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Tecnologia em Automação Industrial EEA-201 - TÓPICOS ESPECIAIS EM AUTOMAÇÃO I 4ª Lista de exercícios TRANSFORMADORES Prof. Antonio Hernandes 1. Um transformador tem a seguinte característica: 220/110 V. Responda as seguintes questões: a) O transformador é redutor ou elevador? b) Indique o valor da tensão no primário e a do secundário. c) Calcule a sua relação de transformação. Solução: a) De 220V 110 V Redutor b) VP = 220 V; VS = 110 V c) α = Vp Vs = = 220 110 = 2 α = 2 2. Suponha que o primário do transformador anterior tinha 800 espiras. Qual será o número de espiras do secundário? Solução: VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 800 . 110 220 nS = 400 espiras 3. Considere um transformador de 100/300 V, com 300 espiras no enrolamento primário. a) Indique as tensões no primário e do secundário b) Calcule a relação de transformação c) Calcule o número de espiras no secundário Solução: a) VP = 100 V; VS = 300 V Elevador b) α = Vp Vs = = 100 300 = 1 3 α = 𝟏 𝟑 c) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 300 . 300 100 nS = 900 espiras 4. Ao se aplicar 220 V a 500 espiras do primário de um transformador, obteve-se no secundário 150 V. Calcule: a) O número de espiras do secundário b) A tensão que se obteria no secundário se se aplicassem no primário os mesmos 220V, mas apenas a 400 das suas espiras. c) A tensão que se obteria no secundário se se aplicassem no primário os mesmos 220 V, mas agora a 600 espiras. Solução: a) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 500 . 150 220 nS = 341 espiras b) VS VP = nS nP VS = VP nS nP = 220 . 341 400 VS = 187,55 V c) VS VP = nS nP VS = VP nS nP = 220 . 341 600 VS = 125 V 5. Ao aplicar 100 V a 200 espiras do primário de um transformador obteve-se no secundário 40 V. Calcule: a) O número de espiras do secundário. b) A tensão que se obteria no secundário se se aplicassem no primário os mesmos 100V, mas apenas a 100 das suas espiras. c) A tensão que se obteria no secundário se se aplicassem no primário os mesmos 100 V, mas agora a 400 espiras. Solução: a) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 200 . 40 100 nS = 80 espiras b) VS VP = nS nP VS = VP NS NP = 100 . 80 100 VS = 80 V c) VS VP = nS nP VS = VP NS NP = 100 . 80 400 VS = 20 V 6. Aplicou-se 150 V ao primário de um transformador que tem 300 espiras. Obteve-se no secundário 250V. Calcule: a) O número de espiras no secundário b) A tensão que se obteria no secundário se fossem utilizadas no secundário apenas 400 espiras. c) A tensão que se obteria no secundário se se utilizasse no secundário 600 espiras. a) NS = 500 espiras b) VS = 200 V c) VS = 300 V 7. Resolva problema idêntico ao anterior, supondo que agora o número de espiras no primário é de 350 espiras. Solução: a) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 350 . 250 150 NS = 583 espiras b) VS VP = nS nP VS = VP nS nP = 150 . 400 350 VS = 171,4 V c) VS VP = nS nP VS = VP nS nP = 150 . 