UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Experimento 7 –Projeto de transformador monofásico utilizando a curva de histerese 1. OBJETIVO Dimensionar um pequeno transformador monofásico utilizando o método de projeto apresentado neste roteiro. Prototipar o transformador projetado e realizar os devidos ensaios para obtenção dos parâmetros construtivos e validação das hipóteses de projeto. 2. PARTE TEÓRICA a. Condutores, isolamento e disposição das bobinas Os condutores utilizados nos transformadores podem ser de cobre ou alumínio, isolados com esmalte ou algodão. O esmalte é mais caro, porém possibilita melhor utilização do espaço disponível para a bobina. A escolha da solução deve verificar qual a restrição do projeto. O material isolante deve possuir algumas características básicas como: resistência ao calor e elasticidade. Usualmente utiliza-se uma temperatura de 80ºC como funcionamento normal. A característica mecânica está relacionada com a necessidade de resistir o processo de bobinagem sem perdas das propriedades isolantes. Para pequenos transformadores são utilizados fios redondos para bitolas até 10 AWG, após isto se prefere fios quadrados ou retangulares. Para facilitar o enrolamento com bitolas mais elevadas, utilizam-se dois ou mais fios em paralelo. O carretel sobre o qual as bobinas são enroladas precisa ser feitos de material isolante de forma a manter o nível de isolação adequado entre as lâminas e o condutor. Uma camada de material isolante é colocada entre uma camada e outra da bobina. Outra camada de material com espessura mais elevada é colocada entre os enrolamentos primário e secundário. A espessura deve ser proporcional ao nível de tensão que a isolação deve suportar. Ao confeccionar o enrolamento das bobinas, recomenda-se enrolar primeiro a bobina de AT (alta tensão) em função da bitola de fio mais fina, facilitando as curvas mais acentuadas no início da bobinagem. Além disto, considerando que o preço por quilo do fio mais fino é mais elevado do que o fio mais grosso, tem-se que o comprimento médio do enrolamento que está na parte interna é menor, consequentemente a quantidade de material utilizada será menor. b. Lâminas padronizadas Os pequenos transformadores possuem o núcleo padronizado em formato de “E” e “I”, conforme figura abaixo. 1/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Figura 1 – Exemplo de lâminas para transformador em formado “E” e “I”. Nesta configuração de lâminas o fluxo magnético gerado pela bobina posicionada no núcleo central, divide-se igualmente nas duas partes laterais. Como boa prática de projeto, para manter a área constante, as colunas laterais (esquerda e direita), inferior e superior, possui a mesma largura, ou seja, metade da espessura do núcleo central. Todas as dimensões das lâminas “E” e “I” são em função da largura do núcleo central a. A montagem é feita conforme Fig. 2. De forma alternada para garantir melhor resistência mecânica e menor relutância ao fluxo magnético. Figura 2 – Exemplo do empilhamento das lâminas e da relação entre o dimensional do circuito magnético. A utilização de lâminas em formato “E” e “I” é interessante pelo aproveitamento da lâmina de aço utilizada para confecção do transformador. A ideia é obter as partes em “I” a partir da janela onde irá ser posicionado o carretel com as bobinas. 2/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA As características importantes para o núcleo são: área da janela para inserção das bobinas e massa do núcleo magnético. A seção da janela (𝑆𝑗 ) é dada por: 𝑆𝑗 = 0.5𝑎 × 1.5𝑎 = 0.75𝑎2 O volume em centímetros cúbicos do núcleo, considerando 1𝑐𝑚 de espessura para a lâmina e um fator de empilhamento de 0.9 (90%) é dado por: 𝑉 = 5.4𝑎2 [𝑐𝑚3 ] Considerando uma densidade do ferro de 7.8𝑘𝑔/𝑐𝑚3, a massa em quilogramas de 1𝑐𝑚 cúbico de do núcleo é dado por: 𝑝 = 42.2𝑎2 Normalmente as lâminas para os transformadores são classificadas por número de 0 a 6. Na tabela abaixo são indicados os valores do número de ordem, largura da coluna central, seção da janela e peso do núcleo em função da profundidade. 