Experimento 05

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JULIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE ENGENHARIA - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETROTÉCNICA
Experiência 05: Ensaios em transformadores monofásicos
Objetivo: Determinar os parâmetros do circuito elétrico equivalente de transformadores
monofásicos, bem como calcular seu rendimento e sua regulação.
1.0 – Introdução
O circuito elétrico equivalente de um transformador é a forma de representar o
comportamento das grandezas elétricas e magnéticas tais como as perdas joule nos enrolamentos,
as perdas por Histerese e Foucault, os fluxos de dispersão do primário e secundário e a reatância
de magnetização.
O circuito equivalente de um transformador com núcleo ferromagnético (não linear) é
dado pela Figura 1.
Iɺ
Iɺ2' = 2
k
Iɺ1
Iɺ2
Iɺϕ
Iɺc
Vɺ1
Iɺm
Eɺ1
Vɺ2
Eɺ 2
Figura 1 – Circuito equivalente do transformador monofásico – Modelo T.
O circuito equivalente da Figura 1, referido ao primário (N1 espiras), tem a seguinte
configuração:
Iɺ2'
Iɺ1
V1 N1
I
N
=
=k ; 2 = 1 =k
V2 N 2
I1 N 2
Iɺϕ
Iɺc
Vɺ1
Iɺm
Vɺ2'
V1 = Z1 I1 ; V2 = Z 2 I 2 ;
Z1
= k2
Z2
R2' = k 2 R2
Vɺ2' = kVɺ2
Xl2' = k 2 Xl2
Iɺ
Iɺ2' = 2
k
Figura 2 – Circuito equivalente do transformador monofásico referido ao primário.
2.0 – Ensaios:
Os parâmetros do circuito equivalente podem ser obtidos mediante a execução dos
seguintes ensaios:
2.1 – Ensaio a vazio ou de circuito aberto – Tensão nominal
No ensaio a vazio, aplica-se tensão nominal no lado da baixa tensão. Ou seja, nesse caso,
o lado de baixa tensão é o primário do transformador. No secundário do transformador não há
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circulação de corrente. A corrente do primário tem valor muito baixo sendo responsável apenas
pela magnetização do núcleo do transformador. Dessa maneira, podemos desprezar as perdas
joule dos enrolamentos e as dispersões de fluxos, sendo somente consideradas as perdas no
núcleo.
Neste ensaio são medidas as seguintes grandezas:
Vo – Tensão nominal aplicada (V);
Po – Potência consumida – perdas no núcleo (W);
Io – Corrente a vazio (A).
Iɺo
Iɺϕ
Vɺo
Iɺc
Iɺm
Figura 3 – Alimentação pela BT com AT em aberto.
A partir das grandezas medidas são calculados os seguintes valores:
V2
P
V
Rc = 0 ;
Ic = 0 ;
I m = I 02 − I c2 ;
Xm = 0
P0
V0
Im
Dessa forma, obtêm-se: Rc [Ω] e Xm [Ω] referidos à baixa tensão.
2.2 – Ensaio de Curto-Circuito – Corrente nominal
Neste ensaio, são colocados em curto-circuito os terminais da baixa tensão. A tensão
aplicada no primário que, agora, é o lado de alta tensão (AT), deve ser de valor tal que circule
corrente nominal na baixa tensão. Como a tensão aplicada no primário é muito baixa, as perdas
no núcleo e a reatância de magnetização são desprezadas. Portanto, o circuito da Figura 1 pode
ser aproximado por:
Iɺcc
Vɺcc
Figura 4 – Alimentação pela AT com BT em curto-circuito.
Neste ensaio, são anotados os seguintes valores:
Vcc – tensão aplicada na AT para circular Inominal na Baixa tensão (V);
Icc – Inominal (A);
Pcc – Potência consumida – perdas no cobre (W).
A partir dessas grandezas medidas, são calculados:
V
P
Z cc = Z eq1 = cc ;
Rcc = Req1 = cc2 ;
I cc
I cc
X cc = X eq1 = Z eq2 1 − Req2 1
Mas, por outro lado, tem-se:
Z eq1 = ( R1 + R2' ) + j ( Xl1 + Xl2' )
2
sendo: Req1 = R1 + R2' ;
X eq1 = Xl1 + Xl2'
Serão feitas as seguintes aproximações:
R
R1 = R2' = cc
2
X
Xl1 = Xl2' = cc
2
Observar que tais parâmetros são referidos à AT.
