LABORATÓRIO INTEGRADO III

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1 FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS EXATAS CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATÓRIO INTEGRADO III Experiência 03: Ensaio de Vazio e Curto em Transformadores Trifásicos Prof. Norberto Augusto Júnior

2 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. 1 I) OBJETIVOS: Estudar e compreender os ensaios de vazio e curto circuito do transformador trifásico para a elaboração do respectivo modelo elétrico. II) INTRODUÇÃO TEÓRICA: Os fenômenos físicos que envolvem os transformadores trifásicos são semelhantes aos dos transformadores monofásicos. O modelo do transformador trifásico é apresentado apenas para uma das fases e para as outras duas fases o modelo é o mesmo, todavia com as correntes e tensões defasadas de 10º. Assim, os ensaios do transformador trifásico são realizados exatamente do mesmo modo que os transformadores monofásicos, considerando para o cálculo dos parâmetros as tensões e correntes de fase e as potências totais divididas por três. II.1 Transformador em vazio: O transformador está na condição de vazio quando as bobinas dos enrolamentos primário estiverem alimentadas com tensão C.A., trifásica e equilibrada e os enrolamentos do secundário estiverem sem carga, ou seja, corrente nula. Perdas no Ferro: O circuito magnético do transformador é construído com chapas magnéticas (ferro dopado de impurezas de a 4 % de silício), laminadas (espessura de 0, a 0,6 mm) e de baixas perdas. As perdas no ferro ou magnéticas situam-se entre 0,5 a,0% da potência nominal do transformador. As perdas no ferro são constituídas pelas perdas de histerese e pelas perdas por correntes parasitas ou de Foucault e ocorrem quando a bobina é alimentada com C.A. produzindo fluxo no núcleo também alternado. Perdas de Histerese: as perdas de histerese são aquelas provenientes da energia consumida pela estrutura cristalina do material ferromagnético para orientar os domínios, alternadamente, ora em determinado sentido ora em outro. Para um determinado núcleo já construído as perdas de histerese podem ser expressas por P H = K H. f. V ef1, onde K H é a constante que depende das características do material do núcleo e de suas dimensões geométricas. Perdas de Foucault: as perdas das correntes parasitas ou correntes de Foucault são aquelas geradas na massa do núcleo magnético devido ao fluxo alternado. Ressalte-se que o ferro é condutor (péssimo) elétrico e o núcleo comporta-se como infinitas espiras em curto circuito e percorridas por correntes induzidas (Lei de Lenz). Para um determinado núcleo construído as perdas de Foucault podem ser expressas por P FC = K FC. f. V ef1, onde K FC é a constante que depende das características do material do núcleo e de suas dimensões geométricas. Assim, as perdas no ferro podem ser expressas por: P FE = K H. f. V ef1 + K FC. f. V ef1 Se o transformador operar em freqüência constante, por exemplo, em 60 Hz, podemos escrever: P FE = K H. V ef1 + K FC. V ef1 se K P = K H + K FC, ou:

3 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. P FE = Kp. V ef1 = V ef1 / Rp com Kp = 1/ Rp As perdas no ferro são simuladas no modelo do transformador pela resistência fictícia R P. Notas 1: Observe que bobinas com núcleo de ferro e sendo percorridas com c.c. as perdas no ferro são nulas. As perdas no ferro, para uma determinada tensão de alimentação é constante e independe da carga. A potência absorvida pelo transformador em vazio (P O ) são as próprias perdas no ferro (P FE ). Ou, P O = P FE.Observe que para os transformadores trifásicos as perdas totais devem ser divididas por três, para efeito da determinação do parâmetro R P. Corrente de perdas no ferro: A corrente que circula na bobina e portadora das perdas no ferro é denominada de corrente de perdas no ferro e calculada por: I P = V ef1 / R P. Corrente de magnetização: a corrente que circula nos enrolamentos para produzir o fluxo magnético no núcleo é denominada de corrente de magnetização, I M. No modelo do transformador a corrente de magnetização circula pela reatância X M de magnetização e depende do estado de saturação do núcleo. Quanto maior a saturação maior a corrente I M e menor a reatância de magnetização X M. Corrente de vazio: Na bobina do primário do transformador circula as duas componentes de corrente I P e I M de modo que a corrente de vazio I O = I P + I M. Nos transformadores a corrente de vazio situa-se entre 1 a 5% da corrente primária nominal. No ensaio em vazio, as perdas medidas correspondem às perdas no cobre do enrolamento primário (normalmente desprezíveis na condição de vazio), das perdas no ferro. Nota : Para os transformadores ideais os valores de R P e X M são infinitos e as correntes I O, I P e I M são nulas. Diagrama de fasores das correntes de vazio e modelo do transformador em vazio, por fase; Ensaio de vazio: Com os valores de tensão, corrente e potência absorvida no ensaio, determina-se R p e X m e considerando que as perdas no ferro são a própria potência absorvida. Vef Fe = P0 e Rp P = R p V = P ef Fe