600 350 VS = 257,1 V 8. Pretende-se obter no secundário do transformador, dois níveis de tensão (U2 e U'2). A tensão da rede é 220 V. O número total de espiras no primário e no secundário é respectivamente de 600 espiras e 50 espiras. Calcule: a) O valor de U2 b) A posição da tomada no secundário (número de espiras) que permite obter U' = 8 V Solução: a) V2 VP = n2 nP V2 = VP n2 nP = 220 . 50 600 VS = 18,3 V b) VS VP = nS nP n’2 = nP V′2 VP = 600 . 8 220 nS = 22 espiras 9. Para se calcular o número de espiras dos enrolamentos de um transformador fez-se um enrolamento auxiliar com 12 espiras enroladas em volta do núcleo. Aplicando uma tensão de 220 V no primário, mediu-se no secundário uma tensão de 120 V e no enrolamento auxiliar uma tensão de 3 V. Calcule o número de espiras do primário e do secundário deste transformador. Solução: VP nP = VS nS = Vaux Naux nP = Naux . VP Vaux = 12 . 220 3 nP = 880 espiras nS = Naux . VS Vaux = 12 . 120 3 nP = 480 espiras 10. Pretende-se rebobinar o secundário de um transformador, alimentado a 220 V, com 500 espiras no primário. Calcule o número de espiras no secundário para obter neste: a) 110V b) 300 V Solução: a) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 500 . 110 220 NS = 250 espiras b) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 500 . 300 220 NS = 682 espiras 11. Queimou-se o enrolamento secundário de um transformador de 220/180 V. Calcule o número de espiras a bobinar, sabendo que ao aplicar 220 V no primário mediu-se, num enrolamento auxiliar com 20 espiras, uma tensão de 60 V. Solução: VP nP = VS nS = Vaux Naux nS = naux . VS Vaux = 20 . 180 60 nP = 60 espiras 12. Na figura está representado um transformador que alimenta uma carga Zc=100 Ω (cos φ = 0,8). O primário tem 1000 espiras. Calcule: a) A tensão aplicada à carga b) A relação de transformação c) A intensidade no primário d) A potência ativa absorvida à rede Solução: a) V = Z. I = 100 . 3 VS = 300 V b) α = Vp Vs = 200 300 = 0,666... α ≅ 0,67 c) VS VP = IP IS IP = IS VS VP = 3 300 2200 = 4,5 IP = 4,5 A d) PP = PS (transformador ideal) PP = VS.IS. cos Ø = 200 . 4,5 . 0,8 = 720 PP = 720 W 13. Um transformador de 220/110 V tem uma potência nominal de 100 VA. Calcule as intensidades nominais do transformador. Solução: Pap = VP . IP IP = Pap VP = 100 220 IP = 0,455 A Pap = VS . IS IS = Pap VS = 100 110 IP = 0,0,909 A 14. O enrolamento secundário de um transformador tem 120 espiras e fornece uma corrente de 5 A @ 24 V. Pretendemos rebobinar o secundário de modo a obter nele uma tensão de 36 V, mantendo constante a sua potência nominal. a) Calcule a sua potência nominal. b) Qual deverá ser o número de espiras do novo enrolamento? c) Qual a intensidade nominal do secundário, nesta situação? a) SS = 120 VA b) n2 = 180 espiras c) I2 = 3,3 A 15. Um transformador monofásico fornece, num dado instante, a uma carga indutiva (cos φ2 = 0,7) uma intensidade de 5 A, sob uma tensão de 130 V. A tensão no primário é de 220 V. a) Calcule as potências aparente, ativa e reativa no secundário b) Calcule a impedância da carga c) Calcule a intensidade no primário Solução: a) Pap = VS . IS = 130 . 5 Pap = 650 VA Pat = Pap . cos Ø = 650 . 0,7 = 455 Pat = 455 W Preat = Pap . sen Ø = 650 . 