo´s conhecer a ordem de grandeza da resisteˆncia dos enrolamentos,
repetir as medic¸o˜es com o ohmı´metro em ponte.
Efetuar as medic¸o˜es das resisteˆncias nos terminais superior e inferior. Anote os valores na tabela
a seguir:
Tabela 1: Resisteˆncia dos enrolamentos do transformador trifa´sico
Terminal Ohmı´metro Ohmı´metro Terminal Ohmı´metro Ohmı´metro
Superior digital [Ω] em ponte [Ω] Inferior digital [Ω] em ponte [Ω]
RAB Rab
RBC Rbc
RCA Rca
R∆DC R
Y
DC
Deduzir as equac¸o˜es (1) e (2).
Calcular os valores das resisteˆncias equivalentes totais por fase, referidas aos lados do Terminal
Superior e do Terminal Inferior, para temperaturas
ambiente e de operac¸a˜o. Considerar apenas os
valores obtidos com o ohmı´metro em ponte.
1.3 Relac¸a˜o de transformac¸a˜o e sequeˆncia de fases
Mantendo as conexo˜es do item anterior para o transformador trifa´sico, alimente o Terminal Su-
perior com o Variac trifa´sico, ajustando 110V de tensa˜o de linha. Monitore a tensa˜o entre duas fases
com um mult´ımetro digital, selecionando a func¸a˜o volt´ımetro AC. Em seguida, mec¸a com o volt´ımetro
as tenso˜es de fase e de linha no Terminal inferior. Anote os resultados na tabela abaixo. Considere
ı´ndices maiu´sculos referentes ao terminal superior e minu´sculos relacionados ao terminal inferior.
Compare o valor teo´rico da relac¸a˜o de transformac¸a˜o com o obtido pelas medic¸o˜es.
Com um sequenc´ımetro, observe a sequeˆncia de fases do enrolamento prima´rio. Repita a operac¸a˜o
para o enrolamento secunda´rio. Anote na tabela abaixo a sequeˆncia de fases para os dois lados do
transformador.
Tabela 2: Tenso˜es no transformador trifa´sico ∆–Y
Terminal Tensa˜o [V]
VL
VF
Vl
Vf
Tabela 3: Sequeˆncia de fases do transformador ∆–Y
Sequeˆncia Sequeˆncia
prima´rio secunda´rio
Reduza a tensa˜o e desligue o Variac.
Suponha que as conexo˜es das bobinas fossem alteradas para se obter uma relac¸a˜o de transformac¸a˜o
330
√
3/110V
√
3, ligando o transformador em Y–Y. Esboce quais seriam as conexo˜es necessa´rias no
quadro a seguir.
Apresente os valores que seriam obtidos caso se repetissem os mesmos ensaios realizados com o
transformador ∆–Y:
– relac¸a˜o de espiras em cada ramo do nu´cleo e relac¸a˜o de transformac¸a˜o;
– resisteˆncias medidas nos enrolamentos de alta e baixa tensa˜o;
– resisteˆncias equivalentes totais por fase, referidas aos lados de alta e baixa tensa˜o; – tenso˜es que
seriam medidas caso se aplicasse 110V de linha no lado de alta tensa˜o; – sequeˆncia de fases nos
enrolamentos prima´rio e secunda´rio.
1.4 Relato´rio Transformador – Bancada 1
Para o relato´rio devem constar os seguintes itens mı´nimos:
1. Apresente todos os esboc¸os das conexo˜es dos ensaios e os valores medidos nas medic¸o˜es.
2. Indique qual a norma pertinente e o que significa a Classe de Temperatura indicada na placa
do Transformador do laborato´rio.
3. Explique o comportamento das tenso˜es observadas na Sec¸a˜o 1.1 com base na teoria de circuitos
magne´ticos.
4. Explique as implicac¸o˜es da construc¸a˜o do nu´cleo de um transformador trifa´sico como o utilizado
no ensaio.
