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FACULDADE ANHANGUERA DE TAUBATÉ ENG. CONTROLE E AUTOMAÇÃO Montagem de prototipo de transformador TAUBATÉ - SP 2014 CARLA CLAUSILEN – RA 9297549731 CARLOS HENRIQUE APOLINARIO DE CARVALHO – RA 5631114969 ESTEVÃO CHRISTIANO GAYA – RA 3715653762 JULIANA CARVALHO GABANA – RA 2916612251 Montagem de prototipo de transformador Relatorio sobre a montagem de um auto-trafo apresentada ao professor Enildo Dias como parte da avaliação da disciplina Materiais eletroeletronicos da turma ¨6A do Curso de Eng. Controle e automação da Faculdade Anhanguera - Unidade Taubaté 2. TAUBATÉ – SP 2014 �������� ��������� �� � � �� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ ��������� ����� �� � � �� ����� ����������������������������������������������������������������������������������������� �� �������� ������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������� �� �������� ��������� �� ��� ���������� ������� ����������������������������������������������������������������������������� ! �� � ��������� ���� � ����� ���"��������������������������������������������������������������������������������������������#� $��������% ����� �� �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������#� &'��� ���� � �����(����� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������#� ) ����*��� ����) �� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������+� �� ������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������+� & �������,���� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������--� .���� ����� ������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������--� /0���������,���� ����������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������--� ! �� � ���� ����������� �������� �� � � �� ����������� ������% �0 ��� �� � �1�2��� ���������-�� &�� �� �� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������-�� &�� �� �� ��3�4������(������������������������������������������������������������������������������������������������������������������-�� � Tipo de transformador Optamos em nosso protótipo a construção de um autotransformador, ou autotrafo, que tem a mesma finalidade de um transformador comum, a diferença é que este tem um único enrolamento, conforme pode ser visto em seu diagrama de construção na figura a seguir: Onde: V1 = tensão de entrada V2 = Tensão de saída Devido ao facto do autotransformador ser um transformador real, todos os princípios Aplicados ao transformador multi-enrolamentos normalmente são aplicáveis aqui Autotrafos são amplamente usados em diversas aplicações, uma delas ´partida de motores síncronos de alta potencia, como motores de media tensão. Um caso típico são motores de grandes ventiladores e motores de moinhos de bola, estes que geralmente trabalham com tensões que vão desde 6,6Kv a 10Kv, recebendo em seu primário a tensão de 13,8KV. Na figura seguinte, podemos ver a imagem de um motor de media tensão, com potencia nominal de 1250KW, que é acionado por um autotrafo que recebe13,8KV em seu primário e tem 10KV em seu secundário, tensão essa necessária para correta energização deste motor. Figura 1 – simbologia auto-transformador Figura 2 - Motor de moinho de cimento Como montar um transformador monofásico Antes de iniciar a montagem, devemos definir: Qual a tensão de alimentação que o transformador irá receber em seu enrolamento primário? Qual a tensão que será fornecida pelo transformador em seu enrolamento secundário? Qual a potência máxima dissipada pelo transformador? A partir da identificação destes pontos começamos a estruturar o projeto. Usaremos como exemplo então a seguinte necessidade: Tensão do enrolamento primário: 220V Tensão do enrolamento secundário: 100V Potência máxima dissipada: 300W Com o auxílio do dimensionamento de transformador online fornecido pela ElectronCad obtemos as dimensões do núcleo e dimensões dos condutores a serem utilizados. Os cálculos de número de espiras, carretel, secção da área do núcleo, foi realizado com a ajuda do site da ElectronCad e da EDUFER. A ElectronCad fornece uma calculadora online, onde nos embasamos para enrolar nosso transformador, mas para confirmarmos os dados Figura 4 – Print da tela do site