3.0 – Rendimento e Regulação
Os rendimentos dos transformadores diferem dos 100% desejáveis devido às perdas que
ocorrem no seu interior, as quais são subdivididas em perdas no ferro e perdas nos enrolamentos.
Considerando a existência dessas perdas, tem-se, para os transformadores, uma diferença
entre a potência de entrada P1 e de saída P2 a qual é denominado de rendimento.
A regulação de tensão de um transformador é uma grandeza que mede a variação da
tensão em seus terminais devido à passagem do regime a vazio para o regime em carga.
3.1 – Rendimento
A relação entre a potência de entrada P1 (fonte) e a de saída P2 (carga) define o
rendimento do transformador, ou seja:
P
η= 2
P1
Ou:
P
η (% ) = 2 ⋅100
P1
Como o rendimento dos transformadores pode chegar a 99% e a diferença entre as
potências é muito pequena, não é possível simplesmente medir as duas potências. Para contornar
esse problema, tem-se:
P1 = P2 + P0 + Pcc
onde: P2 = V2 ⋅ I 2 ⋅ cos ϕ 2
Dessa forma, o rendimento pode ser calculado como:
P2
V2 I 2 cos ϕ 2
η (%) =
⋅100 =
⋅100
P2 + P0 + Pcc
V2 I 2 cos ϕ 2 + P0 + Pcc
sendo: Po e Pcc obtidos dos ensaios a vazio e em curto-circuito.
3.2 - Regulação de tensão
Mede a variação da tensão nos terminais do transformador devido à passagem do regime
a vazio para o regime em carga. Com o transformador a vazio, no secundário tem-se a tensão ou
fem induzida E2, que passa para um valor V2 ao se ligar uma carga. Se a regulação é boa, esta
variação será pequena e vice-versa. A variação de tensão (∆V = E2 – V2) depende da carga que
se coloca no secundário e pode ser: positiva, negativa ou nula. O valor da variação é influenciado
por I2 e cosϕ2. Em geral, a regulação dos transformadores é definida para valor nominal da
corrente e fator de potência da carga aproximadamente unitário.
A regulação é dada relativamente a V2 e sua expressão, em porcentagem, é:
E −V
V −V
reg ( % ) = 2 2 ⋅ 100 = 20 2 n ⋅ 100 sendo : V20: Tensão a vazio
V2
V2 n
V2n: Tensão sob carga nominal
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4.0 – Parte prática: Transformador nas relações 110/220 V e 220/220 V
4.1 – Ensaio a vazio
a)
Anotar os dados de placa do transformador;
b)
Montar o circuito da figura abaixo;
c)
Conexões: 110/220 V;
d)
Alimentar o transformador pela baixa tensão com Vnominal;
e)
Medir: V0; I0; P0.
4.2 – Ensaio em curto-circuito
a)
Monte o circuito da figura abaixo;
b)
Conexões: 220/110 V;
c)
Alimentar o transformador pela alta com tensão reduzida e corrente nominal;
d)
Medir: Vcc; Icc; Pcc.
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4.3 – Ensaio em carga considerando Alta e Baixa Dispersão de Fluxo
a)
Ligar o transformador em 220/220 V. Por que não foi usada a relação 110/220 V?
b)
Monte o circuito da figura abaixo;
c)
Coloque carga no transformador de maneira a circular corrente nominal secundária;
d)
Medir tensões, correntes e potências ativas do primário e secundário através dos
wattímetros;
e)
Desconectar a carga (desligar o disjuntor da bancada, sem alterar o cursor do Variac,
retirar a carga e ligar novamente o disjuntor) e medir V20.
5.0 – Relatório
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Apresentar todas as leituras efetuadas;
Apresente os valores dos elementos do ramo magnetizante (ensaio a vazio) referidos
ao lado de AT. Apresente também os cálculos realizados para isso;
Montar o circuito equivalente com todos os parâmetros calculados referidos a AT;
Calcule o rendimento para alta e baixa dispersão de fluxo através das três equações
de rendimento apresentadas no roteiro. Compare e faça comentários sobre os
rendimentos do transformador para alta e baixa dispersão de fluxo;
Calcule a regulação de tensão para alta e baixa dispersão de fluxo. Compare e faça
comentários sobre as regulações para alta e baixa dispersão de fluxo;
Explique quais são as vantagens de se realizar o ensaio a vazio do lado de baixa
tensão (BT) e o ensaio de curto-circuito no lado de alta tensão (AT).
Prof. Fábio
Prof. Malange
Adilson – Técnico
Everaldo - Técnico
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