Relatório (3) Ensaio em Vazio de um Transformador Trifásico

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Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Elétrica
Ensaio em Vazio de um Transformador Trifásico
 Beatriz Cristina Moura 11421EEL002
 Lane Silva Pereira 11421EEL004
 Leonardo Pereira 11121EEL052
Uberlândia
2017
 
SUMÁRIO
1. Objetivos	3
2. Introdução Teórica	3
3. Preparação do ensaio	6
3.1 Materiais e ferramentas	6
3.2 Montagem	6
4. Análise de Segurança	7
5. Cálculos e análise dos resultados	7
6. Questões	9
7. Conclusões	12
REFERÊNCIAS	12
1 Objetivos:
Determinar as perdas no núcleo por histerese e Foucault (perdas no ferro);
Determinar a corrente em vazio I0;
Determinar a relação de transformação de placa (K) e a relação do número de espiras (Kn);
Determinar os parâmetros do ramo magnetizante.
2 Introdução teórica:
 O alemão Steinmetz propôs um modelo mais preciso de circuito equivalente para cada fase do transformador de potência, que foi obtido a partir da representação dos fenômenos que ele observou que acontecem em um transformador real, por meio de elementos de circuito elétrico em série com um transformador ideal. 
A partir da análise dos fenômenos físicos que ocorrem em um transformador Steinmetz conseguiu nesta representação da figura 1 juntar elementos de circuito linear que eram possíveis de serem medidos, com elemenos não lineares como a impedância do ramo magnetizante que não tem uma existência física e variam de acordo com o nível de saturação do nucléo.
Figura 1
Na Figura 2 é possível ver o circuito equivalente referido ao primário de uma fase.
Figura 2
 O circuito equivalente apresentado acima pode ser simplificado quando o transformador opera a vazio sem afetar os resultados obtidos, como mostra a figura 3.
Figura 3
 No ensaio a vazio a corrente que irá circular pelo primário do transformador será apenas a corrente de excitação ou a vazio e apresenta um valor pequeno, por esse motivo se despreza as quedas nos elementos dos enrolamentos e o circuito se reduzirá somente a impedância do ramo magnetizante.
O Ensaio a Vazio
 Os valores do ramo magnetizante não podem ser medidos, porém podem ser calculados usando as leituras que serão obtidas ao ensaiar o transformador a vazio. Deve ser aplicado em um dos lados do transformador a tensão nominal e o outro lado se mantém em aberto. A tensão a ser aplicada deve ser a nominal pois os parâmetros do ramo magnetizante variam de acordo com a tensão aplicada devido a não linearidade do nucléo, sendo assim o experimento é realizado no lado de baixa tensão, garantindo segurança do operador e maior facilidade na obtenção da tensão desejada. Na figura 4 esta a representação da montagem que deve ser realizada.
Figura 4
 A corrente a vazio a ser adotada deve ser a média aritmética simples das três leituras, já que normalmente os valores variam de um amperímetro a outro. Com o ensaio a vazio temos como objetivo obter os seguintes valores:
Parâmetros do ramo magnetizante;
Percentual da corrente a vazio em relação a nominal;
As perdas no ferro;
Os cálculos são feitos sempre por fase independente da ligação dos transformadores. 
Zm: Impedância do Ramo Magnetizante
: Fator de Potência a Vazio
Ip: Componente de perdas no ferro da corrente a vazio
Iq: componente de magnetização da corrente a vazio
Rmp: Resistência equivalente de perdas no ferro do ramo paralelo
Xmp: reatância de magnetização do ramo paralelo
 Com o ensaio a vazio também é possível obter a relação de transformação de espiras (Kn) e a relação de transformação de tensão (K) de um transformador.
3 Preparação do ensaio
3.1 Materiais e Ferramentas
• 1Transformador trifásico; 
• 3 Amperímetros (1 em cada fase); 
• 1 Voltímetro analógico; 
• 1 Voltímetro digital; 
• 2 Wattímetro; 
• 1 Varivolt trifásico;
3.2 Montagem
O circuito abaixo mostra a ligação do circuito para realização do experimento
 Figura 5: Circuito do ensaio à vazio
 Em primeiro lugar o ensaio deve ser feito no lado de baixa tensão, então devemos ligar o circuito nos terminais X1, X2, X3 que se referem ao terminais de baixa tensão. Na sequência a montagem foi feita percorrendo o caminho da corrente para cada fase.
 A Fase A em vermelho, Fase B em azul e Fase C em verde, assim logo depois de fazer essas ligações ligamos a bobina de tensão dos wattímetros, o primeiro ligamos na fase A e fase B e o segundo wattímetro foi ligado na fase C e fase B, resultando no método dos dois wattímetros. 
 Um voltímetro foi colocado entre as fases A e B para medir a tensão de linha. E somente ao final do experimento foi utilizado um voltímetro digital para medir o valor da tensão no lado de alta. 
4 Análise de segurança 
- Deve-se ficar a tento se a bancada está ou não ligada, e se algum dos equipamentos a serem utilizados para a montagem do circuito estão energizados;
-Conferir o circuito montado antes de energizar os equipamentos;
-Tomar-se cuidado ao realizar as medidas, já que estamos alimentando o lado de baixa mas no lado de alta continua tendo uma tensão.
5 Cálculo e análise de resultados
(Obs: Os cálculos realizados serão melhor detalhados na parte de questões deste trabalho.)
Após realizados o ensaio obtemos as medições a seguir:
	Vn (V)
	I01 (A)
	I02 (A)
	I03 (A)
	W01 (W)
	W02 (W)
	110
	0,8
	0,6
	0,91
	110
	100
Sendo W0 =W01 + W02 (Ficando atendo ao valor negativo medido).
	W0 (W)
	10
 Quando alimentamos a o lado de baixa tensão, observamos um decréscimo na alta tensão de cerca de 1,818181%. 
	VAT (V)
	VBT (V)
	216
	110
Logo a relação (K) de transformação é:
No entanto para os valores teóricos teríamos:
Portanto um erro de:
 Com os valores obtidos calculou-se a corrente de magnetização I0 (na linha e na fase), a potência perdida à vazio por fase e a tensão de alimentação na fase, obedecendo a conexão do enrolamento de baixa tensão:
	BT(V)
	I0 – linha(A)
	I0 – fase(A)
	W0 – fase(W)
	V1 – fase(V)
	110
	0,77
	0,44456
	3,333333
	110
Comparando com os valores teóricos:
	InLinha(A)
	In Fase(A)
	I0Fase(A)
	I0% de In Fase(%)
	3,936479
	3,936479
	
