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1
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
ENGENHARIA ELETRÔNICA
BEATRIZ JUSTUS PILATTI
NATALIE FERNANDA FOLLADOR
PROJETO DE CIRCUITOS E METODOLOGIA PARA ANÁLISE
PRELIMINAR DOS EFEITOS DO ENVELHECIMENTO MAGNÉTICO
EM TRANSFORMADORES ELETRÔNICOS DE BAIXA POTÊNCIA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PONTA GROSSA
2016
2
BEATRIZ JUSTUS PILATTI
NATALIE FERNANDA FOLLADOR
PROJETO DE CIRCUITOS E METODOLOGIA PARA ANÁLISE
PRELIMINAR DOS EFEITOS DO ENVELHECIMENTO MAGNÉTICO
EM TRANSFORMADORES ELETRÔNICOS DE BAIXA POTÊNCIA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Eletrônica, do departamento de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Me. Edison Luiz Salgado Silva
Co-orientador: Prof. Dr. Sergio Luiz Stevan Jr.
PONTA GROSSA
2016
TERMO DE APROVAÇÃO
PROJETOS DE CIRCUITOS E METODOLOGIA PARA ANÁLISE PRELIMINAR
DOS EFEITOS DO ENVELHECIMENTO MAGNÉTICO EM TRANSFORMADORES ELETRÔNICOS DE BAIXA POTÊNCIA
por
BEATRIZ JUSTUS PILATTI
NATALIE FERNANDA FOLLADOR
Este Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) foi apresentado em 21 de junho de 2016
como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia
Eletrônica. As candidatas foram arguidas pela Banca Examinadora composta pelos
professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou
o trabalho aprovado.
_______________________________ Prof. Ms. Edson Luiz Salgado Silva
Prof. Orientador
_______________________________ Prof. Dr. Sergio Luiz Stevan Jr.
Prof. Coorientador
_______________________________ Prof. Ms. Alexandre Junior Fenato
Membro titular
_______________________________ Profª Drª. Fernanda Cristina Corrêa
Membro titular
- O TERMO DE APROVAÇÃO ASSINADO ENCONTRA-SE ARQUIVADO NA SECRETARIA ACADÊMICA -
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Ponta Grossa
Diretoria de Graduação e Educação Profissional
3
RESUMO
PILATTI, Beatriz Justus, FOLLADOR, Natalie Fernanda. Projeto de Circuitos e Metodologia para Análise Preliminar dos Efeitos do Envelhecimento Magnético em Transformadores Eletrônicos de Baixa Potência. 2016. 99. Trabalho de Conclusão de Curso Bacharelado em engenharia eletrônica - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa, 2016.
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de circuitos de controle e análise preliminar de possíveis alterações nas características físicas do núcleo de transformadores eletrônicos de baixa potência. Este estudo é de grande importância devido à grande utilização dos transformadores em vários segmentos, bem como pelo fato do envelhecimento magnético não ser considerado no estudo de transformadores de baixa potência, mesmo sendo a causa da diminuição da eficiência energética do próprio transformador como também do sistema como um todo. Este envelhecimento pode ser causado pelo longo período de utilização ou quando os transformadores são submetidos a altos níveis de estresse elétrico. Esta verificação pode ser realizada por meio da análise de quatro parâmetros: a curva de histerese, a corrente de magnetização, o tempo da magnetização e remagnetização do núcleo e o rendimento do transformador. Para realizar as comparações necessárias, precisa-se de transformadores os quais foram submetidos a diferentes tipos de carregamento: abaixo da corrente nominal, em corrente nominal, acima da corrente nominal e em curto circuito. Os transformadores dos ensaios em subcorrente e corrente nominal podem ficar ligados à rede elétrica, sem intervalos de descanso. Porém, para os ensaios em sobrecorrente e curto circuito, é necessário fazer o controle dos períodos em que o transformador estará em condução e em descanso, impedindo assim que sejam causadas possíveis alterações ao núcleo e danos às bobinas dos transformadores. Esse controle é feito por meio de um circuito de potência adaptado, utilizando um TRIAC (dispositivo semicondutor que funciona como uma chave em circuitos de corrente alternada) juntamente com um microcontrolador baseado na plataforma Arduino.