4 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. 3 cos = P 0 φ 0, I P = I 0. cos φ 0, I M = I 0. sen φ 0 e V0 I 0 V X M = I ef M cosφ O Fator e potência da carga em vazio Característica de magnetização ou de vazio: é a curva que relaciona a tensão primária de vazio (V ef1 ) pela corrente de vazio (I o ), ou V ef1 x I o Essa característica é importante para conhecer o estado de saturação do núcleo do transformador na tensão nominal. II. Transformador em curto-circuito: no ensaio de curto-circuito do transformador, normalmente a tensão de alimentação para produzir as correntes nominais no primário e secundário, situam-se entre 5 a 10% da tensão nominal primária. Assim, as perdas no ferro são desprezíveis em virtude do fluxo principal ser muito baixo e, portanto, a potência absorvida durante o ensaio corresponde somente às perdas Joule nos enrolamentos do primário e do secundário (R.I ). Perdas no Cobre ou Perdas Joule: As perdas no cobre dos enrolamentos são compostas por duas componentes, uma devido às resistências ôhmicas dos enrolamentos e a outra devido as perdas adicionais (Aumento da resistência ôhmica dos enrolamentos devido efeito Skin, ou de adensamento de corrente e devido as perdas produzidas pelos fluxos dispersos nas estruturas de aço/ferro do transformador). Nota 3: No transformador do laboratório devido a sua pequena potência não serão consideradas e estudadas as perdas adicionais nos ensaios em vazio ou em curto circuito. Resistências ôhmicas: As resistências ôhmicas dos enrolamentos primário e secundário são representadas no modelo do transformador, respectivamente por R1 e R, causando as quedas de tensão internas V1 = R1. I 1 e V = R. I, bem como as respectivas perdas Joule, P CU1 = R1. I 1 e P CU = R. I No modelo do transformador, referido ao primário, as resistências dos enrolamentos são representadas respectivamente de R1 e R. Reatâncias de dispersão: no transformador as força magneto motrizes (N.I) do primário e secundário produzem fluxos que se fecham pelo ar e apenas com um dos enrolamentos, respectivamente primário e secundário. É importante observar que os fluxos de dispersão dependem fundamentalmente da disposição física e geométrica dos enrolamentos. Assim, o mesmo transformador poderá apresentar fluxos e reatâncias de dispersão diferentes, dependendo apenas de como são escolhidos os enrolamentos do primário e secundário. Quanto mais próximo o enrolamento primário estiver do enrolamento secundário, menor será a dispersão e menor as respectivas reatâncias. Esses fluxos influenciam nas quedas internas de tensão e reativos do transformador e são representados pelas reatâncias XD1 e X D. É possível demonstrar que os parâmetros do secundário R e XD podem ser referendados ao lado do primário por: R = a. R X D = a. XD onde a= V1/V

5 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. 4 Modelo do Transformador em Curto Circuito A resistência equivalente total dos dois enrolamentos, referido ao primário é definida por: R e1 = R1 + a.r = R1 +.R, com os valores de R1 e R medidos diretamente nos sobre os enrolamentos. A reatância equivalente referido ao primário é definida por: X e1 = XD1 + a.xd = XD1 +.XD Impedância de curto circuito: é definida por: Z CC1 = R e1 + j. X e1 ou em módulo Z CC1 = R e1 + X e1 Nota 4: A impedância de curto circuito é uma importante caraterística, pois os projetistas elétricos escolhem os cabos de energia bem como a corrente e potência disruptiva dos disjuntores. No momento da eventualidade do curto circuito no secundário, com plena tensão aplicada no transformador, a impedância que limita a corrente de curto circuito é a impedância de curto circuito do transformador acrescida da impedância dos cabos. Assim, no momento do curto, quanto maior a impedância de curto circuito, menor será a respectiva corrente.todavia, com o transformador operando nas condições normais, deseja-se a menor impedância de curto circuito, para reduzir as quedas internas de tensão, reduzir as perdas Joule e elevar o rendimento. Nos transformadores ideais a impedância de curto circuito é nula e a corrente de curto é infinita. Ensaio de curto circuito: Com os valores de tensão, corrente e no ensaio, determina-se Z CC1 e X e1. No ensaio de curto circuito as perdas no ferro são consideradas desprezíveis e a potência absorvida do ensaio são as próprias perdas joule dos enrolamentos. Cálculo de Z CC1 : Cálculo de X e1 : V Z CC1 = I CC1 CC1 X e1 = Z CC1 - R e1. Verifique que P CU = P CU1 + P CU = R1. I 1 + R. I = R e1. I 1

6 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. 5 Como as bobinas dos enrolamentos são semelhantes podemos determinar as reatâncias de dispersão de cada enrolamento por: XD1 = a.xd = X e1 / sendo, XD1 = X e1 / e XD = X e1 / (. a ) Modelo do Transformador Trifásico, por fase, em carga, (todos os parâmetros, referidos ao primário) Z carga = a. Z carga III) MATERIAL UTILIZADO: Um Transformador Trifásico; Um Variac Trifásico de 3,3 kva; Uma Ponte de medir resistências ôhmicas Wheatstone ou Thompson Um Power Meter digital; Um amperímetro de alicate de 0 A Dois multímetros digitais. III) PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: IV.3) Procedimento: IV.3.1) Ensaio de Vazio (I =0): a) Medir a temperatura ambiente e as resistências ôhmicas por fase do primário e secundário. T = ºC R1= Ω R = Ω Observe as ligações da borneira do transformador trifásico e execute a montagem na ligação primário delta, e secundário estrela Y.