	11,2933410
 Podemos perceber que a corrente de magnetização do ensaio é próxima de 11% corrente nominal do transformador, sendo alta pois como em norma ela gira em torno de 5 a 7% da corrente. Esse acréscimo pode ser resultado das aproximações obtidas pelos aparelhos de medição analógicos ou até mesmo pelas perdas ocorridas nos cabos de ligação usados.
 Com os cálculo dos parâmetros do ramo magnetizante – por fase – para as representações série e paralela do circuito equivalente, o fator de potência a vazio e as correntes I0p e I0q, obtemos:
	Cosφ0
	I0p(mA)
	Ioq(A)
	Zm(Ω)
	Rms(Ω)
	Xms(Ω)
	Rmp(Ω)
	Xmp(Ω)
	
	
	
	
	
	
	
	
 Percebemos assim que com o Transformador a vazio ele possui baixo rendimento e apenas perdas, assim em um SEP (Sistema Elétrico de Potência) é inviável a instalação a vazio do mesmo, sempre procuramos faze-lo trabalhar o mais próximo de sua carga nominal para possuir uma boa eficiência energética para o sistema.
Questões
1)Com os dados de determine os valores de 
	
(Fornecido na Placa)
	
	
(
	
	
	
 No lado de alta foi ligado em delta série, sabendo que cada bobina individual suporta 110V, em série irá suportar 220V.
No lado de baixa foi ligado em estrela série, sabendo que cada bobina individual suporta 55V, em série irá suportar 110V.
 Para obter Kn, pode dividir tensões de fase de ambos os lados, poisé a tensão que está encima da bobina:
Foi medido a tensão de fase de ambos os lados do Trafo:
2) Com os valores obtidos na seção 3.3, calcule a corrente de magnetização(na linha e na fase), a potência perdida a vazio por fase e a tensão de alimentação na fase, obedecendo a conexão do enrolamento de baixa tensão.
	
