PEA EPUSP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO PEA-2211 INTRODUÇÃO À ELETROMECÂNICA E À AUTOMAÇÃO. TRANSFORMADORES - Prática

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1 PEA EPUSP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO PEA-2211 INTRODUÇÃO À ELETROMECÂNICA E À AUTOMAÇÃO TRANSFORMADORES - Prática 2014

2 PEA Transformadores Parte Prática 1 Data / / 2014 Turma Nome N. USP Assinatura Transformadores Parte Prática I 1. DADOS BÁSICOS DO TRANSFORMADOR O arranjo das bobinas do transformador do laboratório, de potência nominal 1 kva, está mostrado na Fig. 1. A especificação para cada uma das 8 bobinas é: V Nom = 110 V I Nom = 2,25 A N = 130 espiras R CC = 0,925 Fig. 1 Arranjo das bobinas do transformador do laboratório. Considerando possíveis as ligações indicadas na Tabela I, calcule teoricamente a tensão e corrente nominais correspondentes a cada uma das ligações indicadas. LIGAÇÃO DO ARRANJO PRIMÁRIO TABELA I VALORES NOMINAIS DO TRANSFORMADOR TENSÃO [V] CORRENTE [A] POTÊNCIA APARENTE DO ARRANJO [VA] 4 bobinas em paralelo 2 bobinas em paralelo em série com mais 2 em paralelo 4 bobinas em série 1

3 PEA Transformadores Parte Prática 1 2. POLARIDADE DOS ENROLAMENTOS DO TRANSFORMADOR Determine a polaridade relativa ( ponto ) entre duas bobinas do transformador nas situações indicadas na Tabela II. Assinale os pontos de cada bobina nessa tabela. Esta determinação deverá ser feita usando o primeiro procedimento descrito no item 8 da Parte Teórica, que é resumido a seguir. A nomenclatura primário/secundário se refere ao diagrama da Fig. 1. TABELA II INDICAR AS MARCAS DE POLARIDADE DE CADA BOBINA duas bobinas do primário uma bobina do primário e outra do secundário A Fig. 2 mostra o esquema elétrico da fonte de alimentação para produzir a tensão primária V 1. Fig. 2.5 Fonte de alimentação que será utilizada V V 1 Fig. 2 Esquema da fonte de alimentação que será utilizada nos testes para alimentar o primário do transformador. Determinação da Polaridade usando fonte CA e voltímetro Considere a Fig. 3. Como determinar a polaridade da bobina 2? Sabemos que o fluxo que atravessa a bobina 1 é o mesmo que atravessa a bobina 2, mas não sabemos em qual direção. Um dos possíveis métodos de determinação da polaridade pode ser compreendido fazendo-se uso da Fig. 4 e dos seguintes passos: a) A marcação dos terminais da bobina 1 é arbitrária. Adota-se uma marcação qualquer para os terminais da bobina 2. b) Associam-se as bobinas de acordo com o esquema da Fig. 4. c) Alimenta-se a bobina 1 com uma tensão V 1. d) Mede-se a tensão entre os terminais da associação série das 2 bobinas. Caso a leitura do voltímetro seja maior do que a tensão aplicada (se N 1 =N 2 seria o dobro), a polaridade adotada para a bobina 2 está correta. Caso a leitura seja menor do que a tensão aplicada (se N 1 =N 2 seria nula) a polaridade estabelecida para a bobina 2 deve ser invertida, pois o ponto estaria no outro terminal. Fig. 3 Polaridade relativa entre bobinas. Fig. 4 Diagrama para a determinação da polaridade. 2

4 PEA Transformadores Parte Prática 1 3. INTERLIGAÇÕES DO TRANSFORMADOR Considere que as polaridades de todos os enrolamentos do transformador do laboratório sejam dadas pela Fig. 5. Fig. 5 Polaridades do transformador do laboratório. Na Tabela III abaixo, indique a tensão e desenhe as ligações que devem ser feitas para se conseguir os arranjos indicados. Inclua as marcas de polaridade de cada bobina e os terminais de acesso de cada enrolamento. TABELA III TENSÃO NOMINAL DOS VÁRIOS ARRANJOS E INTERLIGAÇÕES DAS BOBINAS Ligação do arranjo Primário Tensão do arranjo [V]* Diagrama das interligações elétricas do Primário 4 bobinas em paralelo Primário 2 bobinas em paralelo em série com mais 2 em paralelo Primário 4 bobinas em série Primário * A Tensão do arranjo corresponde à tensão nominal, aquela que pode ser aplicada ao primário, baseada nos dados nominais das bobinas fornecidos no item 1. 3

