Laboratório 2 - Transformador II (1) (1)-convertido

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ UNIFEI
ISEE - Instituto de Sistemas Elétricos e Energia
CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA – EEN 501
EXPERIÊNCIA 02 - TRANSFORMADOR II
Adib Gustavo - 2018014814 
 Carollyne Reis Vasques - 2019000214 
 Fernando Sales de Souza - 2019007313 
Professor: Dr. Ricardo Elias Caetano
2021
RESUMO
Um transformador é um dispositivo que converte a tensão de entrada em um valor maior ou menor na saída. Para obter os parâmetros do transformador, são necessários dois testes, um sem carga e o outro em curto-circuito. Portanto, o segundo laboratório de conversão de energia eletromecânica conduziu um teste sem carga para obter os parâmetros do núcleo do transformador de referência (ou núcleo), ou seja, a resistência equivalente Rp e a reatância de magnetização Xm da perda do núcleo. Neste teste, o lado de baixa tensão é alimentado por sua tensão nominal, enquanto o lado de alta tensão está vazio. No segundo teste realizado, o lado de alta tensão é energizado até que a corrente nominal seja obtida e o lado de baixa tensão é curto-circuitado.A impedância do enrolamento pode ser obtida através deste teste. Pode-se concluir a partir dos dados de medição que os parâmetros relacionados ao núcleo magnético mudam com a tensão, enquanto os parâmetros do enrolamento permanecem inalterados.
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO	4
Ensaio em Vazio	4
Ensaio em Curto-Circuito	5
OBJETIVOS	6
INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS	7
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL	9
Dados Básicos do Transformador	9
Ensaio em Vazio	9
Ensaio em Curto-Circuito	12
Determinação do circuito equivalente do transformador	14
Referido ao lado de alta tensão	14
Referido ao lado de baixa tensão	14
CONCLUSÕES	16
BIBLIOGRAFIA	17
1 INTRODUÇÃO
Transformadores são dispositivos usados para transformar tensões, correntes e impedâncias, podendo elevar ou abaixar os valores de entrada. São usados em grande escala em industriais para o acionamento de máquinas, na rede de distribuição elétrica e em diversas outras áreas. Assim, conhecer as especificações desses dispositivos é importante para entender seu funcionamento.
A fim de determinar os parâmetros dos transformadores são feitos dois ensaios, um deixando um lado em vazio e outro curto circuitando um lado de suas bobinas.
1.1 Ensaio em Vazio
O ensaio em vazio é feito aplicando a tensão nominal em um lado do transformar e deixando o outro aberto. Na prática, é mais conveniente alimentar o lado de baixa tensão, pois em transformadores 13800/440 V alimentar o de alta tensão não é tão simples como alimentar o de baixa.
Logo, ao se aplicar a tensão nominal no secundário, Vo = Vnom, e medir o valor de corrente em vazio ou de excitação, Io e a potência absorvida, Po, é possível obter os parâmetros abaixo a partir das equações:
 (
 
 
 
 
) 
Com esse ensaio é possível determinar a resistência equivalente de perdas no ferro (ou núcleo), Rp, e a reatância de magnetização, Xmag. Como o lado alimentado é o de baixa tensão e os parâmetros Rp e Xmag são do de alta tensão, o valores obtido são referidos ao lado secundário, para obter o valor real é preciso converter os dados para o lado primário, conforme as equações abaixo:
 (
Universidade Federal de Itajubá
Conversão Eletromecânica de Energia – EEN501 Experiência 02 – Transf
ormador II
)
 (
1
0
)
Com esse ensaio é possível desprezar a resistência e a reatância de dispersão nas bobinas, uma vez que esses valores são pequenos quando comparados a impedância do ramo de excitação. Assim, a potência absorvida corresponde somente as perdas no núcleo (ou ferro) do transformador.
1.2 Ensaio em Curto-Circuito
No ensaio de curto-circuito o lado de baixa tensão do transformador é curto circuitado e no lado de alta tensão é aplicada uma tensão, Vcc, até que a corrente absorvida atinja o valor da corrente nominal, Icc = Vcc. Medindo o valor de Vcc e da potência absorvida, Pcc, é possível obter a impedância equivalente do circuito, Zcc = Zeq, através da equação:
 √ 
Com isso, pode-se obter também as resistências R1, R2 e as reatâncias X1 e X2.
 	 