ElectronCad fornecidos consultamos o link da EDUFER, onde são apresentados os cálculos de forma bem didática e fácil compreensão. Segue links: http://www.electroncad.com.br/index.php/eletricidade/indutores-transformadores/46-calculo- transformador-1 http://www.edufer.com.br/formulario-de-calculo/ Iremos descrever passo a passo os cálculos. Definição da tensão de secundário. Para aplicações em aparelhos importados, principalmente do Japão, iremos enrolar um Trafo com o secundário com tensão de 100VAC, com uma potência de 300 Watts Definição da secção da janela (núcleo magnético) Com uma vista superior do núcleo, por cálculos de área experimentais, de A x B, concluímos que necessitaríamos para nosso transformador uma área de 12cm² no núcleo, por onde circulara o campo induzido entre as bobinas. Após definirmos a área necessária do núcleo, teremos que calcular a potência do Trafo e a bitola do fio para a potência requerida (300Watts), para assim determinarmos o número de espiras necessário. Da tabela retirada do site temos: Figura 5 – Formulario dos primeiros dados para confecção do trasformador – fonte EDUFER Então: Potencia primaria = PP = PS x 1.1 = 300 x 1.1 = 330 Watts Corrente primaria = IP = PP / UP = 330 / 220 = 1,5 A Corrente secundaria = IS = PS / US = 300 / 100 = 3 A Considerando D como 4A\mm², situação de má ventilação, temos: Secção dos fios do primário = SP = IP / D = 1,5 / 4 = 0,375mm² Secção dos fios do secundário = SS = IS / D = 3 / 4 = 0,75mm² Como nosso Trafo se trata de um auto Trafo teremos que manter a bitola do fio constante, e para isso considerar a maior bitola, ou seja 0,75mm² ou consultando a tabela de mm² para AWG, usaremos o AWG18 Agora que sabemos a bitola do fio, iremos calcular o número máximo de espiras que nosso carretel aceita, também seguindo a tabela fornecido pela EDUFER Figura 6 – Formulario dos primeiros dados para confecção do trasformador – fonte EDUFER Então Usando a formula da tabela: Onde NP = Numero de espiras do primário e NS = número de espiras secundário: NP = UP x 37,537 / SL = 220 x 37,537 / 12 = ~688 espiras NS = US x 37,537 / SL x 1, 1 = 100 x 37,537 / 12 = ~312 espiras Lembrando que esse é o número máximo de espiras que podemos ter no carretel devido a área escolhida Material necessário para a montagem: Fio de cobre esmaltado Este tipo de fio é aplicado em enrolamento de motores, bobinamento de transformadores entre outros. Possui um revestimento de verniz que garante a isolação do condutor e a capacidade de suportar temperaturas elevadas cerca de 200°C (A Temperatura suportada varia em função do tipo: HS – Camada Simples ou HD – Dupla Camada), possui capacidade de resistir a umidade e proporciona ao condutor resistência a produtos abrasivos, características dielétricas e choque térmico. Este tipo de condutor pode se apresentar em formato redondo, quadrado ou retangular para diferentes aplicações e potências. Lâmina de ferro silício para o núcleo Construído de material ferromagnético, o núcleo do transformadoré construído por lâminas/chapas de ferro silício. Cada uma das lâminas são isoladas com uma espécie de verniz, este verniz vai evitar o contato elétrico entre as placas prevenindo o transformador de perdas por Histerese e Foucault. Diferentes modelos de núcleos podem ser encontrados, em nosso protótipo trabalharemos com o núcleo do tipo E+I que tradicionalmente é o mais utilizado em transformadores monofásicos de baixa potência. Papel Isolante Parafinado Como sabemos o transformador, no mínimo, possuirá dois enrolamentos, o primário e o secundário, podendo ainda existir transformadores com múltiplos enrolamentos secundários para diferentes tensões de saída. É fato que estes enrolamentos distintos não poderão, de forma alguma, entrar em contato elétrico uns com os outros (mais precisamente: curto-circuito), para evitar isto fazemos uso de um papel especial que realiza a isolação das bobinas, este papel é o papel parafinado. Este papel recebe um banho de parafina para auxiliar na eliminação da umidade causadora de baixa isolação do transformador. Termocontratil É muito importante garantir uma excelente isolação nos terminais que serão disponibilizados no transformador, uma boa maneira de