Palavras-chave: Transformador; Baixa Potência; Envelhecimento Magnético.
4
ABSTRACT
PILATTI, Beatriz Justus, FOLLADOR, Natalie Fernanda. Circuit Development and Methods for a Preliminary Analysis of the Magnetic Aging Effects on Low Power Electronic Transformers. 2016. 99. Completion of course work (Bachelor's degree in Electronic Engineering) - Federal Technological University of Paraná. Ponta Grossa, 2016.
This project aims to develop a control circuit and analyze preliminarily any possible alteration on the physical characteristics of a low power transformer’s core. This study is a great contribution to the field due to the vast utilization of transformers in multiple applications, as well as the fact that magnetic aging is the main cause of the decrease of magnetic efficiency on transformers, and its effects are often overlooked in the studies of low power transformers. Magnetic aging can be caused either by the time effect or high stress levels in magnetic materials, and can be verified by analyzing four different parameters: hysteresis loop, magnetization current, the magnetization time of the core and the efficiency. For the current project, transformers were submitted to different tests, operating below rated current, at rated current, above rated current and in short circuit. For the tests at rated current and below it the transformers were directly connected to the AC power supply during the whole testing time. On the other hand, the short circuit test and the test above rated current needed to be controlled by an external circuit in order to prevent any injuries to the coils. The external circuit controls the time that each transformer is energize and the time of rest for each one. This control circuit was made by a power circuit that uses a TRIAC (semiconductor device that works as a switch in alternated current circuits) along with a microcontroller based on the Arduino platform.
Keywords: Transformers; Low Power; Magnetic aging.
5
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Funcionamento do transformador ............................................................. 20
Figura 2 – Curva de histerese ................................................................................... 23
Figura 3 – Comparação entre as curvas de histerese de materiais moles e duros ... 29
Figura 4 – Gráfico temperatura de entrada por tensão de saída do sensor LM35 .... 34
Figura 5 – Pinos para ligação do sensor LM35 ......................................................... 35
Figura 6 – Gráfico de tensão de saída por corrente lida pelo sensor do sensor de corrente ACS712 ....................................................................................................... 35
Figura 7 – Esquema de ligação dos transformadores ............................................... 38
Figura 8 – Circuito para obtenção da corrente de magnetização dos transformadores. ....................................................................................................... 39
Figura 9 – Circuito do traçador de curva de histerese ............................................... 40
Figura 10 – Esquema de medição da curva de histerese ......................................... 41
Figura 11 – Circuito temporizador de magnetização e remagnetização .................... 41
Figura 12 – Ensaio para aquisição do fator de potência dos transformadores .......... 46
Figura 13 – Acionamento completo de um chuveiro eletrônico ................................. 48
Figura 14 – Circuito inicial de controle do projeto ...................................................... 48
Figura 15 – Esquema de ligação da placa de controle dos transformadores ............ 49
Figura 16 – Intervalo de energização para ensaios em sobrecorrente e curto circuito .................................................................................................................................. 50
Figura 17 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 2 ................... 59
Figura 18 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 4 ................... 59
Figura 19 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 6 ................... 60
Figura 20 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 7 ................... 60
Figura 21 – Tempo de magnetização do transformador 2 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 76
Figura 22 – Tempo de remagnetização do transformador 2 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 76
Figura 23 – Tempo de magnetização do transformador 4 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 77
Figura 24 – Tempo de remagnetização do transformador 4 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 77
Figura 25 – Tempo de magnetização do transformador 6 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 78
Figura 26 – Tempo de remagnetização do transformador 6 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 78
Figura 27 – Tempo de magnetização do transformador 7 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 79
Figura 28 – Tempo de remagnetização do transformador 7 (antes do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 79
6
Figura 29 – Tempo de magnetização do transformador 2 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 80
Figura 30 – Tempo de remagnetização do transformador 2 (após 26 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 80
Figura 31 – Tempo de magnetização do transformador 4 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 81
Figura 32 – Tempo de remagnetização do transformador 4 (após 26 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 81