7 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. 6 b) Com o secundário do transformador aberto, alimentar o primário com o Variac, através do instrumento digital de medição do painel Power Meter e medir tensão de linha VL1, a corrente IL1 e a potência trifásica absorvida. No secundário ligar voltímetro, também digital, para leitura da tensão secundária VL. Anote os valores das medidas das grandezas conforme a tabela: V L1O (V) Wo [W] I 1 =I 0 [A] V LO [V] a = K N = V FO1 / V FO = N 1 /N K T = V LO1 / V LO IV.3.) Ensaio em Curto Circuito (Vlcc=0) a) Com o secundário do transformador em curto circuito, alimentar o primário com o Variac, através do instrumento digital de medição do painel Power Meter e medir tensão de linha V Lcc1, a corrente I Lcc1 e a potência trifásica absorvida W cc1. No secundário ligar um amperímetro, também digital, para leitura da corrente secundária I l cc. b) Anote os valores das medidas das grandezas conforme a tabela: I L cc 1 [A] W cc1 [kw] V Lcc1 [V] I Lcc [A] a = I F cc / I F cc 1 = N 1 /N

8 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. 7 V) CONCLUSÕES: Relatório 1- Os valores de placa do transformador. - Os valores das resistências ôhmicas do primário e secundário (R1 e R) 3- A relação do número de espiras (K N = a ). A relação de transformação K T 4- Gráfico da Característica de Magnetização do transformador (V 0 x I 0 ). Justifique o aspecto do gráfico. 5- Por que a característica de magnetização apresenta aspecto diferente para valores crescentes e decrescentes? 6) Gráfico das perdas no ferro pela tensão primária de alimentação (P Fe x V 0 ) Justifique o aspecto do gráfico 7) Calcular os valores dos parâmetros R P e X M para a tensão nominal de 0 V; 8) Gráfico da característica de curto circuito ( V CC1 x I CC1 ) Justifique o aspecto do gráfico. 9) Gráfico das perdas no cobre pela corrente primária de alimentação (P cc1 x I CC1 ). Justifique o aspecto do gráfico 10) Calcular os valores dos parâmetros Z CC1, X D1 e X D para a corrente nominal; Apresentar o modelo do transformador com todos os parâmetros referidos ao primário, na tensão nominal primária de 0 V. 11) Apresentar os valores de z CC1 (%), z CC1 (p.u.), r E1 (%), r E1 p.u.), x E1 (%) e x E1 p.u.)

9 USJT FTCE Laboratório Integrado III Trafos Trif. Ensaios de Vazio/Curto Prof. Norberto Augusto Jr. 8 Questões 1) O que são valores nominais ou de placa do transformador? ) Quais os parâmetros que e como são determinados no ensaio em vazio? Quais perdas que ocorrem no ensaio de vazio? Como são determinadas? 3) O que são perdas no ferro? Explique fisicamente como ocorrem? Do que dependem as perdas no ferro? Como variam com a carga? 4) O que é característica de vazio do transformador? Qual a sua importância? Como pode ser determinada? 5) Quais os parâmetros que e como são determinados no ensaio em curto circuito? Quais perdas que ocorrem no ensaio de curto circuito? Como são determinadas? 6) O que são perdas Joule dos enrolamentos? Explique fisicamente como ocorrem? Do que depende a perda Joule? Como variam com a carga? 7) Calcule as perdas Joule quando transformador estiver com 75º C e com 50% e 100% de carga. 8) O que é característica de curto circuito do transformador? O que é impedância de curto circuito? Qual a sua importância? 9) O que ocorre para um transformador que inicialmente foi projetado para o Brasil na freqüência de 60 Hz e agora será instalado na Argentina, que possui freqüência de 50 Hz, todavia com as mesmas tensões nominais. Discuta as perdas no ferro, as correntes de perdas no ferro, o fluxo do transformador, a corrente de magnetização e as reatâncias de dispersão. 10) Duas bobinas idênticas estão enroladas no mesmo núcleo. Cada uma possui uma resistência ôhmica de Ohms e indutância de 0,05 Henry. Determinar: a) A corrente nas bobinas quando estiverem ligadas em série, com a polaridade correta, e alimentadas com a tensão de V = 100 V c.c. b) Idem item a) todavia com as polaridades invertidas. c) A corrente nas bobinas quando estiverem ligadas em série, com a polaridade correta, e alimentadas com a tensão alternada v(t) = 141.cos (377.t + 30º) V. d) Idem item c) todavia com as polaridades invertidas. 11) Um No Break possui um transformador trifásico de potência de 5 kva, tensão primária de 0 V e tensão secundária de 380 V. A concessionária de energia elétrica durante o dia fornece a tensão de 35 V e a noite de 05 V. Comente os efeitos das perdas no ferro, correntes de perdas no ferro e corrente de magnetização pelo efeito dessa variação de tensão.