DEPT. DE ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Caracterização do Transformador Monofásico em Termos de Circuito Equivalente

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1 DEPT. DE ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES MÁQUINAS ELÉCTRICAS Caracterização do Transformador Monofásico em Termos de Circuito Equivalente 1

2 Primário 220 V c 55 V 55 V 55 V 55 V Secundário Figure 1: monofásico. Representação dos enrolamentos primário e secundário do transformador 1 Caracterização do transformador monofásico em termos de circuito equivalente Objectivo do trabalho: Representação do transformador monofásico em termos de circuito equivalente. Abordam-se os seguintes aspectos: Representação por circuitos do transformador. - Ensaio do transformador em vazio. - Ensaio do transformador em curto-circuito. - Transformador com carga passiva (queda de tensão interna). 1.1 Representação por circuitos do transformador monofásico. Pretende-se determinar os parâmetros do circuito equivalente do transformador monofásico (Figura 1). Deste modo, realizam-se os ensaios do seu funcionamento em vazio e em curtocircuito. Grandezas nominais do transformador Registe os valores nominais de tensão e potência do transformador monofásico. Obtenha os valores nominais da corrente no primário e no secundário para a configuração da Figura 1, assim como o valor da impedância nominal do transformador. 1 Valores nominais Primário Secundário Tensão (U N ) Corrente (I N ) Potência nom. (S) Impedância nom. (Z N ) 1 Considerando um regime alternado sinusoidal para as correntes e tensões, define-se como impedância (UN )2 nominal do transformador àgrandezaz N = S em que U N e S são os valores eficazes da tensão no primário e potência aparente em condições nominais. 2

3 Ensaio em vazio O ensaio em vazio do transformador tem os seguintes objectivos: 1. Determinação do valor da resistência representativa das perdas no ferro. 2. Determinação do valor da reactância de magnetização. 3. Obtenção da relação de transformação do transformador em vazio. Perdas no ferro: estas perdas, para uma certa tensão de alimentação no primário são praticamente constantes, independente da carga. As perdas no ferro compreendem as perdas por correntes induzidas no material magnético (perdas de Foucault) e também as perdas por histerése, sendo ambas função da intensidade do campo B edasuafrequência. Permanecendo constante a força electromotriz aos terminais da bobine, também permanece constante o valor das perdas no ferro (note que a força electromotriz é proporcional ao valor de B). A força electromotriz no enrolamento do primário é, como se sabe: E 1 = U 1 Z 1 I 1. Comoovalordaquedadetensão Z 1 I 1 épequena(daordemde2a3%para transformadores a plena carga), pode-se considerar E 1 = U 1 sem grande erro. Ao alimentar o transformador em vazio, a potência indicada pelo watímetro compreende, além das perdas no ferro P fe,asperdasnocobredoenrolamento primário P c1, ao circular uma corrente em vazio de intensidade I 0.Normalmente, como este valor é pequeno, as perdas no cobre podem ser desprezadas e considerar que o valor do watímetro corresponde unicamente às perdas no ferro. Na Figura 2 apresenta-se o esquema para a realização do ensaio em vazio do transformador monofásico. Como se pode verificar, ligam-se dois voltímetros ao transformador: um na fase do primário e outro na fase do secundário. A fase do primário éligadaàredeeléctrica através de um auto-transformador monofásico, e apresenta também um amperímetro inserido na fase de modo a ler-se o valor eficaz da corrente que circula no primário. Para a realização do ensaio, deve-se ainda colocar um watímetro monofásico de baixo factor de potência (1A/5A - 30V/60V) ligado ao primário. Verifique inicialmente se o auto-transformador se encontra na posição de valor mínimo. Após ligar o disjuntor da bancada, aumente de forma gradual os valores de tensão aos terminais do primário do transformador através do auto-transformador até atingir o valor nominal de tensão. Registe os valores de tensão no primário e no secundário do transformador, os valores obtidos para corrente no primário, e o valor da potência absorvida. O ensaio do transformador com o secundário em curto- Ensaio em curto-circuito circuito tem por objectivos: 1. Determinação da resistência representativa das perdas no cobre. 2. Determinação do valor da reactância de dispersão do transformador. Perdas no cobre: como o valor da tensão no primário é muito pequeno, a intensidade do campo B no núcleo magnético será também muito baixo, pelo que as perdas no ferro poderão ser desprezadas. Por outro lado, como o secundário está em curto-circuito, a tensão será nula, assim como o valor da potência fornecida 3

