MÁQUINAS ELÉCTRICAS II TLME-2.3. Ensaios Económicos. 1. Introdução R2 X2

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1 TLME MÁQUINAS ELÉCTRICAS II SE 2004 / 2005 FEUP LEEC TLME-2.3 Ensaios Económicos 1. Introdução Na utilização quotidiana de transformadores eléctricos podem ocorrer dois tipos de ensaios: ensaios de rotina, ensaios tipo e ensaio especial. Ensaio de rotina é um ensaio a que cada transformador é submetido. São exemplos o ensaio em vazio e o ensaio em curto-circuito. Ensaio tipo é um ensaio a que é submetido um transformador representando outros transformadores para demonstrar que esses transformadores satisfazem um requisito não coberto pelos ensaios de rotina. Um exemplo são os ensaios a que é submetido um primeiro transformador de uma nova série de transformadores a lançar. Ensaio especial é um outro ensaio, para além dos ensaios de rotina e dos ensaios tipo, acordado entre o fabricante e o cliente. Estes diversos tipos de ensaio devem ser feitos para qualquer transformador. Por isso, para os transformadores de maior potência procuram-se métodos de ensaio que não envolvam a colocação do transformador em carga, ou que não obriguem à aplicação directa dos valores nominais das grandezas eléctricas características, porque seriam consumidos valores elevados de energia eléctrica. É desta forma que surge a necessidade de métodos de ensaios económicos. No ensaio económico procuram-se obter valores para grandezas significativas e úteis nas definição das condições do transformador e na determinação indirecta dos valores das grandezas características do funcionamento, mas consumindo apenas pequenos valores de energia eléctrica. Na análise do funcionamento do transformador monofásico pode ser utilizado um modelo que consiste num circuito eléctrico de parâmetros concentrados referido a um dos lados (primário R2 X2 ou secundário) e simplificado do transformador. O circuito em L referido ao secundário Ro2 Xo2 equivalente para um transformador tem a configuração apresentada. Os valores dos parâmetros (R 2, X 2, R o2, X o2 ) podem ser determinados a partir de dois ensaios o ensaio em circuito aberto e o ensaio em curto-circuito que por se realizarem com um pequeno consumo de energia são chamados os ensaios económicos para o transformador. Com o ensaio em curto-circuito determina-se o valor da impedância combinada referida ao secundário (Z 2 ), assim como a sua componente óhmica (R 2 ) e a sua componente reactiva (X 2 ). {Neste guia os parágrafos sublinhados lateralmente a tracejado resultam da Norma CEI 76-1} N. B. Este trabalho necessita de uma preparação prévia à sua execução no laboratório. 2. Objectivos O objectivo deste trabalho de Laboratório é a determinação, através dos ensaios económicos, dos parâmetros do circuito equivalente referido ao secundário de um transformador monofásico.

2 TLME Verificação do carácter económico do método de ensaio. 3. Bibliografia Manuel Vaz Guedes; Sistemas Trifásicos medida de potência,, texto de apoio ( Manuel Vaz Guedes; Método do Voltímetro Amperímetro,, texto de apoio ( Manuel Vaz Guedes; Máquinas Eléctricas I apontamentos, FEUP, 2003 ( Carlos Castro Carvalho; Transformadores, pp , AEFEUP 1983 ( Manuel Vaz Guedes; Grandezas Periódicas Não Sinusoidais, Porto 2001 ( M. Kostenko L. Piotrovsky; Máquinas Eléctricas, Vol. 1 [B_FEUP] M.I.T. Staff; Magnetic Circuits and Transformers, MIT Press, 1943 [B_FEUP] 4. Trabalho a Efectuar 4.1. Material Necessário Transformador monofásico Autotransformador Dois voltímetros CA Um Wattímetro Dois Amperímetros CA Ponte de Medida da Resistência A Ensaio em Vazio Nestas circunstâncias o transformador não terá o circuito secundário ligado a qualquer carga: ensaio em vazio, ensaio sem carga ou ensaio em circuito aberto. No ensaio em circuito aberto, o transformador tem o secundário em circuito aberto, funcionando praticamente como uma bobina com núcleo de ferro. Pode-se determinar o valor da impedância do circuito de magnetização, e separar (segregar) a sua componente óhmica (R o2 ) e a sua componente reactiva (X o2 ). Ro2 Xo2 R2 X2 Im ϕo Ia Io U As perdas de energia que ocorrem no transformador perdas em vazio traduzem apenas as perdas no circuito eléctrico do primário e as perdas magnéticas no núcleo do transformador. As perdas em vazio são medidas numa dos enrolamentos à frequência nominal e a uma tensão correspondente à tensão nominal do enrolamento. O outro enrolamento deverá estar em circuito aberto. Este ensaio deve realizar-se com o transformador à temperatura ambiente do local do ensaio. A possibilidade de a forma de onda da tensão de alimentação do ensaio não ser sinusoidal é controlada através de dois voltímetros. Um que permite a leitura do valor eficaz (normal) U e outro capaz de permitir a leitura do valor médio da tensão, mas indicando o valor eficaz de tensão que tem esse real valor médio U. O forma de onda da tensão é satisfatória quando as leituras dos dois voltímetros forem iguais no intervalo de 3% A potência de perdas em vazio é P Fe é corrigida por P o = P Fe (1 + d) e d = (U U)/U. A. Determinação da razão de transformação e Ensaio em Vazio A.1.1. Montagem a Realizar W φ A V1 V2