0,71414 = 464,19 Preat = 464,19 VAr b) Z = Pap I2 = 650 52 = 26 Z = 26 Ω c) VS VP = IP IS IP = IS VS VP = 5 130 220 = 2,955 IP = 2,955 A 16. O transformador da figura tem no primário e no secundário respectivamente 4000 espiras e 700 espiras. A tensão no primário é de 1500 V. A carga nominal Zcn é de 30 W com um fator de potência de 0,6. Calcule: a) A relação de transformação b) A tensão no secundário c) As intensidades no secundário e no primário d) A potência nominal do transformador e) A potência ativa consumida Solução: a) α = np ns = 4000 700 = 40 7 = 5,71 α = 5,71 b) VP VS = np ns = α VS = VP α = 1500 5,71 = 262,5 VS = 262,5 V c) P = 30W ; F.P. = cos φ = 0,6 P = S cos φ S = P cos φ = 30 0,6 S = 50 VA IP = S VP = 50 1500 = 0,0333… Ip = 33,33 mA IS = S VS = 50 262,5 = 0,19048 IS = 190,5 mA d) S = 50 VA e) Considerando o transformador como ideal, não haverá perdas internas. Desse modo, toda a potência ativa é a potência consumida pela carga, ou seja, 30W. 17. Calcule a potência indicada pelo wattímetro representado na figura. (Z1 = 40 Ω; cos φ1 = 0.7; R2 =50 Ω). P = 562W 18. O secundário de um transformador entrega 15 A, sob uma tensão de 5000 V, a uma carga indutiva cujo fator de potência e 0,8. A relação entre as espiras é: N1 N2 = 1 22,72 Calcule: a) A potência ativa no secundário b) A potência aparente c) A potência reativa d) A tensão no primário e) A intensidade no primário f) O fator de potência do transformador Solução: a) P = S cos φ = V.I. cos φ = 5000.15.0,8 = 60000 Pp = 60 kW b) S = V.I = 5000.15. = 75000 S = 75 kVA c) Q = S . sen φ = 75000 . 0,6 = 45000 Q = 45 kVAR d) α = Vp Vs Vp = α Vs = 1 22,72 5000 Vp ≅ 220 V e) α = Is Ip Ip = Is α = 15 . 22,72 = 340,8 Ip ≅ 341 A f) 0,8 como no secundário, pois o transformador é ideal 19. Um transformador de 200 kVA, com três enrolamentos, foi construído para 2400 V no primário tendo no secundário dois enrolamentos, um para 600 V e o outro para 240V. O primário tem 200 espiras; a potência nominal de cada enrolamento do secundário é de 100 kVA. Calcule: a) O número de espiras de cada enrolamento do secundário b) A intensidade nominal no primário. c) A intensidade nominal em cada um dos enrolamentos do secundário d) A intensidade de corrente no primário quando no enrolamento de 240 V passa uma corrente de intensidade 300 A e no enrolamento de 600 V passa uma corrente de intensidade 100 A (cos φ = 1) Solução: a) VS VP = nS nP nS1 = nP VS1 VP = 200 . 600 2400 = 50 nS1 = 50 espiras nS2 = nP VS2 VP = 200 . 240 2400 = 20 nS2 = 20 espiras b) IP = S VP = 200000 2400 = 83,333… Ip = 83,3 A c) IS1 = S VS1 = 100000 600 = 166,666… IS1 = 166,7 A IS2 = S VS2 = 100000 240 = 416,666… IS2 = 416,7 A d) Sp = Ss1 + Ss2 Vp.Ip = VS1.IS1 + VS2.IS2 2400.Ip = 600.100 + 240.300 2400.Ip = 60000 + 72000 = 132000 Ip = 55A 20. Um transformador de 1000/220 V tem uma potência nominal de 3 kVA. Calcule: a) O número máximo de lâmpadas incandescentes de 75 W que é possível alimentar com este transformador b) O número máximo de lâmpadas fluorescentes de 75 W (cos φ = 0,6) que é possível alimentar com este transformador c) Compare os dois resultados e conclua acerca da importância de o fator de potência ser elevado Solução: a) S = 3000 VA. Para carga reativa cos φ = 1 P = 3000 W Logo, se cada lâmpada absorve 75 W 3000 75 = 40 lâmpadas b) Para cos φ = 0,6 P = S. cos φ = 3000.0,6 = 1800 ∴ 1800 75 = 24 lâmpadas c) Quando o fator de potência (menor cos φ) diminui, para a mesma potência aparente, obtemos uma potência ativa menor. Portanto, para uma mesma potência aparente, quanto maior o F.P., mais cargas podemos alimentar. 