Figura 33 – Tempo de magnetização do transformador 6 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 82
Figura 34 – Tempo de remagnetização do transformador 6 (após 26 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 82
Figura 35 – Tempo de magnetização do transformador 7 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 83
Figura 36 – Tempo de remagnetização do transformador 7 (após 26 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 83
Figura 37 – Tempo de magnetização do transformador 2 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 84
Figura 38 – Tempo de remagnetização do transformador 2 (após 53 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 84
Figura 39 – Tempo de magnetização do transformador 4 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 85
Figura 40 – Tempo de remagnetização do transformador 4 (após 53 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 85
Figura 41 – Tempo de magnetização do transformador 6 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 86
Figura 42 – Tempo de remagnetização do transformador 6 (após 53 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 86
Figura 43 – Tempo de magnetização transformador 7 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 87
Figura 44 – Tempo de remagnetização do transformador 7 (após 53 dias do início dos ensaios) .............................................................................................................. 87
Figura 45 – Curva de histerese do transformador 2 (antes do início dos ensaios) .... 89
Figura 46 – Curva de histerese do transformador 4 (antes do início dos ensaios) .... 89
Figura 47 – Curva de histerese do transformador 6 (antes do início dos ensaios) .... 90
Figura 48 – Curva de histerese do transformador 7 (antes do início dos ensaios) .... 90
Figura 49 – Curva de histerese do transformador 2 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 91
Figura 50 – Curva de histerese do transformador 4 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 91
Figura 51 – Curva de histerese do transformador 6 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 92
Figura 52 – Curva de histerese do transformador 7 (após 26 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 92
7
Figura 53– Curva de histerese do transformador 2 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 93
Figura 54 – Curva de histerese do transformador 4 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 93
Figura 55 – Curva de histerese do transformador 6 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 94
Figura 56 – Curva de histerese do transformador 7 (após 53 dias do início dos ensaios) ..................................................................................................................... 94
Figura 57 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 2 ......................................................................................................... 96
Figura 58 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 3 ......................................................................................................... 96
Figura 59 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 4 ......................................................................................................... 97
Figura 60 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 6 ......................................................................................................... 97
Figura 61 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 7 ......................................................................................................... 98
Figura 62 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 8 ......................................................................................................... 98
Figura 63 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 9 ......................................................................................................... 99
Figura 64 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 10 ....................................................................................................... 99
8
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Efeitos do tempo de uso em um transformador de potência sem manutenção ............................................................................................................... 17
Tabela 2 – Tempo de uso e aumento da corrente de magnetização dos transformadores ........................................................................................................ 50
Tabela 3 – Separação dos transformadores para cada ensaio ................................. 51
Tabela 4 – Corrente no enrolamento secundário de cada transformador ................. 53
Tabela 5 – Corrente de magnetização de todos os transformadores ........................ 55
Tabela 6 – Separação dos transformadores para cada ensaio ................................. 55
Tabela 7 – Corrente de magnetização dos transformadores .................................... 56
Tabela 8 – Tempo de uso e aumento da corrente de magnetização dos transformadores ........................................................................................................ 57
Tabela 9 – Índice de envelhecimento dos transformadores ...................................... 57
Tabela 10 –Valores dos pontos nas curvas de histerese para cada ensaio .............. 61
Tabela 11 – Tempo de magnetização e remagnetização dos transformadores ........ 62