5. Para a Sec¸a˜o 1.2, deduza as equac¸o˜es (1) e (2).
6. Mostre que em uma situac¸a˜o ideal, a resisteˆncia medida nos terminais do lado em ∆ do trans-
formador deveria ser igual a resisteˆncia medida nos terminais em Y (note que os valores medidos
na Tabela 1 sa˜o bastante pro´ximos).
7. Calcular os valores das resisteˆncias equivalentes totais por fase, referidas aos lados do Terminal
Superior e do Terminal Inferior, para temperaturas ambiente e de operac¸a˜o.
8. Para o transformador trifa´sico, diferencie “Relac¸a˜o de Espiras” de “Relac¸a˜o de Transformac¸a˜o”.
9. Os transformadores com conexa˜o ∆/Y-aterrado sa˜o adotados nas redes de distribuic¸a˜o de energia
ele´trica do Brasil, indique vantagens e desvantagens desse tipo de conexa˜o.
10. Apresente os valores teo´rico e medido para as tenso˜es induzidas no transformador trifa´sico.
11. Comente sobre a importaˆncia da verificac¸a˜o de sequeˆncia de fases nos circuitos trifa´sicos.
2 Roteiro para os Ensaios: Bancada 2
Primeiramente anotar os dados de placa do transformador monofa´sico, calculando em seguida as
correntes nominais dos mesmos.
Poteˆncia (kVA):
Tenso˜es (V/V):
Temperatura:
Frequeˆncia:
Classe de isolac¸a˜o (kV):
Correntes (A/A):
2.1 Ensaio para definic¸a˜o da polaridade
No transformador monofa´sico de 1kVA, 4×110/4×110, usando apenas uma das bobinas do lado
prima´rio e uma das bobinas do lado secunda´rio, fac¸a as conexo˜es indicadas nas Figuras 2.1(a) e 2.1(b).
Em seguida, energize o Varic ajustando 110V para U1 e preenchendo a Tabela a seguir com os resul-
tados.
IMPORTANTE: Zere o Variac e o deslique antes de mudar as conexo˜es.
Figura 2: Conexo˜es como Autotransformador.
(a) Conectando os terminais 1 e 4.
(b) Conectando os terminais 1 e 3.
fonte: Apostila de Eletrote´cnica (Murari, 2009).
2.2 Autotransformador com tap varia´vel
Esboce no quadro abaixo as conexo˜es necessa´rias para que o transformador monofa´sico possa ser
convertido em um autotransformador elevador com 5 opc¸o˜es de relac¸a˜o de transformac¸a˜o: RT = 1/1,
1/2, 1/3, 1/4 e 1/5. Procure fazer o desenho o mais fiel poss´ıvel com as conexo˜es que realizaria no
Tabela 4: Tenso˜es obtidas no ensaio de polaridade
Tenso˜es Conexa˜o da Fig. 2.1(a) Conexa˜o da Fig. 2.1(b)
(V) (V)
U1
U2
U3
laborato´rio.
Fac¸a as conexo˜es propostas no esboc¸o e aplique 50V no terminal da bobina do prima´rio. Mec¸a e
anote na Tabela a seguir as tenso˜es nos 5 pontos do secunda´rio do autotransformador.
Tabela 5: Valores de tensa˜o medidos para o autotransformador de tap varia´vel
Tensa˜o no Tenso˜es no secunda´rio
prima´rio (V) Tap 0 Tap 1 Tap 2 Tap 3 Tap 4
2.3 Relato´rio Transformador – Bancada 2
Para o relato´rio devem constar os seguintes itens mı´nimos:
1. Apresente todos os esboc¸os das conexo˜es dos ensaios e os valores medidos nas medic¸o˜es.
2. Discuta as diferenc¸as observadas nas medic¸o˜es do ensaio de polaridade.
3. Discuta quais sa˜o as vantagens e desvantagens de um autotransformador.
4. Enumere poss´ıveis aplicac¸o˜es para o mesmo.
5. Deduza a expressa˜o para o ca´lculo do rendimento do autotransformador e compare com o trans-
formador convencional.