21. Uma bobina não pura com 60 Ω de resistência e 80 Ω de reatância é alimentada a 120V por um transformador. A intensidade absorvida no primário é 654 mA. Calcule: a) A impedância e o fator de potência da carga b) As potências ativa, reativa e aparente no secundário c) A tensão da rede a que o transformador está ligado a) Z = 100 Ω b) S = 144 VA; P = 86,4 W; Q = 115,2 VAR c) VP = 220,2 V 22. Um transformador de 220/120 V tem uma potência nominal de 300 VA. a) Calcule a intensidade nominal do secundário b) Calcule a impedância nominal da carga c) Este transformador pode alimentar uma carga cuja impedância é de 40 Ω? d) E pode alimentar uma carga cuja impedância é de 60 Ω? e) Qual é então a impedância mínima que o transformador pode alimentar? Solução: a) S = Vs . Is Is = S VS = 300 120 = 2,5 Is = 2,5 A b) V = Z . I Z = V I = 120 2,5 = 48 Z = 48 VA c) S = V . I = V2 Z = 1202 40 = 360 Não. A carga de 40 Ω absorveria 360 VA, maior do que a potência nominal do transformador. d) S = V2 Z = 1202 60 = 240 Sim. A carga de 60 Ω absorveria apenas 240 VA. e) A impedância nominal de 48Ω, calculada em b. 23. Pretende-se construir um transformador para alimentar uma carga indutiva cuja potência é de 100 W, intensidade máxima de 4 A e fator de potência de 0,6. O transformador é ligado à rede de 220 V (50 Hz). Calcule: a) A resistência e a reatância da carga b) A tensão que o secundário deve fornecer c) A potência nominal do transformador d) O número de espiras no primário e no secundário se o núcleo do transformador tiver uma seção de 15 cm2 e a indução máxima for de 1,4 Tesla Solução: a) P = 100 W e I = 4 A P = VR.I = R.I2 R = P I2 = 100 42 = 6,25 R = 6,25 Ω cos φ = 0,6 tg φ = 1,33.. = XL R = 100 42 XL = 1,33 x R = 1,33.6,25 = 8,33... 𝐗𝐋 = 8,33 Ω b) P = V.I cos φ V = P I.cosφ = 100 4.0,6 = 41,66... V = 41,67 V c) S = V.I = 41,67.4 S = 166,67 VA d) Ømax = B.S = Vmax n.ω = V √2 N.2.π.f np = Vp.√2 2.π.f.B.S = 220.√2 2.π.50.1,4.0,0015 = 471,6 np = 472 espiras nS2 = nP VS2 VP = 471,6 . 41,67 220 = 89,32 nS2 = 89 espiras 24. A figura representa um transformador e três cargas (uma resistência, uma bobina e um condensador). Ao ligar no secundário cada uma das cargas individualmente, embora a corrente I2 indique sempre o mesmo valor, o wattímetro indica respectivamente para cada caso os seguintes valores: P2A = 100 W, P2B = 50 W, P2C = 5 W. Admite-se que a tensão é constante. Calcule: a) A impedância de cada carga b) O fator de potência de cada carga Solução: a) VS VP = nS nP VS = VP nS nP = 220 . 