3/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Tabela 1 – Valores calculados para lâminas padronizadas. c. Dados de projeto Para um projeto de transformador têm-se os seguintes dados de entrada: 𝑆2 → 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑜𝑢 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑎 𝑒𝑚 𝑉𝐴 𝑉2 → 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑜𝑢 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑á𝑟𝑖𝑎 𝑒𝑚 𝑉 𝑉1 → 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑜𝑢 𝑡𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑎 𝑒𝑚 𝑉 d. Cálculo das correntes do primário e secundário A corrente do secundário é obtida pela relação da potência de saída e a tensão de saída: 𝐼2 = 𝑆2 𝑉2 A estimativa da corrente do primário considera 10% de perdas no dispositivo. Desta forma, a potência de entrada deve ser adicionada de 10% para o cálculo da corrente. 𝐼1 = 𝑆1 𝑆2 × 1.1 = 𝑉1 𝑉1 4/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Com base na massa do núcleo disponível para fazer o projeto, calcule a potência ativa máxima e as correntes do primário e do secundário. e. Cálculo da seção dos condutores Para calcular a seção dos condutores, é preciso fixar a densidade de corrente. A densidade de corrente deve ser escolhida conforme a capacidade de refrigeração dos enrolamentos. O tamanho do transformador influencia na densidade de corrente a ser utilizada. Em geral, os valores de densidade de corrente (𝐽) para funcionamento ficam entre 3 a 6 𝐴/𝑚𝑚2 . i) Seção do fio dos enrolamentos primário (S1c) e secundário. 𝑠1𝑐 = 𝑠1𝑐 𝐼1 𝐽 [𝑚𝑚2 ] 𝐼1 → 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑟𝑜𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 (𝐴) 𝐽 → 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝐴/𝑚𝑚2 ) → 𝑆𝑒çã𝑜 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑟𝑜𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 (𝑚𝑚2 ) Após o cálculo da seção do enrolamento, deve-se escolher o valor comercial mais próximo do valor calculado, denominado por 𝑠1𝑟 (valor da seção real). A densidade de corrente deve ser calculada novamente para verificar o valor real, denominado por 𝑑𝑟1 . f. Cálculo da seção geométrica do núcleo A seção geométrica em centímetros quadrados do núcleo é dada pelo produto da dimensão a pela profundidade do pacote laminado. 𝑆𝑔 = 𝑎 × 𝑏 [𝑐𝑚2 ] Esta seção não representa a seção que o fluxo enxerga, pois na compactação das lâminas existe um material isolante que não faz parte do caminho do fluxo magnético. A seção magnética 𝑆𝑚 em centímetros quadrados considera deduzindo-se 10% a área da seção geométrica, ou seja: 𝑆𝑚 = 𝑆𝑔 1.1 Sabe-se que num circuito elétrico enrolado sobre ferro, existe uma relação de dependência entre o número de espiras e a seção do núcleo magnético. A escolha de uma seção muito grande de ferro, leva a utilização de poucas espiras, e por consequência um mal aproveitamento de matéria prima. Um núcleo muito pequeno obriga o uso de enrolamento com muitas espiras, o que pode levar a uma bobina maior do que a janela disponível para posicionar o enrolamento. Caso o núcleo seja bem dimensionado, haverá total aproveitamento da janela do transformador. 5/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Para calcular a seção do núcleo, é necessário levar em consideração o tipo de lâmina e o número de circuitos que o transformador possui. O tipo de lâmina influência no tamanho da janela e o número de circuitos no caso ideal considera somente um circuito no primário e um circuito no secundário. A tabela abaixo mostra as fórmulas considerando diferentes números de circuitos e tipos de lâminas. Circuitos primários Circuitos secundários Lâminas padronizadas Lâminas compridas 1 1 𝑆𝑚 = 7.5√𝑆2 /𝑓 𝑆𝑚 = 6√𝑆2 /𝑓 2 1 𝑆𝑚 = 7.5√1.25𝑆2 /𝑓 𝑆𝑚 = 6√1.25𝑆2 /𝑓 2 2 𝑆𝑚 = 7.5√1.5𝑆2 /𝑓 𝑆𝑚 = 6√1.5𝑆2 /𝑓 Construtivamente é vantajoso que a forma do núcleo seja próxima da forma quadrada, por isso a largura da coluna central do núcleo é obtida por: 𝑎 = √𝑆𝑔 No caso onde a dimensão 𝑎 já