Tabela 12 – Valores de resistência de ambos os enrolamentos dos oito transformadores ........................................................................................................ 64
Tabela 13 – Valores de corrente e tensão aplicado do enrolamento primário dos oito transformadores ........................................................................................................ 64
Tabela 14 – Valores da resistência equivalente, potência de saída, perdas no núcleo e no cobre e rendimento dos oito transformadores ................................................... 65
Tabela 15 – Comparação entre os valores de rendimento dos transformadores utilizado e reservado de cada ensaio ........................................................................ 66
9
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................11
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO .....................................................................................13
1.2 ESTUDOS NA ÁREA ........................................................................................14
1.3 OBJETIVO GERAL ...........................................................................................18
1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................18
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...........................................................................20
2.1 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO E ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE UM TRANSFORMADOR ELETRÔNICO DE BAIXA TENSÃO ......................................20
2.2 PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS DE UM TRANSFORMADOR................22
2.2.1 Curva de Histerese .........................................................................................22
2.2.2 Tempo de Magnetização e Remagnetização ..................................................24
2.2.3 Corrente de Magnetização ..............................................................................26
2.2.4 Rendimento de um Transformador .................................................................26
2.3 CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DE UM TRANSFORMADOR .................28
2.3.1 Materiais Magnéticos ......................................................................................29
2.3.2 Perdas Magnéticas .........................................................................................30
2.3.3 Envelhecimento Magnético .............................................................................32
2.4 PLATAFORMA ARDUINO ................................................................................33
2.5 SENSOR DE TEMPERATURA LM35 ...............................................................34
2.6 SENSOR DE CORRENTE ACS712..................................................................35
3 DESENVOLVIMENTO ..........................................................................................36
3.1 CORRENTE DE MAGNETIZAÇÃO ..................................................................39
3.2 CURVA DE HISTERESE ..................................................................................40
3.3 CIRCUITO TEMPORIZADOR DE MAGNETIZAÇÃO E REMAGNETIZAÇÃO .41
3.4 RENDIMENTO DE UM TRANSFORMADOR ...................................................46
3.5 PULSOS DE CONTROLE DO ACIONAMENTO DO TRANSFORMADOR ......47
3.6 DETERMINAÇÃO DO TEMPO DE ENERGIZAÇÃO E DESCANSO DE CADA TRANSFORMADOR ...............................................................................................49
3.7 VALOR DA CARGA RESISTIVA DE CADA ENSAIO .......................................51
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES .........................................................................54
4.1 SEPARAÇÃO DOS TRANSFORMADORES PARA CADA ENSAIO ................54
4.2 CORRENTE DE MAGNETIZAÇÃO DOS TRANSFORMADORES ...................55
4.3 CURVA DE HISTERESE DOS TRANSFORMADORES ...................................58
4.4 TEMPO DE MAGNETIZAÇÃO E REMAGNETIZAÇÃO DOS TRANSFORMADORES ..........................................................................................62
4.5 RENDIMENTO DE UM TRANSFORMADOR ...................................................63
5 CONCLUSÃO .......................................................................................................67
REFERÊNCIAS .......................................................................................................69
10
APÊNDICE A - IMAGENS DOS GRÁFICOS DOS TEMPOS DE MAGNETIZAÇÃO E REMAGNETIZAÇÃO ...........................................................................................75
APÊNDICE B - IMAGENS DOS GRÁFICOS DAS CURVAS DE HISTERESE ....88
APÊNDICE C - IMAGENS DAS FORMAS DE ONDA DA TENSÃO E CORRENTE NO ENROLAMENTO PRIMÁRIO DOS TRANSFORMADORES ...........................95
11
1 INTRODUÇÃO
São muitas as formas de geração de energia elétrica no mundo, sendo que
as principais são a geração por usinas hidrelétricas, termelétricas, nucleares, eólicas
ou fotovoltaicas. A maior parte destes meios têm em comum o mesmo princípio de
geração: uma turbina movida por uma força mecânica que converte energia
mecânica rotacional em energia elétrica em corrente alternada. Todas estas formas
de geração de energia entregam às concessionárias locais altos níveis de tensão
para que a energia seja então distribuída entre estados, cidades e, por fim, os
consumidores finais.
Independentemente do modo como a energia é gerada, para que o
consumidor final possa utilizá-la ocorre em várias fases o abaixamento da tensão.