5 PEA Transformadores Parte Prática 1 4. MEDIDA DA RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO Para a medida da relação de transformação utilizar o esquema da Fig. 6. As conexões de primário e secundário devem ser feitas nas condições indicadas na Tabela IV, que deve ser preenchida com as medidas efetuadas. Primário Secundário V Fig. 6 Esquema de conexões para a medida da relação de transformação. TABELA IV Ligação do arranjo Primário 4 bobinas em paralelo Ligação do arranjo Secundário 2 bobinas em paralelo em série com mais 2 em paralelo 4 bobinas em série Diagrama das interligações elétricas do primário e secundário (indicar também as marcas de polaridade e terminais) Primário Secundário Primário Secundário Tensão Nominal do Primário (V) Tensão Nominal do Secundário (V) Tensão aplicada no Primário (V) 50 Tensão no Secundário teórica (V) V 1 /V 2 teórico Tensão no Secundário medida (V) V 1 /V 2 (baseado nas medidas) 4

6 PEA Transformadores Parte Prática 1 5. POLARIDADES INVERTIDAS 1) Imagine que alguém conectou em série duas bobinas do transformador com polaridades invertidas, como indicado na Fig. 7. Escreva em poucas palavras o que deve ocorrer com a corrente I quando a fonte de tensão for ligada. Fig. 7 Diagrama mostrando bobinas conectadas com polaridades invertidas. 2) Utilizando a montagem experimental dada na Fig. 8, efetue a experiência indicada na Fig. 7 da seguinte maneira: Inicialmente, ligue duas bobinas quaisquer do transformador em série, com a polaridade correta, e alimente o circuito com uma tensão muito baixa, em torno de 5 (cinco) V, anotando o valor da corrente na Tabela V. Em seguida inverta a polaridade de uma das bobinas e repita a medida da corrente. ATENCÃO! Cuidado ao elevar a tensão no Variac, pois a corrente aumentará abruptamente! Não exceda os 5 V (cinco) de tensão aplicada às bobinas! A B (a) (b) (c) Fig. 8 Conexões para a verificação da corrente absorvida pela associação série de duas bobinas quaisquer do transformador. (a) Fonte e instrumentos (b) Conexão A (c) Conexão B TABELAV Tipo de ligação Conexão (A ou B) Corrente medida [A] Corrente calculada* [A] Correta Invertida * Considerar a resistência da bobina dada no item 1. Despreze a dispersão. Explique por que uma simples inversão de polaridade nos enrolamentos provoca uma alteração tão significativa na corrente (responder em termos de corrente e de fluxo magnético). 5

7 PEA Transformadores Parte Prática 1 6. CORRENTE DE MAGNETIZAÇÃO O objetivo deste item é a verificação da relação entre a força magneto-motriz F = NI [Ae] e o fluxo magnético max [Wb] para ligações série e paralelo de bobinas, sendo que I é a corrente de magnetização do núcleo. As medidas serão feitas utilizando a montagem experimental dada na Fig. 9 e considerando as interligações e as tensões indicadas na Tabela VI. Preencher a tabela com os dados medidos e calculados. I V Fig. 9 Diagrama para medida da corrente de magnetização. ARRANJO TABELA VI CORRENTE ABSORVIDA PELO ARRANJO LIGAÇÃO Tensão aplicada V [V] Corrente medida I [A] Corrente Teórica* I [A] Fluxo no núcleo ** (teórico) 1 1 bobina 110 I bobinas em paralelo bobinas em paralelo bobinas em série bobinas em série bobinas em paralelo em série com mais 2 em paralelo 220 * Corrente I é a corrente absorvida pela associação de várias bobinas; deve ser expressa em termos de I 0, que é aquela absorvida por uma única bobina, correspondente ao Arranjo 1. Ex.: 0,7 0, 0 /3, etc. ** O fluxo para cada arranjo deve ser dado como uma função de 0 (corespondente ao Arranjo 1). Ex.: 0,7 0, 0 /5, etc. Pede-se explicar detalhadamente como foram calculados os valores teóricos apresentados para cada uma das 6 ligações. A explicação deve ser dada em termos da Lei de Ampère ( i = ) e da Lei de Faraday (V = 4,44 f N max ). Utilizar o verso se necessário. Dicas: Usar o circuito elétrico análogo. Lembrar que a corrente medida não é necessariamente a corrente que passa por 6