está definida, pode-se efetuar o cálculo da seção geométrica 𝑆𝑔 e com as devidas aproximações, estimar a potência aparente do circuito secundário. g. Cálculo do número de espiras Para o cálculo do número de espiras, utiliza a Lei de Faraday. Considerando um fluxo magnético senoidal 𝜙(𝑡) = 𝜙𝑚 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡), a tensão induzida é dada por: 𝑑𝜙 = −𝑁𝜙𝑚 𝜔cos(𝜔𝑡) 𝑑𝑡 O valor de pico da tensão induzida pode ser escrito em termos do valor eficaz (rms) 𝑉1: 𝑒(𝑡) = −𝑁 𝐸𝑝𝑘 = √2𝑉1 √2𝑉1 = 𝑁𝐵𝑚 𝑆𝑚 2𝜋𝑓 Isolando o número de espiras, tem-se: 𝑁1 = 𝑉1 4.44𝑓𝐵𝑚 𝑆𝑚 𝑉1 → 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑒𝑛𝑟𝑜𝑚𝑎𝑛𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚á𝑟𝑖𝑜 (𝑉) 𝑓 → 𝑓𝑟𝑒𝑞𝑢ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎çã𝑜 (𝐻𝑧) 𝐵𝑚 → 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑚𝑎𝑔𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑜 (𝑇), 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 1 𝑇 6/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Observação: Se o enrolamento primário possuir taps ou outras tensões, podemos determinar o seu número de espiras aplicando a fórmula acima ou pela relação: 𝑉1 𝑁1 = 𝑉2 𝑁2 Alternativamente o número de espiras do secundário pode ser calculado utilizando a mesma expressão, porém adicionado 10% ao valor calculado devido às quedas de tensão no circuito. h. Possibilidade de execução Uma vez calculado o número de espiras primárias e secundárias e a seção dos respectivos enrolamentos é possível calcular a seção de cobre 𝑆𝐶𝑢 . 𝑠𝐶𝑢 = 𝑁1 𝑠1𝑟 + 𝑁2 𝑠2𝑟 (𝑚𝑚2 ) A verificação é baseada na expressão: 𝑆𝑗 𝑆𝑒çã𝑜 𝑑𝑎 𝑗𝑎𝑛𝑒𝑙𝑎 > >3 𝑆𝑒çã𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑠𝐶𝑢 Caso a relação seja menor do que 3, o núcleo deve ser recalculado para que tenha espaço disponível para a bobina. i. Estimativa das massas ii) Peso do ferro O peso do núcleo é calculado pela fórmula: 𝑚𝑓𝑒 = 𝑝 × 𝑏 [𝑘𝑔] Onde 𝑝 representa a massa em 𝑘𝑔 de 1𝑐𝑚 de comprimento do núcleo e b representa a profundidade do pacote em centímetros. iii) Peso do cobre O cálculo da massa total de cobre enrolado é feito calculando-se o comprimento da espira média, em centímetros: 𝑙𝑚 = 2𝑎 + 2𝑏 + 0.5𝑎𝜋 [𝑐𝑚] Considerando a seção de cobre 𝑠𝐶𝑢 dada em 𝑚𝑚2 , a massa de cobre, em gramas, é obtida pela expressão: 7/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA 𝑚𝐶𝑢 = 𝑠𝐶𝑢 𝑙 × 8.9 100 𝑚 [𝑔] 𝑠𝐶𝑢 → 𝑆𝑒çã𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑚𝑚2 ) 𝑙𝑚 → 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 (𝑐𝑚) 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 = 8.9𝑔/𝑐𝑚3 3. Exemplo de projeto de transformador monofásico As informações apresentadas na sequência podem ser utilizadas para auxiliar no projeto do pequeno transformador monofásico. j. Curva de histerese A curva de histerese típica de materiais utilizados nos transformadores é mostrada na figura abaixo Figura 3 – Curva de histerese típica de material utilizado em transformadores. 8/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA A partir da curva de histerese, pode-se obter uma curva de magnetização (BH), considerando a média entre os quadrantes 1 e 4, conforme figura abaixo. 2 Curva de magnetização BH 1.5 Indução [T] 1 Inferior 0.5 Sup 0 -100 BH 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -0.5 -1 Intensidade de campo H[A/m] Figura 4 – Curva de magnetização obtida da curva de histerese. k. Estimativa da potência dissipada no ferro por unidade de massa Através da curva de histerese é possível obter a densidade de energia dissipada pelo ciclo de histerese (perdas no ferro), isto se obtém a partir da área do ciclo de histerese a qual expressa a densidade de energia dissipada, para se obter a energia torna-se necessário multiplicar pelo volume do material ferromagnético. Para avaliar a potência dissipada, por ciclo se deve dividir a energia pelo período do ciclo, o que equivale a multiplicar pela frequência, assim: 1 Área aproximada do ciclo de histerese = Densidade de energia: W’= BH [J/m3] = 260[J/m3] 2 1 Energia dissipada pela curva: W= BH x volume= 260 x 0.000142738=0.037[J] 2 Potencia dissipada por ciclo Pfe= W x f = 0.037 x 60 = 2.2W A perda por unidade de massa = 2.2/1.14 = 1.92[W/kg] Os valores usuais de perdas por unidade de massa são apresentados na tabela (Alfonso Martignoni, Máquinas de Corrente Alternada). 