Este abaixamento, inicialmente, ocorre através de transformadores de alta tensão.
Uma vez entregue ao consumidor final, em muitos aparelhos cotidianos é necessário
um novo abaixamento de tensão, pelo fato de que estes aparelhos, de modo geral,
demandam uma tensão de menor nível que a tensão entregue pela rede elétrica.
Transformadores são equipamentos eletroeletrônicos que realizam o
abaixamento e aumento de níveis de tensão e corrente. Consistem de duas bobinas
eletricamente isoladas, enroladas sobre um núcleo comum, normalmente de um
material de ferro doce. O princípio básico de seu funcionamento se dá da seguinte
forma: uma corrente elétrica percorre uma bobina, gerando um fluxo magnético. Este
fluxo é então induzido em uma segunda bobina pelo princípio de Faraday de indução
mútua e gera novamente uma corrente elétrica (com módulo proporcional à relação
do número de espiras) na segunda bobina. A relação da transformação entre a
corrente e a tensão das duas bobinas deve-se à relação do número de espiras em
ambas. Esta conversão de níveis de tensão e corrente elétrica nunca é ideal devido
às perdas, o que pode ser quantificado através do que chamamos de rendimento do
transformador (FIZTGERALD, 1975).
Um dos maiores desafios da ciência e da tecnologia nos dias atuais é a
criação de sistemas cada vez mais eficientes, ou seja, sistemas nos quais as perdas
de energia sejam reduzidas ao mínimo possível. Devido a ampla utilização de
transformadores no mundo, uma melhora no seu rendimento é de grande
contribuição para a redução na demanda de energia elétrica global, levando-se em
12
consideração que as perdas existentes em transformadores reais de baixa potência
podem chegar à 15% (RODRIGUES, 2009).
Uma maneira de se melhorar a eficiência de transformadores é avaliando as
características físicas dos materiais que o constituem, buscando sempre aqueles
que possuam melhor rendimento e menor índice de envelhecimento ao longo dos
anos. As perdas em transformadores podem ocorrer devido às perdas no cobre,
ocasionadas por efeito joule quando a corrente atravessa as bobinas do
transformador, e perdas no núcleo (ou perdas no entreferro), que ocorrem pela
circulação de correntes de Foucault e pelo fenômeno da histerese (perdas por
histerese) (REZENDE, 1977). As perdas por histerese são ocasionadas por atritos
entre os magnetos elementares que compõe o núcleo, e são maiores quanto maior
for a área da curva de histerese de um material (MARTIGNONI,1969).
Em transformadores de potência, como por exemplo os de abaixamento de
tensão, tem-se verificado a necessidade de avaliar as características de
envelhecimento do núcleo do transformador, bem como o desgaste do verniz das
bobinas, dos papeis isolantes e de possíveis meios de resfriamento utilizados, como
no caso de transformadores imersos em óleo. Com o passar do tempo, essas
características levam à diminuição do rendimento do transformador e ao
consequente aumento de perdas no núcleo e na bobina (ALSTOM GRID, 2012).
Estas características são muitas vezes desconsideradas em transformadores
eletrônicos. Em tempos onde o consumo elétrico só aumenta juntamente com seus
respectivos custos de geração e/ou distribuição de energia, um hipotético aumento
do consumo deste tipo de transformador ao longo do tempo pode justificar a
substituição destes componentes.
A partir destes conceitos, propõe-se o desenvolvimento de circuitos e
metodologia para análise preliminar experimental do comportamento dos
transformadores em função do seu envelhecimento à longo prazo. Para isso
elaborou-se um procedimento de envelhecimento acelerado por meio da aplicação
de diferentes níveis de estresse elétrico. Tal análise foi feita comparando-se quatro
parâmetros em diferentes momentos para determinar possíveis alterações nas
propriedades magnéticas do transformador. Estes parâmetros foram encontrados na
bibliografia como indicadores confiáveis das perdas e do rendimento de um
transformador, sendo eles: a curva de histerese do transformador (indica a
permeabilidade magnética de um material) (DEL TORO, 1994, p. 13), a corrente de
13
magnetização (feita através do teste de circuito aberto, avalia as perdas no núcleo)
(DEL TORO, 1994, p. 66) o tempo de magnetização e remagnetização do núcleo
ferromagnético (SILVA; STEVAN, 2016) e o cálculo do rendimento dos
transformadores (definido como a relação entre a potência útil de saída em relação a
potência de entrada, também retorna as perdas em um transformador) (DEL TORO,
1994, p. 71) .