4 220 V A V W Primário c 55 V 55 V 55 V 55 V V Secundário Figure 2: Ensaio em vazio 4

5 A V W Primário c 220 V 55 V 55 V 55 V 55 V A Secundário Figure 3: Ensaio em curto-circuito. pelo secundário ao exterior. Desta forma, a potência absorvida pelo primário do transformador e medida pelo watímetro corresponderá, quase exclusivamente, às perdas por efeito Joule no enrolamento do primário e do secundário, perdas no cobre. Tensão de curto-circuito U cc : esta tensão corresponde ao valor que é necessário aplicar ao transformador, com o secundário em curto-circuito, para que neste circule uma corrente com intensidade nominal I N. A Figura 3 mostra o esquema para a realização do ensaio em curto-circuito do transformador monofásico. As ligações efectuadas diferem daquelas realizadas para o ensaio em vazio na fase do secundário que é curto-circuitada e em que o voltímetro éretiradoesubstituído por um amperímetro de forma a ler-se a corrente no secundário, assim como no primário onde a watímetro monofásico de baixo factor de potência ésubstituído por outro com um factor de escala mais elevado (1A/5A - 120V/240V). Após ligar o disjuntor da bancada, aumente gradualmente a tensão aplicada aos terminais do primário até atingir, no secundário, um valor perto do valor nominal para a corrente. Registe os valores da corrente no primário e secundário, a tensão aplicada ao primário, e o valor da potência absorvida pelo transformador 2. 2 Atenção ao valor do factor de escala a utilizar nas leituras obtidas do watímetro. 5

6 Resultados obtidos Tensão no primário Corrente no primário Tensão no secundário Potência absorvida Relação de transformação (ensaio em vazio) (ensaio em curto-circuito) Tensão no primário Corrente no primário Corrente no secundário Potência absorvida Obtenha a partir dos valores medidos do ensaio em vazio a evolução do valor da resistência representativa das perdas no ferro em função da tensão no primário, e também a evolução do valor da reactância de magnetização em função da tensão no primário. 3 Justifique o andamento obtido e discuta a origem das perdas existentes no circuito magnético. Obtenha a partir dos valores medidos do ensaio em curto-circuito a evolução do valor da resistência representativa das perdas no cobre e do valor da reactância de dispersão em função do valor da corrente no primário do transformador. Discuta, em função dos resultados obtidos, a validade do modelo utilizado para a representação em termos de circuito equivalente do transformador. Transformador com carga passiva. Este ensaio tem por objectivo a determinação das quedas de tensão interna no transformador para diversas situações de carga. A Figura 4 mostra o esquema de ligações empregue para o ensaio em carga do transformador monofásico. Para várias situações de carga, isto é, com valores de corrente no secundário da ordem da corrente nominal ou inferior, registe os valores eficazes da tensão no secundárioedacorrentenosecundário para diferentes valores de carga. Obtenha e justifique aevolução dos valores correspondentes à queda de tensão interna do transformador. 4 Resultados obtidos Valor da carga Corrente no secundário Tensão no secundário Queda de tensão (Carga) 3 Considere as perdas no ferro contabilizadas colocando uma resistência R em paralelo com uma bobina M. 4 O conceito de queda de tensão nos transformadores corresponde àdiferença entre o valor eficaz da tensão do secundário em vazio e o valor dessa tensão com carga aplicada. 6

7 A V W Primário c 220 V 55 V 55 V 55 V 55 V A Carga passiva variável: resistiva, capacitiva, inductiva Secundário Figure 4: Ensaio do transformador monofásico com carga passiva. 7

8 Traçe o gráfico da relação entre a corrente na carga e o valor da queda de tensão no transformador. (Use valores em p.u.) 8