9/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Qualidade da lâmina W/kg para f= 50Hz δ=0.5mm, B=1T 3.6 Lâminas sem silício Lâminas com pouco Si 3.0 1.7 Lâminas com alto Si l. Estimativa da potência ativa transferida pelo núcleo Através da curva BH e simulando a operação em condição acumulativa foi possível determinar a energia acumulada sobre o volume de ferro, esta energia acumulada por ciclo permite o cálculo da potência máxima do dispositivo, neste caso 50[W]. Como é conhecido o volume e a densidade do material é possível determinar a potência máxima associada à unidade de volume ou de massa, neste caso para um volume de 0.000142738m3 (você utiliza o do seu trafo). Exemplo: Potência por volume = 50W/0.000142738m3 = 370Kw/m3 Peso do transformador = 7900 Kg/m3* 0.000142738m3 = 1.14Kg Potência por Kg =50 W/1.14g = 46.5W/Kg A densidade típica do ferro é de 7900Kg/m3, variando levemente segundo a liga formada. m. Estimativa da corrente a vazio iv) Corrente associada as perdas Ir A perda no núcleo (ferro) é dada por 𝑃𝑓 = 2.2𝑊 Supondo que toda a tensão 𝑉1 está aplica na resistência 𝑅𝑝 , conforme figura, determina-se o valor da resistência 𝑅𝑝 . 10/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Considerando 𝑉1 = 220𝑉, 𝑅𝑝 é dado por: 𝑅𝑝 = 𝑉12 2202 = = 22000Ω 𝑃𝑓 2.2 A corrente 𝑖𝑟 pode então ser definida como: 𝑖𝑟 = 𝑉1 220 = = 10𝑚𝐴 𝑅𝑝 22000 v) Corrente de magnetização A corrente de magnetização é estimada utilizando-se a lei de Ampere. Para aplicação da lei de Ampere, faz-se necessário o percurso médio das linhas de fluxo lm=0.1686[m](do transformador exemplo, você utiliza o seu), e o numero de espiras primário N1= 1100. ∫ 𝐻𝑑𝑙 = 𝑁𝑖 𝐿(𝑆) 𝑖𝑚 = 350[𝐴𝑒/𝑚] × 𝑙𝑚 [𝑚] = 54𝑚𝐴 (𝑝𝑖𝑐𝑜)𝑜𝑢 38𝑚𝐴 (𝑟𝑚𝑠) 𝑁1 [𝑒] vi) Corrente de vazio A corrente de vazio corresponde a soma fasorial das correntes originadas pelas perdas do ferro e a de magnetização: 𝐼0 = 𝐼𝑟 + 𝐼𝑚 Em módulo 11/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA 2 = √102 + 382 = 39.3𝑚𝐴 |𝐼0 | = √𝐼𝑟2 + 𝐼𝑚 Para simulação no FEMM, considerar a diferença de 𝐼0 entre as correntes do primário e do secundário para evitar erros numéricos. Trafo CEE 2 28 AWG [primario:1100] Air 28 AWG [primario:-1100] 22 AWG [secundario:120] 22 AWG [secundario:-120] Trafo CEE 2 Fluxo acumulativo Fluxo Diferencial n. Estimativa das potências aparentes utilizando o triângulo de potência Da tabela se obteve a perda do ferro de P fe = 2.2 W e da simulação perdas do cobre Pcu = 3.1W. Obtendo um rendimento de: Potência Total= Potência calculada no gráfico BH + Potência das perdas Pfe +P cu = 50 +2.2 +3.1= 55.3 = [50)]/55.3 = 0.90 𝜂= 𝑃𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 50 50 = = = 0.90 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 50 + 𝑃𝑓𝑒 + 𝑃𝐶𝑢 50 + 2.2 + 3.1 Potência ativa: P1= 55.3W (obtida a partir das características magnéticas curva BHe das perdas ativas) Potência Reativa Q1= VI m [VAR] = 220 x 39mA=8.580VAR Potência aparente: S1= I1* V1 = P12 Q12 55.312 8.5812 56VA Fator de potência FP: FP=0.988, na hipótese de uma carga puramente resistiva. 12/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA Potência aparente do Secundário (S2). A potência do secundário é inferior a potência do primário, devido às perdas internas no transformador, no caso de pequenos transformadores as podemos considerar as perdas do cobre e do ferro iguais, (teorema da máxima transferência de potência) assim as perdas são Pt= 2.2 x 2= 4.4W , assim a potencia ativa disponível é de P2=55.3- 4.4 =51 W, recalculando a potencia aparente: Potência aparente do Secundário (S2). S2= 51 51.6[VA] 0.988 A relação entre as potencias devido as perdas corresponde a: S 1 56 1.085 1.1 S 2 51.6 Isto é podemos estimar a potencia secundaria sendo o 90% da potencia obtida no