realizar a isolação é fazer uso do Termocontrátil nestas conexões. Todas as conexões ente o fio magnético esmaltado e os cabos que serão os terminais dos enrolamentos devem, sem exceção, ser devidamente soldados para um melhor desempenho, ou seja, com os terminais soldados teremos uma melhor resistência mecânica e também a eliminação do aquecimento por mal contato. Além de garantir o isolamento ideal para o transformador, o Termocontrátil dará a seu transformador um excelente acabamento. Então com os dados e material em mãos iniciamos a montagem de nosso protótipo. Para confecção de nosso transformador utilizamos o núcleo de ferro silício, facilmente encontrado em lojas do ramo, utilizamos um carretel plástico, também comprado em lojas do Após termos enrolado o Trafo, partimos para as medições de tensão, para verificar se as tensões de saída estão de acordo com o dimensionado. Figura 7 - Chapas de ferro Figura 8- Bobina sendo enrolada Figura 9 - Soldagem dos terminais Com o auxílio de um multímetro conectado ao PC, utilizando o software do mesmo obtivemos as seguintes medidas em VAC: Com esse valor de tensão para uma entrada em 220vac, chegamos à conclusão que obtivemos sucesso em nossos cálculos. Com o auxílio da função osciloscópio deste mesmo multímetro, realizamos as medidas das amplitudes das senoides, para checar se o valor de tensão eficaz (RMS), estava de acordo com a tensão medida em AC. Figura 10 - Medidas de tensão realizadas com multímetro digital Habilitando a função osciloscópio, conseguimos as seguintes leituras: Como pode ser visto na imagem acima, o valor de tensão RMS foi de 105 VAC, e o valor de pico a pico foi de 296 VAC, valor este que deve ser tratado com a formula (VPP/2) /��, chegando ao valor em RMS, que é o que nos interessa, próximo aos 104VAC. Nosso transformador teve portanto um desvio de aproximadamente 4%, o que é um valor aceitável dentro desta faixa de tensão, oscilação esta que acompanha oscilações na rede primaria, podendo estar influenciando no momento desta medição. Figura 11 – Sinal senoidal na saída do transformador com amplitude de 105V RMS Laços de histerese Histerese magnética Quando o campo magnético aplicado em um material ferromagnético for aumentado até sua saturação e em seguida for diminuído, a densidade de fluxo, B, não diminui tão rapidamente quanto o campo H. Dessa forma quando H chega a zero, ainda existe uma densidade de fluxo remanescente, Br. Para que B chegue a zero, é necessário aplicar um campo negativo, chamado de força coercitiva. Se H continuar aumentando no sentido negativo, o material é magnetizado com polaridade oposta. Desse modo, a magnetização inicialmente será fácil, até quando se aproxima da saturação, passando a ser difícil. A redução do campo novamente a zero deixa uma densidade de fluxo remanescente, -Br, e, para reduzir B a zero, deve-se aplicar uma força coercitiva no sentido positivo. Aumentando-se mais ainda o campo, o material fica novamente saturado, com a polaridade inicial. Esse fenômeno que causa o atraso entre densidade de fluxo e campo magnético é chamado de histerese magnética, enquanto que o ciclo traçado pela curva de magnetização é chamado de ciclo de histerese. Exemplo de histerese com metais Quando o ferro não está magnetizado, seus domínios magnéticos estão dispostos de maneira desordenada e aleatória. Porém, ao aplicar uma força magnetizante, os domínios se alinham com o campo aplicado. Se invertemos o sentido do campo, os domínios também inverterão sua orientação. Uma família de curvas de histerese medida com uma densidade de fluxo modulada sinusoidalmente com frequência de 50 Hz e campo magnético variável de 0,3 T a 1,7 T. Observar a figura seguinte. Em um transformador, o campo magnético muda de sentido muitas vezes por segundo, de acordo com o sinal alternado aplicado. E o mesmo ocorre com os domínios do material do núcleo. Ao inverter sua orientação, os domínios precisam superar o atrito e a inércia. Ao fazer isso, dissipam uma certa quantidade de potência na forma de calor, que é chamada de perda por histerese. Em determinados materiais, a perda por histerese é muito grande. O ferro doce um exemplo. Já no aço, esse tipo de perda é menor. Por isso, alguns