A potência absorvida, Pcc corresponde apenas as perdas joule nos enrolamentos, uma vez que o ramo de excitação é desprezível, por causa de Vcc ser muito pequena e os parâmetros Io, corrente de excitação, e Pff, perdas no ferro, dependerem da tensão.
2 OBJETIVOS
O segundo laboratório de conversão de energia eletromecânica-EEN501.2 é projetado para testar sob vácuo e condições de curto-circuito. O primeiro pode determinar a resistência de perda equivalente Rp e a reatância de magnetização Xmag no ferro (ou núcleo). O segundo determina a impedância do enrolamento.
3 INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS
Neste capítulo serão citados os equipamentos utilizados, os métodos e os procedimentos utilizados para a aquisição de dados.
· Transformador trifásico
Frequência: 60 Hz Potência aparente: 0,5 kVA Marca: Cyromac
Nº: 958 Tipo: TMS
· Voltímetro Analógico
Fundo de escala utilizado: 150 V E 300 V
Erro: 0,75 V para fundo de escala 150 V e 1,5 V para 300 V Marca: HB Brasil
· Multímetro Digital
Modelo: ET - 2110 Marca: Minipa
Lcd de 3 ½ dígitos com iluminação de fundo True RMS AC
Tensão AC
Faixas: 40 mV, 400 mV, 4 V, 40 V, 400 V, 750 V.
Precisão: 40 mV ± (1.6%+10D); 400 mV ~ 400 V ± (0.8%+6D); 750 V ± (1.0%+8D);
Resposta em Frequência: 40 Hz ~ 100 Hz para a faixa de 750 V; 40 Hz ~ 400 Hz para outras faixas.
Corrente AC
Faixas: 400 µA, 4000 µA, 40 mA, 400 mA, 4 A, 20 A.
Precisão: 400 µA~400 mA ± (1.5%+15D); 4 A~20 A ± (2.0% + 15D).
Queda de Tensão: Máximo 1,2 V na entrada mA; Máximo 0,1 V na entrada A.
Resposta em Frequência: 40 Hz ~ 100 Hz para a faixa de 20 A; 40 Hz ~ 400 Hz para outras faixas.
· Regulador De Voltagem
Tipo de disjuntor: VARIAC Modelo: TDGC2
Marca: JNG Capacidade: 1 kVA
Nº Fases: 1 Frequência: 50/60 Hz Entrada: 220 V Saída: 0~250 V
· Wattímetro Marca: LT Lutron
Modelo: DW- 6060 Precisão: ± (1% + D)
4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Esse item contém o procedimento utilizado na realização dos ensaios.
4.1 Dados Básicos do Transformador
Inicialmente, o experimento se inicia com a montagem do diagrama exemplificado na Figura 1.
Figura 1 - Diagrama detalhado das interligações das bobinas do transformador do laboratório
Fonte - Roteiro do laboratório
Sendo que as especificações para cada uma das 8 bobinas são: Vnom = 110 V
Inom = 1,13 A N = 65 espiras
4.2 Ensaio em Vazio
A partir da associação de bobinas mostrada no diagrama da Figura 1 juntamente com o esquema de conexão do wattímetro e os demais componentes da Figura 2.
Figura 2 - Ensaio em vazio realizado no lado da baixa tensão
Fonte - Roteiro do laboratório
Foi aplicado 110 V no lado de baixa tensão do transformador e o de alta foi deixado em vazio.
Antes de ligar o circuito, foi realizada a calibração do wattímetro para a escala de 2000
W. Em seguida, foi-se variando a tensão de 0 a 180 VAC para encontrar as medições necessárias para completar a Tabela 1.
Tabela 1 - Medições do Ensaio em Vazio
	Tensão da Rede
	Corrente (mA)
	Perdas (W)
	0
	1,76 ± 0,026
	