3 TLME A.1.2. Modo de Proceder Realizar a montagem. Chamar o docente para verificação Ligar o autotransformador Elevar LENTAMENTE a tensão aplicada ao primário do transformador até atingir o valor nominal. Ler os valores da tensão primária (V1), da tensão secundária (V2), da intensidade de corrente (A) e da potência eléctrica absorvida (W). Reduzir a tensão do autotransformador. Tomar as notas necessárias à elaboração do relatório. Desligar o autotransformador Com os valores lidos determinar: - a razão de transformação - o factor de potência em vazio - o valor das componentes da corrente em vazio - o valor da resistência e da reactância de magnetização 2 Reverificar todas as notas importantes e necessárias à elaboração do relatório 2 Refazer o ensaio para diferentes valores da tensão (de 0,25 U n até 1,1 U n ). {ver tema de desenvolvimento A} P & R?1 Apresentar a forma de onda das grandezas em estudo neste trabalho e caracterizar os principais parâmetros. Qual a grandeza física cujo valor condiciona a segurança desta experiência (ou a sobrevivência da máquina eléctrica e da aparelhagem de medida)??2 Porque tem a impedância de magnetização do transformador Z o um valor superior a um correspondente motor de indução? Justifique.?3 Fazer uma análise energética do funcionamento do transformador em vazio. Qual a importância económica das perdas de energia em vazio??4 Qual a opinião do grupo sobre a forma de onda da tensão de alimentação (tensão da rede eléctrica do laboratório)? Como quantificar essa opinião??5 Com os valores de I o e P o lidos para diferentes valores da tensão de alimentação (de 0,25 U n até 1,1 U n ), determinar o valor das perdas no ferro para a tensão a que é realizado o ensaio de curto-circuito. B Ensaio em Curto-circuito Para realizar o ensaio em curto-circuito estabelece-se uma ligação eléctrica entre os terminais do secundário do transformador, e alimenta-se o primário com uma tensão tal que provoque a passagem de uma corrente eléctrica com uma intensidade igual à intensidade nominal da corrente secundária do transformador (I 2n ). Esta tensão tem um valor relativamente pequeno; por isso, desprezam-se as perdas no ferro. Com este ensaio determina-se o valor da impedância combinada referida ao secundário (Z 2 ), assim como a sua componente óhmica (R2) e a sua componente reactiva (X 2 ).

4 TLME Ro2 R2 X2 Z2 I2n = U2c = U1c/m R2 I2n X2 I2n A impedância de curto-circuito e as perdas em carga para um par de enrolamentos deverão ser medidos à frequência nominal com tensão aproximadamente sinusoidal aplicada aos terminais de um enrolamento e com os terminais do outro enrolamento curto-circuitados. A corrente eléctrica fornecida deverá ser igual ao valor nominal da corrente correspondente, mas não deverá ser menor do que 50% desse valor. A medição deve ser feita RAPIDAMENTE de forma que o aumento da temperatura não cause erros significativos. O valor medido para a potência de perdas em carga deverá ser multiplicado pelo quadrado da razão entre a corrente nominal e a corrente de ensaio. O resultado deve ser corrigido para a temperatura de referência (75 C ou outro valor especificado). A potência de perdas Joule I 2 R (R é a resistência em corrente contínua) são tomadas como variando directamente com a resistência do enrolamento e todas as outras perdas variarão como inverso da resistência do enrolamento. A medição da resistência do enrolamento deve ser feita de acordo com o normalizado (medida em corrente contínua em condições de temperatura especificadas). A impedância de curto-circuito é representada por uma resistência em série com uma reactância. A impedância é corrigida para a temperatura de referência assumindo que a reactância é constante e que a resistência em corrente alternada derivada a partir da potência de perdas em carga varia como descrito atrás. B.1.1. Montagem a Realizar W A V1 A2 B.1.2. Modo de Proceder Realizar a montagem. Chamar o docente para verificação Ligar o autotransformador Elevar MUITO LENTAMENTE a tensão aplicada ao primário do transformador até que no secundário circule a corrente nominal (A2). Ler os valores da tensão primária (V), da intensidade de corrente eléctrica primária (A) e da potência eléctrica absorvida (W). Reduzir a tensão do autotransformador.

