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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ELETRICIDADE CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LABORATORIO DE CONVERSAO DE ENERGIA TRANSFORMADOR EM CARGA MANAUS 2011 UNIVERSIDADE FEDE FACULDADE DE TECN OF8 Svip view nent page JUAN GABRIEL DE ALBUQUERQUE RAMOS 20902573 Trabalho referente à disciplina Laboratório de Conversão de Energia I, do quinto período de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Amazonas, como requisito para obtenção de nota da disciplina. energia eletromagnética, cuja operação pode ser explicada em termos do comportamento de um circuito magnético excitado or uma corrente alternada.

Consiste de duas ou mais bobinas de múltiplas espiras enroladas num mesmo núcleo magnético, isoladas deste núcleo. Uma tensão variável aplicada à bobina de entrada (primário) provoca o fluxo de uma corrente variável, criando assim um fluxo magnético variável no nucleo. Devido a este fluxo é induzida uma tensão na bobina de saída (secundário). Não existe uma conexão elétrica entre entrada e saída de um transformador. É possível afirmar que: A compreensão do transformador é essencial para o estudo da conversão eletromecânica de energia.

Embora a conversão de energia envolva a troca de energia entre um sistema elétrico e um mecânico — ao passo que o transformador envolve troca de energia entre dois ou mais sistemas elétricos -, o dispositivo de acoplamento nos dois casos é o campo magnético, e o seu comportamento é fundamentalmente o mesmo. Como resultado, temos que muitas das equações e conclusões pertinentes da teoria do transformador têm aplicabilidade também na análise de máquinas ca e alguns aspectos de máquinas cc.

Por exemplo, o circuito equivalente de motores de indução monofásicos e rifásicos são da mesma forma daqueles do transformador [… ] Além de servir como uma introdução adequada ao estudo da conversão eletromecânica de energia, a compreensão da teoria do transformador é importante por si mesma, por causa das múltiplas funções que o transformador desempenha em áreas importantes da engenhana elétrica. (DEL TORO, 2011, p. funções que o transformador desempenha em áreas importantes da engenharia elétrica. (DEL TORO, 2011, p. 44).

Entre as diversas funções de um transformador pode-se citar: isolar eletricamente dois circuitos; ajustar a tensão de salda de m estágio do sistema à tensão de entrada do estágio seguinte; ajustar a impedância do estágio seguinte à impedância do estágio anterior (casamento de impedâncias). Enfim afirma-se: “O funcionamento do transformador evidentemente exige apenas a existência de fluxo mútuo alternado concatenado com os dois enrolamentos, e é simplesmente uma utilização do conceito de indutância mútua. ” (PINTO, 2003, p. 33). . FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2. 1. Classificação dos transformadores Podemos classificar os transformadores da seguinte maneira: * Transformadores de potência Força e Distribuição * Transformadores de instrumentação Medição e Proteção (TP’s e TC’s) * Transformadores de baixa potência Eletrônica e Comando De um modo geral, nos interessam: Os transformadores de força são aqueles que energizados ou em operação, trabalham ao longo do tempo, próximo a condição de carga nominal. Isto ocorre nas áreas de geração e transmissão.

Estão representados na figura 1 Os transformadores de distribuição permanecem, 24h por dia, ligados ao sistema independentemente de estarem com carga ou não. Este fato faz com que o rendimento máximo da máquina ara os transformadores de força aconteça próximo ao nominal enquanto para os transformadores de distribuição o rendimento gira em torno de 0,6 a 0,7 do ponto de operação nominal. Estão 3 distribuição o rendimento gira em torno de 0,6 a 0,7 do ponto de operação nominal. Estão representados na figura 2. Figura 1: Exemplo de transformadores Fonte: PINTO, 2003, p. 4. Figura 2: Transformadores de distribuição: trifásicos e monofásicos Fonte: PINTO, 2003, p. 35. 2. 2. Transformador Ideal Um transformador ideal, representado pela figura 3 abaixo, deve respeitar as seguintes condições: Todo o fluxo deve estar confinado ao núcleo e enlaçar os dois enrolamentos; * As resistências dos enrolamentos devem ser desprez[veis; * As perdas no núcleo devem ser desprezíveis * A permeabilidade do núcleo deve ser tão alta de modo que uma desprezível quantidade de força eletromotriz seja necessária para produzir o fluxo.

Figura 3: Transformador Ideal Fonte: NEVES; MUNCHOW, 2000, p. 30. Pode-se fazer a seguinte observação referente à figura 3: “Normalmente em um transformador real, os dois enrolamentos são colocados juntos, abraçando o mesmo fluxo. ara maior clareza, representa-se na figura os enrolamentos primário e secundário, separados, embora o fluxo seja o mesmo para ambos. ” (NEVES; MÚNCHOW, 2000, p. 30). É conhecida a relação de transformação do transformador: NIN2, (1) onde NI refere-se ao número de espiras do primário e N2 refere- se ao número de espiras do secundário do transformador.

A partir de (1 ) conseguimos obter as relações: vii. n= 1211= NIN2=a, (2) 4DF8 refere-se ao secundário, na relação entre tensões e correntes no 2. 3. Transformador Real 2. 4. 1. Com o secundário aberto Com o secundário aberto, a tensão E2 é exatamente igual a V2 e a tensão El é aproximadamente igual a VI conforme apresentado na figura 4 abaixo: Figura 4: Transformador com perdas Fonte: NEVES; MCJNCHOW, 2000, p. 34.