	10
	12,7 ± 0,191
	
	20
	20,6 ± 0,309
	
	30
	27,9 ± 0,418
	
	40
	34,5 ± 0,517
	
	50
	41,1 ± 0,616
	
	60
	47,6 ± 0,714
	2 ± 0,002
	70
	54,8 ± 0,822
	
	80
	63,3 ± 0,949
	
	90
	72,4 ± 1,086
	
	100
	84 ± 1,26
	6 ± 0,006
	110
	98,8 ± 1,482
	
	120
	118 ± 1,77
	
	130
	144, ± 2,167
	
	140
	180, ± 2,706
	
	150
	236, ± 3,553
	
	160
	340, ± 5,104
	170
	522 ± 7,83
	180
	761 ± 11,41
A partir dos dados medidos, o gráfico de corrente por tensão de rede presente na Figura 3 foi plotado.
Figura 3 - Variação da corrente de excitação com a variação de tensão da rede
De acordo com as especificações do transformador no item 3.1, a corrente nominal de cada bobina é 1,13 A. Como a interligações das bobinas são em paralelo, no lado de baixa tensão, para ter a tensão nominal de 110 V, a corrente nominal do lado alimentando é 4 vezes a corrente nominal de cada bobina, logo Inom2 =4,52 A.
Para a tensão nominal, a corrente de excitação corresponde a 2,19% da corrente nominal.
Neste ensaio são desprezíveis as perdas por efeito joule nos enrolamentos, pois a impedância das bobinas possui um valor muito pequeno quando comparadas a impedância do ramo de excitação, alimentado por Io.
Utilizando as equações presentes no item 1.1 do relatório os valores obtidos estão presentes na Tabela 2 abaixo:
Tabela 2 - Parâmetros Calculados do Ensaio em Vazio
	V (V)
	I (mA)
	P (W)
	S (VA)
	60,0
	47,6
	2,0 ± 0,02
	2,856 ± 0,049
	110,0
	98,8
	6,0 ± 0,06
	10,868 ± 0,185
	cos φ
	I cosφ (mA)
	I senφ (mA)
	Rp (Ω)
	Xm (Ω)
	0,70 ± 0,01
	16,66 ± 0,001
	16,99 ± 0,001
	7200,0 ± 34,0
	1756,7 ± 21,4
	0,55 ± 0,01
	27,17 ± 0,001
	41,257 ± 0,001
	80667,7 ± 38,1
	5332,4 ± 18,9
4.3 Ensaio em Curto-Circuito
Ainda mantendo a associação das bobinas, foi realizado o ensaio de curto-circuito. Sendo que para esse caso, o lado de alta tensão foi alimentado com sua tensão nominal de 220 V, já o secundário foi curto circuitado, como ilustra a Figura 4.
Figura 4 - Montagem para o ensaio de curto-circuito, realizado no lado da alta tensão
Fonte - Roteiro do laboratório
Os valores de tensão e potência medidos, quando a corrente era de 2,3 A e 4,5, estão presentes na Tabela 3, juntamente com os parâmetros calculados a partir das equações do item 1.2.
Tabela 3 - Medições e Parâmetros do Ensaio em Curto-Circuito
	I (A)
	V (V)
	P (W)
	VI (VA)
	2,3 ± 0,0345
	64,3 ± 0,5
	28,0 ± 0,028
	147,89 ± 2,51
	4,5 ± 0,09
	127,4 ± 1,0
	118,0 ± 1,18
	573,30 ± 12,25
	cosφ
	Zcc (Ω)
	Rcc (Ω)
	Xcc (Ω)
	0,19 ± 0,0037
	27,957 ± 2,311
	5,29 ± 10,64
	27,45 ± 3,1
	0,21 ± 0,0049
	28,311 ± 4,506
	5,83 ± 11,67
	27,70 ± 5,2
A potência desprezível nesse ensaio são as perdas no ferro (ou no núcleo), pois essas perdas dependem da tensão e o valor de Vcc é pequena quando comparada à tensão nominal.
A Tabela 4 contem os dados das resistências e reatâncias das bobinas dos enrolamentos. Como os valores de Rcc e Xcc são constantes, os valores são uma média dos valores presentes na tabela anterior com a aplicação das equações do item 1.2 desse relatório.
Tabela 4 - Parâmetro do Circuito Equivalente do Transformador
	Enrolamento de 110 V
	Enrolamento de 220 V
	Rb (Ω)
	Xb (Ω)
	Ra (Ω)
	Xa (Ω)
	0,70
	3,447
	2,78
	13,79
4.4 Determinação do circuito equivalente do transformador
4.4.1 Referido ao lado de alta tensão
Figura 5 - Circuito equivalente completo referido ao lado de alta tensão
Figura 6 - Circuito equivalente simplificado, sem o ramo paralelo. Referido ao lado de alta tensão
4.4.2 Referido ao lado de baixa tensão
Figura 7 - Circuito equivalente completo referido ao lado de baixa tensão
Figura 8 - Circuito equivalente simplificado, sem o ramo paralelo. Referido ao lado de baixa tensão
5 CONCLUSÕES
O segundo laboratório de conversão de energia eletromecânica visa determinar os parâmetros de impedância do transformador por meio de testes sem carga e em curto-circuito.
Portanto, é possível entender quais parâmetros são encontrados em cada teste e como a impedância, a corrente e a tensão se transformam de um lado para o outro.
Portanto, pode-se concluir que os parâmetros Io, Rp e Xmag relacionados ao núcleo magnético variam com a tensão e podem estar saturados. O R1, R2, X2 e X1 relacionados ao enrolamento permanecem inalterados.
6 BIBLIOGRAFIA
EPUSP. Transformadores: Parte	I	e	II.	Disponível	em:
<https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/349452/mod_resource/content/2/Transformadores_ Teo_2014 (1).pdf>.
HELERBROCK, Rafael, O que é um transformador: conceito, tipos, como funcionam, Brasil Escola, disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-um-transformador.htm>.
Transformadores - Física e Eletricidade. InfoEscola. Disponível em: <https://www.infoescola.com/eletricidade/transformadores/>.
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