5 TLME Desligar o autotransformador Com os valores lidos determinar: - o valor em módulo da impedância reduzida ao secundário e a queda de tensão percentual - o valor da resistência combinada reduzida ao secundário - o valor da reactância combinada reduzida ao secundário P & R 2 - a razão de transformação em curto-circuito m cc = I 2 /I 1 Reverificar todas as notas importantes e necessárias à elaboração do relatório?6 Qual a grandeza física cujo valor condiciona a segurança desta experiência (ou a sobrevivência da máquina eléctrica e da aparelhagem de medida)? Qual o valor limite para essas grandezas??7 Fazer uma análise energética do funcionamento do transformador em carga. Qual a importância económica das perdas de energia em carga??8 Justificar a consideração da norma: A potência de perdas Joule são tomadas como variando directamente com a resistência do enrolamento e todas as outras perdas variarão como inverso da resistência do enrolamento, {Sug: analise as diferentes perdas de energia no transformador}?9 Analise a utilização de um autotransformador como fonte de alimentação do transformador durante o ensaio em curto-circuito, quanto à imposição de uma forma de onda sinusoidal C Medida da Resistência dos Enrolamentos Medir a resistência do enrolamento primário e do enrolamento secundário pelo método do voltímetro-amperímetro. Atender à temperatura ambiente. D Temas de Desenvolvimento A B C Um forma de corrigir qualquer erro que possa ocorrer durante o único ensaio em vazio é com a realização de vários ensaios para diferentes valores da tensão (de 0,25:U n até 1,1 U n ). A partir das curvas P o (U) e I o (U) lê-se o valor de I o e P o para a tensão nominal. Justificar. Como determinar o valor das perdas no ferro, a partir dos gráficos do tema anterior, que deveriam utilizar para corrigir a leitura da potência de perdas em carga no ensaio em curto-circuito. Justificar. Fazer uma análise crítica da energia eléctrica consumida nestes dois ensaios. Indique, claramente, os responsáveis pelos diferentes consumos efectuados durante os ensaios. Resenha Histórica É muito interessante notar que a descoberta do fenómeno da indução por Michael Faraday em 1831 foi feita com o auxílio de um instrumento científico que tinha já os aspectos construtivos de um transformador. O núcleo magnético é formado por um anel de arame de ferro. Os enrolamentos eram formados por diferentes comprimentos de fio de cobre isolado, enrolados em torno do núcleo magnético. A forma de onda da tensão de alimentação era variável no tempo impulsional, criada pela abertura e fecho de um interruptor intercalado num circuito de corrente contínua.

6 Máquinas Eléctricas 16 Resenha Histórica Primórdios do Transformador A Lei física em que se baseia o funcionamento do transformador eléctrico Lei da Indução Electromagnética foi descoberta experimentalmente com o auxílio de um instrumento a que hoje chamaríamos transformador. Michael Faraday em 1831 descreveu no seu diário o instrumento com que realizou algumas experiências: era formado por duas bobinas de fio de cobre isolado enroladas em cada lado de um anel de ferro macio. Faraday 1831 Ruhmkorff 1851 Cromwell F. Varley em 1856 aumentou o rendimento da bobina de indução, quando passou a utilizar um circuito magnético em fio de ferro fechado. Tal seria comprovado pela Teoria do Circuito Magnético apresentada por Hopkinson em Varley 1856 Em 1836 Charles G. Page nos Estados Unidos da América apresentou um multiplicador dinâmico, que, baseado na Lei da Indução, tinha um funcionamento característico de um autotransformador, e mais tarde (1851) seria reinventado por H. Ruhmkorff.. Page 1836 Em 1837 Nichollas Callan na Irlanda desenvolveu uma bobina de indução que apresentou a alguns cientistas, mas que não divulgou devidamente. Callan 1837 Em 1851 Heinrich Ruhmkorff apresentou uma bobina de indução, vulgo bobina de Ruhmkorff, a que foi atribuído em 1864 o prémio Volta. Todos estes instrumentos funcionavam, segundo a Lei da Indução, devido à variação do campo magnético provocada pela interrupção, mais ou menos, brusca do circuito eléctrico de magnetização (corrente impulsional). Foi William Grove quem em 1868 aplicou uma fonte de corrente alternada (um alternador) na alimentação de uma bobina de indução, provocando uma condição de ressonância devido ao condensador nos terminais do interruptor (condensador de Fizeau). Grove 1868 ~ Em 1877 Paul Jablochkoff utilizou uma série de bobinas de indução, alimentadas em corrente alternada, para promover a divisibilidade da luz das velas Jablochkoff, colocadas em paralelo no secundário de cada bobina. Em 1883 Lucien H. Gaulard e John D. Gibbs utilizaram um transformador, com o circuito magnético aberto, numa instalação pública de iluminação eléctrica. Manuel Vaz Guedes, 2003