primário S2 = S 1 [VA] 1,10 S1 → Potência do Primário (VA); S1 = ____________________[VA] S2 = ____________________[VA] 5 Corrente do Primário (I1). S1= I1 V1 = P12 Q12 S1 → Potência do primário (VA); V1 → Tensão do primário (V). S1 = _________________[VA] V1 = _________________[V] 13/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA I1 = __________________[A] 6 Corrente do Secundário (I2) S2= I2 V2 = P12 Q12 1.1 S2 → Potência do secundário (VA); V2 → Tensão do secundário (V). S2 = _________________[VA] V2 = _________________[V] I2 = __________________[A] 14/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA 4. Ensaio Para o transformador monofásico projetado faça os ensaios necessários para validar o dispositivo construído. a) Ensaio de polaridade b) Ensaio de curto circuito e circuito aberto c) Ensaio de eficiência e regulação d) Ensaio do laço de histerese 15/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA 5. Questões a) Meça a dimensão da lâmina disponibilizada para confecção do transformador. Apresente um desenho com as cotas e verifique se o formato está padronizado conforme Tabela 1. b) Com base nos dados de entrada para o projeto do transformador, apresente o passo-a-passo de cálculo das correntes dos enrolamentos, bitola dos fios, número de espiras. Utilizar o tamanho do núcleo magnético como dado de entrada para o cálculo da potência e também a informação do exemplo para estimativa da potência do transformador. c) Verifique se o transformador é possível de ser construído e apresente o memorial de cálculo com os valores calculados e os valores ajustados conforme matéria prima disponível. d) Calcule a massa do ferro e de cobre, e faça uma estimativa do custo do transformador, considerando um preço do cobre de 20 R$/kg e um preço do aço de 2 R$/kg. Faça o comparativo da massa calculada com as massas medidas do dispositivo prototipado. e) Supondo que seja possível utilizar fio de alumínio, qual seriam as bitolas para os enrolamentos primário e secundário para manter o mesmo nível de potência e rendimento do transformador? Verifique se o projeto com a nova bitola de fio é factível. Comente sobre a viabilidade ou não do projeto com fio de alumínio. f) Utilizando o circuito equivalente completo do transformador, e com os parâmetros que foram determinados no ensaio de curto circuito e circuito aberto, supondo uma carga nominal, com fator de potência unitário, na tensão de nominal pelo lado de AT, calcule: a. As perdas de potência ativa e reativa no transformador b. A potência aparente suprida ao transformador c. O fator de potência com que opera o conjunto (transformador + carga) d. O rendimento e a regulação do transformador para cada nível de carga. g) Com os valores obtidos no ensaio a. Determinar o rendimento e a regulação do transformador para cada nível de carga. b. Determinar a curva de rendimento do transformador em função da potência de carga. c. Determina a corrente suprida a carga em função da potência de carga d. Calcular o rendimento e a regulação de forma analítica supondo as cargas utilizadas no ensaio e. Comparar os valores medidos com o cálculo analítico. h) Obtenha a curva de histerese utilizando o método do experimento 6 e compare com a curva de histerese do seu transformador com a do transformador utilizado no experimento 6. 16/17 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEE LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA i) Faça um ficha técnica no seu transformador projetado contendo no mínimo as seguintes informações: Potência: Tensão Primária / número de espiras: Tensão Secundária / número de espiras: Freqüência nominal: 60 Hz Perdas em vazio (perdas no ferro) em 60Hz: Perdas totais em 60Hz: Regulação nominal: Parâmetros: 𝑟1 , 𝑟2 , 𝑥1 , 𝑥2 , 𝑟𝑓 , 𝑥𝑚 Corrente de excitação: Comprimento médio magnético: Peso de cobre: Peso de aço: Custo: 6. a) b) c) AVALIAÇÃO (4,0) Projeto do transformador (4,0) Construção e ensaios (2,0) Relatório 7. REFERÊNCIA MARTIGNONI, Alfonso. Transformadores.7 ed. 1969. Editora Globo S.A. 17/17