8 PEA Transformadores Parte Prática 1 cada bobina. i V N Ex.: Arranjo 1 V k 0, I i I N N 0 7

9 PEA Transformadores Parte Prática 2 Data / / 2014 Turma Nome N. USP Assinatura Transformadores Parte Prática II 1. DADOS BÁSICOS DO TRANSFORMADOR O arranjo das bobinas do transformador do laboratório, de Potência Nominal 1 kva, está mostrado na Fig. 1. A especificação para cada uma das 8 bobinas é: V Nom = 110 V I Nom = 2,25 A N = 130 espiras = 0,925 R CC Fig. 1 Arranjo das bobinas do transformador do laboratório e indicação das respectivas polaridades. Considere a Fig. 2 onde foram numeradas todas as bobinas no transformador. A Fig. 3 mostra a configuração das chapinhas de interligação além dos bornes relevantes de interligação do transformador. Fig. 2 Arranjo de bobinas do transformador. Fig. 3 Diagrama detalhado das interligações das bobinas do transformador. 2. ENSAIO EM VAZIO O ensaio em vazio permite a medição da tensão e da corrente do primário do transformador com o secundário mantido em aberto. 8

10 PEA Transformadores Parte Prática 2 Faça as conexões do transformador de modo que o primário esteja conectado para 220 VAC (deverão ser utilizadas 2 bobinas em paralelo, associadas em série com outras 2 em paralelo) e o secundário para 110 VAC (deverão ser utilizadas 4 bobinas em paralelo), conforme a Fig. 3. Para a realização do ensaio em vazio utilizar o circuito esquematizado na Fig. 4. Observar cuidadosamente o esquema de conexão do wattímetro, seguindo as instruções abaixo. 220 ABERTO Fig. 4 Esquema para a medida da corrente de magnetização. Ensaio em vazio. PROCEDIMENTO DE MEDIÇÃO DE WATT CA 1) Ligue o instrumento. 2) Regule o botão de ajuste de zero até que o display mostre 0. 3) Determine antecipadamente a escala (2000 ou 6000 W) e pressione o botão correspondente. 4) Faça as conexões conforme a figura acima. Se durante o procedimento de medição de Watt CA for necessário medir também tensão e/ou corrente CA da carga, pressionar o botão correspondente. No caso específico da tensão CA, verificar antecipadamente a escala adequada (200 ou 600 V) 2.1 Variar a tensão aplicada ao primário do transformador de modo a ajustá-la para 220 VAC. Efetuar as medidas de forma a completar a segunda e a terceira colunas da Tabela 1. V [V] I [A] P [W] TABELA 1 Ensaio em vazio do transformador V.I [VA] cos I cos [A] I sen [A] r P [Ω] x M [Ω] A partir dos valores medidos, completar as colunas restantes da Tabela 1, efetuando os cálculos de correntes, da resistência de perdas no núcleo r P e da reatância de magnetização x M, detalhando abaixo os cálculos desses parâmetros. Relação de transformação para esse ensaio a =. 9

11 PEA Transformadores Parte Prática Determinar a corrente em vazio em porcentagem da corrente nominal do transformador, quando o mesmo está com tensão nominal. Tensão Nominal do enrolamento: V. Corrente Nominal do enrolamento: A. Corrente em vazio I 0 para Tensão Nominal: A. Valor de I 0 em % de I NOM : %. 2.4 Quais perdas são desprezíveis neste ensaio? Por quê? O que representa a potência medida nesse ensaio? 3. ENSAIO EM CURTO-CIRCUITO O ensaio de curto circuito será realizado utilizando a mesma montagem experimental do ensaio em curto, porém agora deve-se curto-circuitar o enrolamento de 110 V, conforme ilustrado na Fig Ajustar o controle do Variac de modo a obter os valores da corrente no primário de acordo com a primeira coluna da Tabela 2. Efetuar as medidas de forma a completar a segunda e a terceira colunas dessa tabela. 220 CURTO Fig. 6 Montagem para o ensaio de curto-circuito, realizado no lado da alta tensão. AUMENTAR A TENSÃO DE ALIMENTAÇÃO GRADUALMENTE! NÃO DEIXE CIRCULAR CORRENTE SUPERIOR A 5 A! TABELA 2 Ensaio de curto circuito do transformador I [A] V [V] P [W] VI [VA] z cc [ ] r cc [ ] x cc [ ] 4,5 Relação de transformação para esse ensaio a =. 3.2 A partir dos valores medidos, completar as colunas 4 a 7 da Tabela 2, detalhando os cálculos abaixo. 10