	
	
	
	
	
	
	
3)Calcular os parâmetros do ramo magnetizante, por fase, para as representações série e paralela do circuito equivalente, o fator de potência a vazio e as correntese
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Para o circuito série
Para o circuito paralelo:
4) Determinar a porcentagem da corrente de magnetização em relação à corrente nominal do transformador:
 Obs: Sendo o lado de baixa ligado em estrela, tanto a corrente nominal de linha, quanto a de fase serão iguais.
	InLinha(A)
	In Fase(A)
	I0Fase(A)
	I0% de In Fase(%)
	3,936479
	3,936479
	
	11,2933410
5) Por que uma das correntes obtidas não apresenta o mesmo valor das outras duas?
 Isso ocorre devido às irregularidades naturais da montagem do núcleo, e no caso de transformadores de núcleo envolvido à diferente extensão do caminho do circuito magnético da coluna do meio (menor) em relação às colunas externas (maior caminho), o que faz com que a corrente dessa fase seja sempre menor que as outras duas.
6)Por que o ensaio em vazio deve ser realizado alimentando-se o enrolamento de baixa tensão?
 As normas da ABNT sugerem que o ensaio a vazio sejarealizado pelo lado de baixa 
tensão (BT) por segurança e também para facilitar, visto que deve ser aplicada a tensão nominal, logo uma tensão mais baixa é mais fácil de ser conseguida.
7 ) Justificar a diferença entre os valores de K ( Kn, Kplaca, Kensaiado) e definir cada um deles
 O Kplaca é a relação entre da tensão entre bobinas , já Kn é relação entre o número de espiras do primário e secundário ou relação de tensão induzida do primário em relação ao secundário, e por fim o K ensaiado são os valores entre as bobinas ensaiadas. Assim pela definição acima é possível notar a diferença entre os valores de K.
8 ) Com base nos dados do teste em vazio e na sua capacidade de julgar os resultados o que é melhor para o sistema de energia elétrica equipado com muitos transformadores; transformadores operando sempre com muita folga ( superdimensionados) ou transformadores operando no limite de sua capacidade? Explique.
 Na prática, deve-se evitar o funcionamento dos transformadores com carga superior à potência nominal. O carregamento máximo deve situar-se em torno de 80%.
9 ) Desenhe o circuito equivalente do transformador ( ramo série e ramo paralelo), considerando somente a parte magnética. Inserir nos desenhos os valores calculados
Para o circuito equivalente paralelo temos:
Para o circuito série:
7 Conclusão
Mesmo que alguns fenômenos que ocorrem no transformador não possam ser medidos diretamente, através da utilização dos circuitos de Steinmetz é possível obter valores de algumas grandezas que equivalem a esses processos internos do trafo. Um deles é a impedância do ramo magnetizante que esta ligada diretamente aos fenômenos no núcleo do transformador. 
Com o ensaio a vazio consegui-se obter o valor da impedância Rmp que diz qual o valor das perdas no ferro causadas pelas correntes parasitas de Foulcault, e o Xmp que é as perdas no ferro devido ao ciclo de Histerese. Foi possível obter também a proporção da corrente a vazio em relação a corrente nominal do transformador. Logo é possível observar a importância de se conseguir meios de aproximação na análise de eventos internos a elementos elétricos e magnéticos que se trabalham diariamente.
8 Referências
[1] Camacho, J. Roteiro para Laboratório de Transformadores: Aulas Práticas e Ensaios. 10 Agos. 2010. Faculdade de Engenharia Elétrica –UFU.
[2]Camacho, J. Transformadores de Potência. 18 Fev. 2014. Faculdade de Engenharia Elétrica – UFU.