Ensaios com transformadores

Prévia do material em texto

Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões
Curso de Engenharia Elétrica 
Circuitos Magnéticos e Transformadores
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Ensaio com Transformadores Monofásicos:
Circuito Aberto e Curto Circuito
Fernando Kassburg
Frantiesco Fruet
Juliano Kreuzberg
Matheus Fernandes
Rodrigo Möller
Prof. Nelson Knak Neto
Santo Ângelo
2017
INTRODUÇÃO
As fontes de geração de energia elétrica normalmente se localizam em posições muito afastadas do centro consumidor, isso deve-se em grande parte pela localização dos recursos naturais, sejam eles de rios, correntes de ar, iluminação solar ou até mesmo de minas de carvão. Para o transporte de tal energia produzida ficar de maneira mais econômica e viável no quesito construção estrutural, deve-se instalar transformadores elevadores e rebaixadores nas redes de transmissão e distribuição. 
	Como o transformador possibilita que a transmissão de energia ocorra nos níveis de tensão mais satisfatórios, se torna um dispositivo elétrico de suma importância em sistemas elétricos de potência, visto que, permite transportar a energia gerada nos grandes centros geradores até o consumidor final com o mínimo de perdas possíveis, diminuindo também os custos na construção das redes. Este equipamento também se faz presente na maioria dos circuitos executando funções como casamento de impedâncias, isolação galvânica de circuitos, entre outras igualmente importantes.	
A prática realizada em laboratório consiste nos ensaios a vazio e de curto-circuito em dois transformadores monofásicos, cujo objetivo é a obtenção de resultados práticos, que serão confrontados com os cálculos teóricos obtidos a partir de determinadas características desse tipo de equipamento. Tais dados obtidos nos ensaios são fundamentais para a projeção adequada de um transformador, sendo que a partir deles serão possíveis dimensionar as reais perdas de potência de todo o equipamento.
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Para a realização desta tarefa foram utilizados os seguintes equipamentos e instrumentos de medição.
Tabela 1- Especificações dos equipamentos utilizados
	EQUIPAMENTO
	REFERÊNCIA
	QUANTIDADE
	Transformador Variador de Tensão (Variac)
	Tipo: TDGC
Entrada: 220 V
Saída: 0V a 250V
Frequência: 60Hz
Fases: 1
12 A - Máx
3 KVA - Máx
	1
	Multímetro
	Minipa ET-1002
Cat L
	1
	
Wattímetro
	Amperímetro voltímetro wattímetro Digital. 80-260 V 100 A TC
	1
	
Amperímetro
	Minipa ET- 3122
Cat II 300 V
	1
	
Transformador
	Potência: 1000 VA
Entrada: 110 V
Saída: 220 V
Frequência: 60Hz
	1
	
Transformador
	Potência: 500 VA
Entrada: 110V
Saída: 220V
Frequência: 60Hz
	1
DESENVOLVIMENTO 
Ensaio a vazio ou de circuito aberto 
Este tipo de ensaio consiste em aplicar tensão nominal nos terminais do enrolamento primário, enquanto os terminais do secundário permanecem em aberto, e consequentemente sem circulação de corrente. Usualmente adota-se como primário o lado de baixa tensão, por questão de segurança e de praticidade nas medições. A corrente obtida no primário tem valor muito baixo sendo responsável apenas pela magnetização do núcleo do transformador. Dessa maneira, podemos desprezar as perdas joule dos enrolamentos e as dispersões de fluxos por serem ínfimas, e considerar que a potência consumida no transformador corresponde apenas as perdas no núcleo.
 Para este ensaio se faz necessário o uso de um variac, é um transformador variável que alimentamos o primário com a tensão nominal da rede elétrica, podemos ajustar o cursor variando a tensão induzida no secundário de modo que possamos obter a tensão necessária para alimentar o transformador que está sendo testado. O ensaio é iniciado com o cursor do variac na tensão mínima, e com auxílio de um voltímetro para monitorar a saída do transformador, aumenta-se a tensão gradativamente até atingir o valor nominal do transformador. 
No ensaio realizado foram utilizados dois transformadores de 110/220V, um com potência de 500VA e outro de 1kVA, ambos foram alimentados no lado correspondente a 110V e posteriormente foram obtidos através das medições, os valores de corrente e de potência consumida para isto fez-se uso de um alicate amperímetro e de um Wattímetro (Fig. 1).
 