50 100 VS = 110V A potência nominal não se altera com a carga, pois I e V são constantes: S = V . I = Constante = 100 VA (igual a P) S = V2 Z Z = V2 S Z é constante Para Z = R S = P = V2 R R = V2 P = 1102 100 = 121 Z = 121 Ω b) cos φ = P S Para R cos φ = P S = 100 100 = 1 cos φ = 1 Para L cos φ = P S = 50 100 = 0,5 cos φ = 0,5 Para C cos φ = P S = 5 100 = 0,05 cos φ = 0,05 25. Considere um transformador de 220/150 V,1000 VA. a) Verifique se este transformador pode alimentar 5 cargas iguais, ligadas em paralelo, com uma resistência individual de 75 Ω e cos φ = 0,8 b) Qual o número máximo possível de cargas? c) Qual a potência ativa máxima na situação da alínea b)? d) Qual a potência ativa máxima que se forneceria se as cargas fossem resistivas puras e no mesmo número da alínea b) e) Compare os resultados das alíneas c) e d) Solução: a) R = Z . cos φ = 0,8 Z = R cosφ S = V . I = V2 Z = V2.cosφ R = 1502.0,8 75 = 240 S = 240 VA por carga Logo, a potência total é 5 x 240 VA = 1200 VA, maior do que a capacidade do Transformador que é 1000 VA. Portanto, não é possível alimentar essas 5 cargas simultaneamente. b) Quatro cargas absorvem 4 x 240 VA = 960 VA. Portanto, 4 cargas podem ser alimentadas pelo transformador. c) P = S . cos φ = 960.0,8 = 768 P = 768 W d) S = P = V . I = V2 R = 1502 75 = 300 P = 300 W por carga Para 4 cargas, P = 4 x 300 W = 1200 W e) Com cargas resistivas, a potência ativa absorvida pela carga é maior, e por isso maior quantidade de energia é convertida em outra modalidade. 26. O transformador de uma máquina de soldar, ligada a 220 V, tem 1200 espiras no primário, com tomadas nas 1000ª, 800ª e 600ª espiras. O secundário tem 100 espiras; a potência nominal do transformador é 1500VA. Calcule: a) A intensidade nominal no primário b) As tensões que se podem obter no secundário para as diversas posições das tomadas (1200, 1000, 800 e 600 espiras) c) A intensidade de corrente mais elevada no secundário quando o primário é percorrido por 6 A d) A intensidade de corrente mais elevada no primário quando o secundário é percorrido por 30 A Solução: a) IP = S VP = 1500 220 = 6,8181… Ip = 6,82 A b) VS1 = VP nS np1 = 220 . 100 1200 = 18,33.. VS1 = 18,3 V VS2 = VP nS np2 = 220 . 100 1000 = 22 VS2 = 22 V VS3 = VP nS np3= 220 . 100 800 = 27,5 VS3 = 27,5 V VS4 = VP nS np4 = 220 . 100 600 = 36,66... VS4 = 36,7 V c) IS Ip = Vp Vs IS = Vp Vs Ip = 220 18,3 .6 = 72 𝐈𝐒 = 72 A d) Ip = Vs Vp Is = 36,7 220 .30 = 5 𝐈𝐩 = 5 A 27. Pretende-se construir um transformador monofásico para funcionar a 220/15 V, 50 Hz, com 30 espiras no secundário. Calcule: a) A relação de transformação. b) O valor máximo do fluxo. c) O valor máximo da indução, se a seção do núcleo for de 13 cm2 Solução: a) α = Vp Vs = 220 15 = 14,66... α = 14,67 b) V (t) = n Ømax ω cos ωt t = 0 Ømax = Vmax N.ω = 15.√2 30.2.π.50 = 0,0025 Ømax = 2,25 mWb c) Ømax = B.S B = ∅max S = 0,00225 0,0013 B = 1,73 T 28. Um transformador de 220/60 V foi construído para trabalhar com uma indução máxima B = 1,5 Tesla. Sabendo que o número de espiras no primário é de 600 e a seção do núcleo de 9,18 cm2, calcule: a) A frequência da rede. b) O número de espiras no secundário. a) f =60 Hz b) nS = 164 espiras 29. Um transformador de 220/110 V foi construído para trabalhar a 60 Hz, com uma indução máxima de 1,4 Tesla. A seção do núcleo e de 14 cm2. Calcule: a) O número de espiras no primário e no secundário. b) Os novos números de espiras, se pretendesse ligar o mesmo transformador (mantendo a indução) a 50 Hz. Solução: a) Ømax = Vmax N.