transformadores de grande potência utilizam um tipo de liga especial de ferrosilício, que apresenta uma perda por histerese reduzida. Esse tipo de problema também aumenta junto com a frequência do sinal. Um transformador que apresenta baixa perda nas frequências menores, pode ter uma grande perda por histerese ao ser usado com sinais de frequências mais altas. A histerese produz-se devido ao gasto de energia para inverter os dipolos durante uma mudança de campo magnético. Figura 12 – Curva de histerese e comportamento magnetico de ferromagneticos Em nossa aplicação, transformador, o tipo de material que apresenta a melhor curva de histerese, foram os materiais magnéticos macios (doces) selecionando assim o ferro silício. Materiais Magnéticos Macios (Doces) São usados em campos magnéticos alternados com perda de energia baixa (núcleos de transformadores) Saturação em campos baixos (facilmente magnetizado e desmagnetizado) com baixa perda de energia, área do laço de histerese pequena, laço estreito e alongado, como mostra a figura ao lado. Materiais magnéticos usados em transformadores e indutores de baixa e alta frequência. O indutor é um componente que se opõe a variações de corrente elétrica. Ele é composto por um enrolamento de fio em torno de um núcleo que pode ser feito de material magnético ou não-magnético. O transformador é um dispositivo constituído por dois ou mais enrolamento magneticamente acoplados. Estes enrolamento são similares a indutores. Os núcleos Magnéticos ajudam na diminuição das perdas do transformador. Uma das principais características do uso de materiais magnéticos no núcleo é aumento de fluxo devido ao abaixamento da relutância do meio a ser percorrido Pelo fluxo magnético. Os núcleos são constituídos dos seguintes elementos: 1. Ferro e silício 2. Ferrites 3. Epóxi com esmalte vinilico 4. Ligas amorfas Para altas frequências é utilizado o ferrites. Em dispositivos de frequência acima de 10 kHz as perdas por correntes parasitas não permitem o uso de aços e ligas metálicas. São então ‘’’utilizados ferrites diversos como os hexagonais (estrutura do BaFeO19), os espinélios Figura 13 – Curva de histerese de acordo com o tipo de material (MFe2O4) e as granadas (do tipo do YIG - Y3Fe5O12), nos quais ainda hoje há atividades de pesquisa básica. Para baixas frequências é utilizadoferro silício e ligas amorfas. Núcleos de Ferrosilício: são constituídos de Si 0,25% a 4,75% e o restante de Ferro. O ferro possuí as características magnéticas, que ajudam no desempenho e o silício atua como um isolante do núcleo. Ligas amorfas Os materiais amorfos possuem propriedades únicas. Feitos a partir da rápida solidificação de ligas metálicas, apresentam fácil magnetização devida ao fato de seus átomos se encontrarem arranjados de maneira aleatória, facilitando a orientação dos domínios magnéticos. Atualmente são formadas por Fe78 B13Si9. Ligas amorfas X Aço silício As ligas Amorfas apresentam algumas vantagens em relação as ligas de ferro silício, contudo ainda não são largamente utilizadas. Algumas características são que núcleos formados com ligas amorfas, apresentam perdas totais 60% menores dos constituídos por ferro silício e tais ligas podem ser laminadas 10 vezes mais finas e terem uma indução de saturação 20% menor. Porém para manter o mesmo fluxo magnético é necessário uma área maior, elevando o peso em cerca de 15%, ligas amorfas possuem alto grau de dureza dificultando na laminação, e possuem um custo de emprego 20% a 25% maior. Portanto, O material magnético mais utilizado na construção de núcleos tanto de indutores quanto de transformadores é a liga de ferrosilício. Os mesmos são laminados, (cerca de 0,3 mm de espessura por lâmina), e cada lâmina é isolada de outra, assim cria-se um resistência diminuindo as perda pela corrente de Foucault ou corrente induzida. Os núcleos possuem uma região de atuação linear, conforme o campo magnético (H) aumenta a densidade de fluxo magnético (B) também aumenta. Contudo acima da temperatura de Curie, a região não é mais linear, e o aumento de (B) não é mais tão relevante quanto o de (H), saturando o núcleo e prejudicando seu funcionamento.
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