Figura 1. Esquema de ligação para Ensaio a vazio.
O uso do wattímetro neste tipo de ensaio se faz importante, pois estamos trabalhando com transformadores, e estes possuem fator de potência não unitário devido a presença da indutância dos enrolamentos. Neste caso, a menos que se saiba o fator de potência do circuito a vazio, não podemos obter a potência real consumida no transformador apenas utilizando os valores de corrente e tensão medidos, pois apenas teríamos o valor de potência aparente. 
3.1.1 Resultados práticos
Ambos os transformadores foram alimentados com 110V no primário a partir da tensão de saída do variac, e então foram feitas as medições de corrente, tensão e potência ativa no lado de baixa tensão de cada um.
Tabela 2- Valores medidos no ensaio a vazio
	Potência nominal
	Tensão 
	Corrente
	Potência 
	500VA
	110 V
	420 mA
	15 W
	1KVA
	110 V
	320 mA
	20 W
A partir dos valores medidos na prática podemos obter parâmetros de derivação do equipamento. Utilizando os valores de tensão nominal e da corrente de magnetização podemos obter a impedância de magnetização (Equação 1), já a resistência de magnetização é obtida pela divisão do quadrado da tensão pela potência medida no wattímetro (Equação 2). Com sabemos a impedância de magnetização (Zm) é obtida pela associação em paralelo da resistência de magnetização (Rm) e da respectiva reatância (Xm),então podemos obter a reatância de magnetização usando esta relação (Equação 3).
 (Equação 1)
 (Equação 2)
 (Equação 3)
Tabela 3- Parâmetros de derivação calculados
	Potência nominal
	Zm (Ω)
	Rm (Ω)
	Xm (Ω)
	500VA
	261,9
	806,66
	276,9
	1KVA
	343,75
	605
	417,73
3.1.2 Resultados da simulação
É possível simular o ensaio de circuito aberto, utilizando o seguinte circuito equivalente no PSIM (Fig. 2). Desta forma podemos comparar os valores obtidos com os cálculos, de maneira a aumentar a confiabilidade do ensaio.
Figura 2. Esquema de ligação para Ensaio a vazio no PSIM.
Substituindo os valores calculados anteriormente, no circuito equivalente, obtemos os seguintes parâmetros .
Tabela 4- Parâmetros obtidos com o simulador
	Potencia nominal
	Tensão
	Corrente
	Potencia
	500VA
	110V
	601mA
	16.41W
	1KVA
	110V
	460mA
	20.3W
3.1.3 Resultados da simulação invertendo os lados do transformador
Ao inverter os enrolamentos, os parâmetros são alterados e se torna necessário recalcular os valores de reatância, resistência e impedância., utilizando a seguinte relação (Equação 4).
 (Equação 4)
Tabela 5- Novos parâmetros de derivação.
	Potencia nominal
	Zm (Ω)
	Rm (Ω)
	Xm (Ω)
	500VA
	1.047k
	3.266k
	1.107k
	1KVA
	1.375k
	2.42k
	1.67k
Após definir os novos parâmetros de derivação no simulador, obtivemos os novos parâmetros de potência, tensão e corrente, abaixo relacionados (Tabela 6).
 