ω = U √2 n.2.π.f n = V √2 2.π.f.Ømax = V √2 2.π.f.B.S ∴ nP = 220 √2 2.π.60.1,4.0,0014 nP = 421 espiras VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 421 . 110 220 = 211 nS = 211 espiras b) n = V √2 2.π.f.Ømax = V √2 2.π.Ømax f V √2 2.π.Ømax = n.f = n1.f1 = n2.f2 n2 = n1. f1 f2 ∴ nP2 = nP1. f1 f2 = 421 60 50 n P2 = 505 espiras ∴ nS2 = nS1. f1 f2 = 211 60 50 n S2 = 253 espiras 30. Pretende-se construir um transformador monofásico com as seguintes características: 220/380 V, 50 Hz, 12VA. Sabendo que o núcleo deverá ter uma seção de 2 cm2 e uma indução máxima de 1,1 Tesla, calcule: a) A relação de transformação. b) O número de espiras no primário. c) O número de espiras no secundário. d) A intensidade nominal no secundário. e) A intensidade nominal no primário. Solução: a) α = Vp Vs = 220 380 = 0,5789 α ≅ 0,58 b) Ømax = Vmax n.ω = V √2 N.2.π.f nP = VP √2 2.π.f.Ømax = VP √2 2.π.f.B.S = 220 √2 2.π.50.1,1.0,0002 = 4501,6 ∴ nP = 4502 espiras c) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 4501,6 . 380 220 = 7775,46 nS = 7775 espiras d) SS = VS.IS IS = SS VS = 12 380 = 0,0315789 IS = 31,6 mA e) SP = VP.IP IP = SP VP = 12 220 = 0,0545454 IS = 54,5 mA 31. 1) Resolva problema semelhante ao anterior, com as seguintes diferenças: potência nominal igual a 600 VA, seção do núcleo igual a 24 cm2. 2) Compare os resultados obtidos nos dois problemas, atendendo às diferenças das suas características. Solução: 1) a) α = Vp Vs = 220 380 = 0,5789 α ≅ 0,58 b) Ømax = Vmax n.ω = U √2 N.2.π.f nP = VP √2 2.π.f.Ømax = VP √2 2.π.f.B.S = 220 √2 2.π.50.1,1.0,0024 = 375,13 ∴ nP = 375 espiras c) VS VP = nS nP nS = nP VS VP = 375,13 . 380 220 = 647,955 nS = 648 espiras d) SS = VS.IS IS = SS VS = 600 380 = 1,5789 IS = 1,58 A e) SP = VP.IP IP = SP VP = 600 220 = 2,7272 IS = 2,73 A 2) Pelo fato da potência agora ser maior, foi necessária uma seção do núcleo mais elevada. 32. Um transformador de 110/220 V (50 Hz) tem no primário 300 espiras. Sabendo que ele foi construído para trabalhar com uma indução máxima de 1,6 Tesla, calcule: a) A seção do núcleo (cm2) b) O fluxo máximo φm (mWb) Solução: a) Ømax = B.S = Vmax n.ω = V √2 N.2.π.f S = VP √2 np.2.π.f.B = 110 √2 300.2.π.50.1,6 S = 10,3 cm2 b) Ømax = B.S = 1,6 . 0,00103 = 0,00165057 Ømax = 16,51 mWb 33. Um transformador de 220/100 V (50 Hz) foi construído para trabalhar com uma indução máxima de 1,3 Tesla. Sabendo que o número de espiras em cada enrolamento depende da seção do núcleo escolhida (e esta depende da potência a fornecer), calcule, nas três situações seguintes: a) O número de espiras N1 e N2 se a seção do núcleo for de 12 cm2 b) O número de espiras N1 e N2 se a seção do núcleo for de 15 cm2 c) O número de espiras N1 e N2 se a seção do núcleo for de 10 cm2 Solução: Ømax = B.S = Vmax n.ω = V √2 N.2.π.f n = V.√2 2.π.f.B.S ∴ n1 = V1 √2 2.π.f.B.S = 220 √2 2.π.50.1,3.S = 0,761806 S n2 = V2 √2 2.π.f.B.S = 100 √2 2.π.50.1,3.S = 0,346276 S a) Para S = 12 cm2 𝐧𝟏 = 635 espiras e 𝐧𝟐 = 289 espiras b) Para S = 12 cm2 𝐧𝟏 = 508 espiras e 𝐧𝟐 = 231 espiras c) Para S = 12 cm2 𝐧𝟏 = 762 espiras e 𝐧𝟐 = 346 espiras
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