Além da sua aplicação clássica em equipamentos cotidianos, os
transformadores eletrônicos também são utilizados em linhas de telefone, circuitos
de controle, sistemas de comunicação, variando em frequências do áudio ao rádio e
ao vídeo, e como dispositivos de casamento de impedância, que permitem máxima
transferência de potência do circuito de entrada ao circuito acoplado (DEL TORO,
1994).
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO
Para obter o abaixamento ou elevação do nível da tensão da rede elétrica ou
até mesmo para o uso em aparelhos domésticos, por exemplo, o transformador, seja
ele de baixa ou alta potência, é o componente que permite essa transformação. Para
os transformadores de alta potência, utilizados na rede elétrica e em indústrias, a
energização ocorre de maneira permanente, proporcionando o envelhecimento do
núcleo ferromagnético devido ao tempo de utilização do transformador. Já os
transformadores de baixa tensão, utilizados em residências bem como em
industrias, são ligados com uma certa frequência, porém há intervalos de descanso.
Como consequência do aquecimento constante dos transformadores durante
seu uso, ocorre o processo de envelhecimento de seu núcleo, resultando no
aumento de perdas por histerese e correntes de Foucault e, consequentemente, no
consumo energético dos aparelhos (OLIVEIRA JÚNIOR, 2014). Apesar de existirem
vários estudos na área, nenhum estudo foi encontrado tratando de transformadores
eletrônicos de baixa potência, devido ao baixo consumo dos mesmos não ter
grandes implicações econômicas, quando se trata de consumidores individuais. Se
for considerado, no entanto, o aumento nacional no consumo de energia devido ao
envelhecimento de cada transformador de baixa potência utilizado diariamente, os
14
valores podem se tornam expressivos o suficiente para justificar o estudo em
questão.
Nesse contexto, devido à sua ampla utilização, este projeto propõe o estudo
e análise experimental, por meio de ensaios controlados, do comportamento de
transformadores eletrônicos de baixa potência submetidos a diferentes tipos de
carregamento e períodos de utilização, buscando acelerar o envelhecimento.
1.2 ESTUDOS NA ÁREA
Os estudos encontrados atualmente sobre o envelhecimento magnético e
suas implicâncias no estudo de máquinas elétricas partem geralmente de um ponto
de vista microestrutural do aço (material utilizado nos núcleos dos transformadores),
utilizando-se de tratamentos térmicos para a realização do envelhecimento forçado
do transformador. Muitos estudos apontam o conteúdo de carbono precipitado no
aço como sendo a causa do envelhecimento magnético, uma vez que este dificulta o
movimento das paredes dos domínios magnéticos e, consequentemente, piora as
características do aço (NEGRI, 2011).
Visando a diminuição das perdas no núcleo, muitos avanços foram feitos no
processo de fabricação dos aços utilizados na construção de transformadores nos
últimos anos. Estes avanços estão relacionados a mecanismos de recristalização
secundária dos grãos - processo no qual grãos de tamanho maior, e possuidores de
um número de lados maior que de seus vizinhos, cresce à custa de grãos menores.
Este aumento diminui as perdas por histerese. (CIÊNCIA..., 2015). Também foram
desenvolvidas técnicas de recozimento a frio, que evitam problemas estruturais
causados por altas temperaturas (XIA; KANG; WANG, 2008).