Tabela 6- Novos parâmetros obtidos com o simulador.
	Potencia nominal
	Tensão 
	Corrente
	Potencia
	500VA
	220V
	300mA
	16.42W
	1KVA
	220V
	230mA
	20.3W
Ensaio de Curto-Circuito 
Este ensaio consiste em curto-circuitar os terminais do secundário do transformador, enquanto se aplica tensão no primário do mesmo, de modo que a corrente seja iguala nominal, para obter este valor de corrente de maneira segura, assim como no teste a vazio utiliza-se um Variac para regular a tensão de entrada no transformador. Como a tensão aplicada no primário é muito baixa, as perdas no núcleo e a reatância de magnetização podem ser desprezadas, podendo-se dizer que a potência medida é dissipada em sua totalidade nos enrolamentos.
Ao realizar este tipo de aferição em um transformador, usualmente é o lado de baixa tensão que é curto-circuitado, enquanto aplicamos tensão no lado de alta (Fig. 3), pois as tensões aplicadas são relativamente baixas em relação aos valores nominais, cerca de 3 a 10%, ao mesmo tempo que há medição de correntes elevadas ocorrem no lado de baixa-tensão, desta forma é possível determinar com maior exatidão os parâmetros elétricos do equipamento. 
Figura 3. Esquema de ligação para Ensaio de curto-circuito.
3.2.1 Resultados práticos
Para este ensaio curto-circuitamos o lado de baixa tensão de ambos os transformadores e aplicamos tensão nos terminais do primário, de maneira que se atinja a corrente nominal de cada um. Como a potência dos dois transformadores são diferentes, as tensões aplicadas e as correntes medidas também irão ter variação, por este motivo utilizamos o variac para controlar a tensão aplicada e um amperímetro para controlar os valores de corrente, para que os mesmos não excedam os valores nominais. 
Tabela 7- Valores medidos no ensaio de curto-circuito.
	Potência nominal
	Tensão 
	Corrente
	Potência 
	500VA
	9 V
	2,27 A
	21 W
	1kVA
	12 V
	4,54 A
	51,1 W
A partir dos valores medidos na prática podemos obter parâmetros dos enrolamentos. Utilizando os valores de corrente nominal e a potência dissipada podemos obter a resistência equivalente (Equação 5), já a impedância é obtida pela divisão da tensão aplicada pela corrente elétrica nominal (Equação 6). Com sabemos a impedância equivalente (Ze) é obtida pela soma vetorial de resistência equivalente (Re) e da respectiva reatância (Xe),então podemos obter a reatância equivalente realizando o processo contrário (Equação 7).
 (Equação 5)
 (Equação 6)
 (Equação 7)
Com os parâmetros equivalentes e a relação de transformação (Equação 8) calculados temos dados suficientes para calcular a reatância do primário (Equação 9), a resistência do primário (Equação 10), assim como os valores de reatância do secundário (Equação 11) e a respectiva resistência (Equação 12).
 (Equação 8)
 (Equação 9)
 (Equação 10)
 (Equação 11)
 (Equação 12)
Tabela 8- Parâmetros dos enrolamentos do transformador de 500VA.
	Parâmetro
	Primário
	Secundário
	Equivalente
	Re
	2,03 Ω
	8,12 Ω
	4,07 Ω
	Xe
	J 0,47 Ω
	J 1,88 Ω
	J 0,94 Ω
	Ze
	1,98 Ω
	7,92 Ω
	3,96 Ω
Tabela 9- Parâmetros dos enrolamentos do transformador de 1KVA.
	Parâmetro
	Primário
	Secundário
	Equivalente 
	Re 
	1,23 Ω
	4,92 Ω
	2,47 Ω
	Xe
	0,45 Ω
	1,8 Ω
	0,91Ω
	Ze
	1,32 Ω
	5,28 Ω
	2,64 Ω
3.2.2 Resultados da simulação
Do mesmo modo que o ensaio de circuito aberto, utilizou-se o PSIM para simular o circuito equivalente do ensaio de curto-circuito (Fig. 4), afim de obter parâmetros para comparação com a pratica realizada.
Figura 4. Esquema de ligação para Ensaio de curto-circuito no PSIM.
Substituindo os valores calculados anteriormente, no circuito equivalente do simulador, obtivemos os seguintes parâmetros a seguir relacionados (Tabela 10).
Tabela 10- Parâmetros simulando o transformador de 1KVA.
	Potencia nominal
	Tensão
	Corrente
	Potencia 
	500VA
	9.4V
	2.27A
	20.71W
	1KVA
	11.87V
	4.54A
	50.5W
3.2.3 Resultados da simulação invertendo os lados do transformador
Como dito anteriormente, quando os lados do transformador são invertidos, os valores de reatância, resistência e indutância são alterados, obtidos utilizando a mesma relação (Equação 4) citada na simulação de ensaio a vazio.
Tabela 11- Novo parâmetros dos enrolamentos do transformador de 500VA.
	Parâmetro
	Primário
	Secundário
	Equivalente
	Re
	8,12 Ω
	32,48 Ω
	16,24 Ω
	Xe
	J 1,88 Ω
	J 7,52 Ω
	J 3,76 Ω
	Ze
	7,92 Ω
	31,68Ω
	15,84 Ω
Tabela 12- Novo parâmetros dos enrolamentos do transformador de 1KVA.
	Parâmetro
	Primário
	Secundário
	Equivalente 
	Re 
	4,92 Ω
	19,68 Ω
	9,88 Ω
	Xe
	1,8 Ω
	7,2 Ω
	3,64Ω
	Ze
	5,28 Ω
	21,12 Ω
	10,56 Ω
 Tabela 13- Leitura obtida através de simulação.
	Potencia nominal
	Tensão 
	Corrente
	Potencia
	500VA
	18.7V
	1.13A
	20.5W
	1KVA
	23.75V
	2.27A
	50.5W
 3.2.4 Discussões 