Com o secundário em aberto e VI na referência, a corrente que flui no primário é chamada de corrente de excitação le. Esta corrente é constituída por duas outras: (a) a corrente de magnetização lm, em fase com o fluxo, pois é responsável pelo estabelecimento do fluxo através do núcleo, podendo ser calculada pelas características do núcleo de ferro e (b) a corrente e perda no nucleo Ic, que representa a potência dissipada nas perdas por histerese e por corrente parasita, e que está em fase com a tensão VI .

A figura abaixo representa essa situação: Figura 5: Diagrama fasorial de tensões e corrente – secundário aberto ponte: NEVES; MUNCHOW, 2000, p. 35. Assim se afirma: Com o secundário em aberto, a corrente de entrada é exatamente igual à corrente de excitação que estabelece o fluxo, e produz as perdas no núcleo. Desta maneira, a tensão El é aproximadamente igual a VI, pois a potência de entrada sem carga é aproximadamente igual à potência dissipada no núcleo NEVES; MCJNCHOW, 2000, p. 35). 2. 42. Transformador real em carga.

Diagrama de Kapp. Num transformador real, a resistência do secundário têm uma re S e a reatância de dispersão cia, originando quedas de dispersão do secundário têm uma relativa influência, originando quedas de tensão e perdas. Paralelamente, a queda de tensão na resistência e a reatância de dispersão do primário já não serão desprezáveis atendendo a que a corrente primária atingirá valores mais elevados. Considere-se o esquema representado na figura seguinte: Figura 6: Transformador em carga Fonte : NEVES; MUNCHOW, 2000, p. 5. Pode-se observar que a corrente não só contribuirá para o fluxo comum como criará um fluxo de dispersão . À semelhança do primário, será considerada uma bobina de reatância responsável por . A aproximação de Kapp consiste em desprezar a corrente em vazio em face da corrente de carga, donde resulta , ou seja, Nestas condições, para o estudo da carga aplicada ao transformador, este passa a ser representado pelo modelo equivalente de Thévenin, ou seja, o transformador passa a ser visto como um gerador com uma f. . m. constante (valor ficaz) igual a IJ20 e uma impedância interna ZS (impedância longitudinal). Figura 7: Circuito equivalente ponte : NEVES; MUNCHOW, 2000, p. 36. O transformador comporta-se assim como um gerador cuja tensão aos terminais é igual à f. e. m. subtraída da queda de tensão interna: A equação anterior permite traçar um diagrama vetorial simplificado, ou diagrama de Kapp: Figura 8: Diagrama de Kapp Fonte : NEVES; MÜNCHOW, 2000, p. 36. Kapp. 2.

DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO Um transformador de potencia nominal aparente S = 50 kVA, utiliza uma rede de frequência 60 Hz com relação de tensão 300/230 V possuindo as seguintes características: Enrolamento de alta tensão: resistência = 0,65 indutância de fuga = 1,85 rnH. Enrolamento de baixa tensão: resistência = 0,0065 n indutância de fuga = 0,0185 mH. Suponha que o transformador possui potencia nominal de 50 kVA entregue a uma carga de fator de potencia positivo cos ç, com uma tensão efetiva igual a 230 V. 1.

Para os seguintes valores de cos cp calcule os respectivos valores exatos da alta tensão de alimentação, da regulação de tensão e do cos app (fator de potencia no primário) e discuta os resultados: os (p = 0,2 em atraso (corrente em atraso com relação a tensão) cos – em atraso (corrente em atraso com relação a tensão) cos cp = 0,6 em atraso (corrente em atraso com relação a tensão) cos cp = em atraso (corrente em atraso com relação a tensão) cos cp = cos – 0,8 em adianto (corrente adiantada com relação a tensão) cos cp = 0,6 em adianto (corrente adiantada com relação a tensão) cos cp = em adianto (corrente adiantada com relação a tensão) cos cp = 0,2 em adianto (corrente adiantada com relação a tensão) 2. Para cada um dos casos construa o diagrama de Kapp em scala Informando qual a escala utilizada. 3. Refaça os cálculos solicitados no item 1 considerando que as impedâncias de fuga sejam duplicadas e discuta os resultados 4.

Refaça os cálculos solicitados no item 1 considerando que as resistências de primário e secundário sejam cálculos solicitados no Item 1 considerando que as resistências de primário e secundário sejam duplicadas e discuta os resultados. 3. DISCUSSAO DOS RESULTADOS Para resolvermos o problema proposto nesse relatório, construímos a planilha no Excel, conforme segue abaixo: Relatório Final de Conversão. xlsx Gráficos do relatório final de conversao. xlsx Quando variamos o ângulo, vemos que os vetores mudam de posição, conforme varia o grau. Dependendo de o ângulo estar em adianto ou atraso, a posição do vetor tensão variava em relação ao vetor corrente. Quando a impedância de fuga é duplicada, a regulação de tensão aumenta, e isso é ruim para o sistema.

Com aumento das resistências de primário e secundário sendo aumentadas, a regulação de tensão também aumenta, mas é um resultado menos brusco para o transformador, se considerarmos como referência o item anterior CONCLUSAO Foi possível concluir, com este experimento que os transformadores podem ser simplificados a um modelo mais simplificado, chamado diagrama de Kapp. Com este modelo, fez- se uma aproximação e obtivemos resultados correspondentes com a teoria ensinada na sala de aula. REFERÊNCIAS DEL TORO, V. , Fundamentos de Máquinas Elétricas. I. ed. Rio de NEVES, Eurico G. de Castro; MÚNCHOW, Rubi, Máquinas e transformadores elétricos. I. ed. Rio de Janeiro : Editora Guanabara, 2000. PINTO, Joel Rocha, Conversão eletromecânica de energia. 1 . ed. Sorocaba — SP : Faculdade de Tecnolo ia de Sorocaba 2003. 8