12 PEA Transformadores Parte Prática Determinar os parâmetros dos enrolamentos de 110 V e 220 V, detalhando abaixo os cálculos e preenchendo a TABELA 3. TABELA 3 Enrolamento de 110 V Enrolamento de 220 V resistência [ ] reatância [ ] resistência [ ] reatância [ ] 3.3 Quais perdas são desprezíveis nesse ensaio? Por quê? O que representa a potência medida nesse ensaio? 4. Determinação do Circuito Equivalente do Transformador 4.1 Desenhar os circuitos equivalentes completo e simplificado (sem o ramo paralelo), referidos ao lado da ALTA tensão, representando os parâmetros desses circuitos por seus valores numéricos. CIRCUITO EQUIVALENTE COMPLETO REFERIDO AO LADO DA ALTA TENSÃO a = CIRCUITO EQUIVALENTE SIMPLIFICADO REFERIDO AO LADO DA ALTA TENSÃO a = 11

13 PEA Transformadores Parte Prática 2 5. ENSAIO COM CARGA RESISTIVA 5.1 Montar o esquema ilustrado na Fig. 7 e efetuar as medidas de modo a completar a TABELA 4. O voltímetro no primário permite verificar se a tensão V 1 permanece constante em 220 VAC para cada condição de carga (cada linha da tabela). Req 220 Fig. 7 Montagem para ensaio com carga resistiva. TABELA 4 Ensaio de regulação (R) e rendimento ( ) com carga resistiva no transformador N o resistores V 1 * (V) P 1 (W) V 2 (V) I 2 (A) R eq** (Ω) P 2 (W) R(%) *Deve ser mantido constante em 220 V para todas as linhas da tabela. ** Calculado a partir das medidas. 5.2 Para uma das condições de carga acima (4 resistores) e com tensão nominal aplicada recalcule a regulação e o rendimento a partir do circuito equivalente COMPLETO referido ao lado da ALTA tensão (Fig. 19 da Parte Teórica), determinado no item anterior, de modo a preencher a TABELA 5. Detalhar os cálculos abaixo. NÃO USE OS VALORES DE P 1, V 2 e I 2 MEDIDOS! CALCULE-OS A PARTIR DO CIRCUITO EQUIVALENTE. 12

14 PEA Transformadores Parte Prática Repetir o item anterior de modo a preencher a Tabela 5 utilizando o circuito equivalente SIMPLIFICADO, referido ao lado da ALTA tensão (Fig. 20 da Parte Teórica). Detalhar os cálculos abaixo. 13

15 PEA Transformadores Parte Prática 2 TABELA 5 Comparação de R e medidos com os calculados pelos Circuito Equivalentes Completo e Simplificado 4 resistores Experimental* (Transcrever da Tabela 4) Calculado a partir do Circuito Completo (5.2) Calculado a partir do Circuito Simplificado (5.3) R [%] [%] * Calculado a partir dos dados experimentais. 5.4 Por que a regulação variou a cada linha da TABELA 4? De que fatores ela depende? 5.5 Suponha que você dispõe apenas dos parâmetros do circuito equivalente do transformador e não mais dos valores dos ensaios 2, 3 e 5. Qual circuito equivalente, simplificado ou completo, usaria para calcular a Regulação? (Discutir/Justificar) 5.6 Suponha que você dispõe apenas dos parâmetros do circuito equivalente do transformador e não mais dos valores dos ensaios 2, 3 e 5. Qual circuito equivalente, simplificado ou completo, usaria para calcular o Rendimento? (Discutir/Justificar) 14