3 Roteiro para os Ensaios: Bancada 3
Primeiramente anotar os dados de placa do transformador monofa´sico, calculando em seguida as
correntes nominais dos mesmos.
Poteˆncia (kVA):
Tenso˜es (V/V):
Temperatura:
Frequeˆncia:
Classe de isolac¸a˜o (kV):
Correntes (A/A):
3.1 Ensaio em vazio
Esboce as conexo˜es, incluindo os instrumentos de medida, para realizac¸a˜o do ensaio em vazio do
transformador monofa´sico de 1kVA, 4×110/4×110. A conexa˜o deve ser tal que o transformador deve
ter relac¸a˜o de transformac¸a˜o 220V/110V, 1/4 kVA.
Fac¸a a montagem e execute o ensaio em vazio, anotando os valores obtidos na Tabela a seguir.
Tabela 6: Resultados do Ensaio em Vazio.
Tensa˜o em Corrente em Poteˆncia ativa
vazio – V0 vazio – I0 em vazio – P0
3.2 Ensaio de curto-circuito
Esboce as conexo˜es, incluindo os instrumentos de medida, para realizac¸a˜o do ensaio de curto-
circuito mantendo-se a configurac¸a˜o do transformador do ensaio em vazio.
Fac¸a a montagem e execute o ensaio de curto-circuito, anotando os valores obtidos na Tabela a
seguir.
Tabela 7: Resultados do Ensaio de Curto-Circuito.
Tensa˜o em Corrente em Poteˆncia ativa
CC – VCC CC – ICC em CC – PCC
Calcule os paraˆmetros do circuito equivalente do transformador a partir dos valores dos ensaios em
vazio e de curto-circuito. Apresente os ca´lculos e o diagrama do circuito equivalente com os paraˆmetros
referidos para o lado de 220V.
3.3 Caracter´ıstica de Operac¸a˜o: Regulac¸a˜o e Rendimento
Efetue a montagem da Figura abaixo.
Figura 3: Conexo˜es para ensaio com carga varia´vel
fonte: pro´prio autor.
Alimente o prima´rio (V1) com tensa˜o nominal e preencha a Tabela a seguir, considerando 3 con-
dic¸o˜es de operac¸a˜o: em vazio (sem carga, secunda´rio em aberto), com a resisteˆncia ajustada para
que a carga seja aproximadamente 50% da carga nominal (corrente no secunda´rio I2 ≈ 1A), e com
a resisteˆncia ajustada para que a carga seja aproximadamente 100% da carga nominal (corrente no
secunda´rio I2 ≈ 2A).
ATENC¸A˜O.: Mantenha a tensa˜o no enrolamento prima´rio em seu valor nominal;
Tabela 8: Ensaio com carga.
Varia´veis Em vazio I2 = 1A I2 = 2A
U1 (V)
I1 (A)
P1 (W)
f.p.
U2 (V)
I2
(A)
P2 (W)
η (%)
Regulac¸a˜o × ×
3.4 Relato´rio Transformador – Bancada 3
Para o relato´rio devem constar os seguintes itens mı´nimos:
1. Apresente todos os esboc¸os das conexo˜es dos ensaios e os valores medidos.
2. Calcule os paraˆmetros do circuito equivalente do transformador a partir dos valores dos ensaios
em vazio e de curto-circuito. Apresente os ca´lculos e o diagrama do circuito equivalente com os
paraˆmetros referidos para o lado de 220V.
3. Discuta os resultados observados no ensaio de regulac¸a˜o, especialmente quanto aos resultados
observados para o fator de poteˆncia, rendimento e regulac¸a˜o de tensa˜o.
4. Na pra´tica, como poderia ser compensada a queda de tensa˜o nos transformadores devido a baixa
regulac¸a˜o de tensa˜o?