Sobre o teor de carbono precipitado no aço, um estudo realizado na
Universidade Federal de Minas Gerais observou amostras de aço com pouquíssimo
conteúdo de carbono, submetidas a um tratamento térmico de 210oC por 24h. O
estudo concluiu que o envelhecimento magnético foi maior nas amostras com a taxa
de carbono residual entre 25 e 40ppm e não foi observado nenhum efeito do
envelhecimento nas amostras com a taxa de carbono residual abaixo de 20ppm.
Com estes resultados em mãos, o estudo continuou analisando várias amostras de
15
aço com 30ppm de conteúdo de carbono residual, analisando a diferença no tempo
em que elas são submetidas aos tratamentos térmicos. As amostras com o mesmo
teor de carbono foram então submetidas a diferentes tratamentos de 4, 8, 24, 48,
100, 200, 400 e 600 horas, todos a 210oC. Pelos resultados obtidos, notou-se que a
taxa de envelhecimento aumenta apenas para as primeiras 24h, e, depois disso,
permanece constante (MARRA; LANDGRAF; BUONO, 2008).
Outros estudos comparam resultados de processos iguais de tratamento
térmico, porém em ambientes úmidos e pouco úmidos (NEGRI, 2011). A fim de se
melhorar as características eletromagnéticas dos aços, também é feito um
tratamento térmico. Um estudo concluiu que para os tratamentos térmicos
preliminares em atmosferas úmidas pode-se haver uma redução no teor de carbono
e aumento no tamanho do grão, significando uma menor perda e maior
permeabilidade magnética. A atmosfera seca, no entanto, proporciona resultados
melhores, reduzindo-se ainda mais o teor de carbono no aço, mostrando-se assim a
melhor opção para o processo (NEGRI, 2011).
Ainda sobre a interferência do conteúdo de carbono no envelhecimento
magnético, outro estudo utilizando amostras de uma bobina laminada a frio de aço
silício de grão não orientado e com diferentes teores de carbono, envelhecidas a
tratamentos térmicos de 100 a 275oC, conclui que o aumento na perda magnética
durante o envelhecimento é cumulativa e deve-se a precipitação de carbonetos,
sendo que a precipitação intragranular do carboneto do tipo épsilon é a principal
responsável pelo envelhecimento nos ensaios realizados entre 100 e 225oC. O
mesmo estudo ainda concluiu que amostras com teores de carbono inferiores a
30ppm também estão suscetíveis ao envelhecimento, porém demoram mais para
apresentarem os efeitos do envelhecimento (pelo menos 1000 horas) (OLIVEIRA
JÚNIOR, 2014).
No intuito de melhorar as características magnéticas de um material,
também são utilizados tratamentos de superfície. Estes tratamentos consistem da
introdução de pequenos defeitos na superfície do material, normalmente
introduzidos na sua direção de magnetização, por técnicas como ranhuras,
irradiação de chamas, tratamentos químicos ou tratamentos a laser que induzem um
estresse interno no material, refinando assim os principais domínios magnéticos e
resultando em uma diminuição das perdas magnéticas do aço (WEIDENFELLER;
RIEHEMANN, 2005). O tratamento superficial mais utilizado é o laser. Estudos foram
16
feitos comprovando que as perdas por histerese podem ser diminuídas por
tratamento a laser de baixa intensidade (WEIDENFELLER; RIEHEMANN, 2005).
O tratamento a laser é mais utilizado devido a sua eficiência, fácil
implementação e por não causar danos ao isolamento superficial do material e, por
isto já é um método utilizado por muitos fabricantes. A redução das perdas no núcleo
é atribuída ao fato de que os aços de grão orientado (como no caso dos
transformadores) possuem grão de tamanhos grandes, resultando em domínios de
tamanhos grandes (PONNALURI; CHERUKURI; MOLIAN, 2001).