Tanto a partir dos ensaios com o transformador real, quanto das simulações, consegue-se determinar os parâmetros do transformador, porém, notamos uma pequena diferença entre os dois métodos, o que pode ter ocorrido devido as perdas no transformador real, ou ainda limitação da precisão do equipamento utilizado na pratica, levando em consideração que na simulação é utilizado o circuito equivalente, e medidores ideais.
Ao se inverter os lados do transformador, nota-se que os valores de potência se mantêm aproximados em relação à anterior, a tensão é dobrada e a corrente é reduzida pela metade, isso ocorre devido a relação de transformação.
QUESTÕES
Ensaio a vazio  
Necessita-se do ensaio a vazio para determinação da regulação em tensão do transformador?  
A regulação em tensão de um transformador consiste na diferença das tensões no terminal secundário quando este está no regime a vazio para o regime em carga. 
 Que informação específica se obtém do ensaio a vazio e onde ela é utilizada?  
Este ensaio determina diretamente a corrente a vazio. Que são utilizados para parametrizar as perdas de ferro em transformador. 
Por que é usual realizar-se o ensaio a vazio no lado de menor tensão existente no transformador? Quais são, entretanto, as precauções necessárias?  
Esse ensaio é realizado no lado de menor tensão por medidas de segurança, já que é necessário aplicar o valor de tensão nominal, mantendo o outro lado aberto. Uma das principais precauções a serem tomadas é elevar lentamente a tensão aplicada até́ alcançar o valor de tensão nominal do enrolamento na frequência de projeto. 
 A perda no cobre seria a mesma se fosse utilizado o enrolamento de alta tensão? Explique.  
 	O ensaio de circuito aberto só é encontrado o valor de perdas no núcleo, o valor de perda do cobre é obtido no ensaio de curto circuito. 
 Ensaio de curto-circuito  
Ao realizar o ensaio de curto-circuito de um transformador, por que é o lado de baixa-tensão que é usualmente curto-circuitado? Dê 2 razões.  
Isso ocorre, pois, as tensões aplicadas são relativamente baixas (3 a 10% da tensão nominal) ao mesmo tempo que a medição de correntes elevadas ocorreriam no lado de baixa-tensão. 
Explique por que o fato de “curto circuitar” o secundário de um transformador permite o cálculo das resistências, reatâncias e impedâncias equivalentes.  
Com um transformador normalmente carregado, tem uma pequena queda de tensão nos enrolamentos em comparação a queda de tensão na carga. Como o secundário está em curto, todo V1 aplicado no primário referem-se a queda de tensão nos enrolamentos. 
Por que são consideradas desprezáveis as perdas no núcleo para esse ensaio?  
Pois a corrente de magnetização é desprezível em relação a corrente de curto-circuito.  
Sob que circunstâncias devem-se levar em conta as perdas no núcleo de um transformador?Somente no ensaio de circuito aberto, no ensaio de curto circuito é determinado o valor de perdas variáveis no cobre. 
CONCLUSÕES
Tendo em vista a importância deste equipamento em quaisquer áreas no setor elétrico, saber seus parâmetros para dimensionamento correto em cada situação desejada é fundamental para o melhor funcionamento do transformador. A partir dos valores medidos nos ensaios de circuito aberto e de curto circuito e as grandezas calculadas, conseguimos determinar as reais perdas de potência, parâmetros e rendimento de toda a máquina.
Com base nos parâmetros obtidos neste ensaio, podemos determinar qual será o comportamento do transformador, e assim otimizar seu funcionamento para que este opere com o maior rendimento possível. Consequentemente ampliando a durabilidade, segurança e confiabilidade do transformador, além de permitir identificar possíveis problemas e erros de funcionamento nos mesmos.
Além disso este tipo teste se torna de suma importância para controle futuras e manutenções no equipamento, pois através de ensaios periódicos é possível estabelecer a vida útil do equipamento, aumentando assim a confiabilidade do sistema no qual o transformador se encontra instalado ou ainda determinar a viabilidade de sua utilização em determinado projeto.
 
REFERÊNCIAS
BERTINI, L. A. Transformadores: Teorias, Práticas e Dicas (para transformadores de pequena potência). São Paulo: Eltec Editora, 2003.
CLODOALDO, S. Máquinas elétricas: Perdas no Cobre, no Ferro e Transformadores. Rio de Janeiro, 2009.
COSTA, J. D. Apontamentos de máquinas elétricas. [S.l]: ENIDH, 2010.
MOURA, D. S.; AZEVEDO, F. J. Máquinas e instalações elétricas I EMI 102: Curso eletrotécnica. Bahia: EEEMBA, 2012.
PETRY, C. A. Transformadores. Florianópolis: CEFET SC, 2007.
SAID, V. BARBOSA, M. LEVY, J. CABRAL, V. FERREIRA, Y. CONTREIRAS, P. XAVIER, P. Princípio de funcionamento dos transformadores elétricos. Salvador: IFBA, 2014.
VASCONCELLOS, J. C. Análise das perdas no transformador monofásico para diferentes condições de operação. Rio de Janeiro: UFRJ, 2013.