Existem muitos estudos que tratam do envelhecimento de transformadores
causados por estresses elétricos, térmicos e mecânicos. Estudos dos efeitos de
cada tipo de estresse feitos separadamente, no entanto são muitas vezes ineficazes,
uma vez que na prática estes efeitos se dão em conjunto. O estresse elétrico, por
exemplo, invariavelmente vai ocasionar um estresse térmico, pela dissipação de
energia em forma de calor existente em qualquer equipamento elétrico. Sob este
ponto de vista, existem estudos que se utilizam da teoria de acúmulo linear de danos
para tentar estimar o tempo de vida de um transformador, analisando estresses
comuns e estocásticos (tais como sobrecarga, incidência de raios, curto-circuito no
sistema, entre outros) que ocorrem ocasionalmente por poucos períodos de tempo.
Estes estudos, no entanto, ainda são inconclusivos, uma vez que cada
transformador deve ser estudado individualmente, por apresentar características que
dependem muito de suas propriedades construtivas, bem como sua aplicação
principal (BAI; GAO; LIU, 2014).
Alguns estudos de detecção de fadiga em aços também são feitos partindo-
se de deformações plásticas e elásticas externas, bem como corrosões, ou seja,
deformações mecânicas no material que afetam diretamente a sua curva de
histerese. Um estudo em particular submeteu várias amostras de aço a um teste
utilizando uma máquina de fadiga (usada comumente para ensaios de elementos
estruturais, em engenharia mecânica ou civil, que aplica diversos tipos de estresses
mecânicos ao material) e concluiu que ocorreram diferenças significativas na curva
de histerese dos aços, uma vez submetidos a estes ensaios (DEVINE et al., 1992).
O envelhecimento de um transformador não se dá apenas em seu núcleo,
mas em todos os elementos básicos de sua composição. Assim sendo, os
fabricantes de transformadores comumente recomendam manutenções preventivas
de seus equipamentos, a fim de prolongar sua vida útil. Na tabela 1, a empresa
17
Alstom Grid lista os possíveis efeitos da falta de manutenção de acordo com o
tempo de uso em relação à vida útil de um transformador de potência, utilizado
comercialmente.
Tabela 1 – Efeitos do tempo de uso em um transformador de potência sem manutenção
Tempo de Uso Possíveis impactos da falta de manutenção prevista pelo fabricante
Novo -Linha de dados não gravada, erros de funcionamento não gravados;
-Falta de detecção de problemas iniciais dentro do período de garantia.
20%
-Começa a oxidação do óleo;
-Os contatos do comutador de derivação em carga (OLTC) começam a se desgastar;
-Intempéries e radiação de raios UV começam a ter efeito sobre os transformadores.
40%
-Ocorre a corrosão quando submetidos a condições ambientais severas;
-Efeitos visíveis de intempéries e radiações de raios UV;
-Transdutores são descalibrados;
-Ventoinhas e bombas se desgastam.
60%
-Juntas e vedações perdem a resistência, nota-se vazamento de óleo;
-Falta de óleo afeta a isolação de papel;
-Pintura desgastada, corrosão de cantos e manchas;
-Perda de oportunidade de interceptar o envelhecimento acelerado;
-Perda dos benefícios de implementar uma intervenção de meia-vida.
80%
-Incerteza sobre o tempo de vida restante;
-Oxidação e hidrólise aceleram o estado de envelhecimento;
-Cai a proteção de papel, algumas vezes de maneira pré-matura;
-As taxas de falha dos comutadores de derivação em carga e das buchas aumentam;
-A proteção do sistema de pintura falha.
100%
-Se a condição do óleo não for boa, espera-se acumulo de lodo;
-Exposição causa mau funcionamento do dispositivo;
-A isolação dos fios e cabos começa falha;
-Vazamento de óleo contínuo causa reposição regular;
-Resistência dielétrica diminui;
-Falhas dispendiosas.
Fonte: Alsotm Grid, 2012
Estas recomendações, no entanto, são feitas apenas para transformadores
de alta e média potência, e nada consta na literatura sobre recomendações para
transformadores de baixa potência.
18
1.3 OBJETIVO GERAL
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de circuitos e metodologia
para análise do envelhecimento magnético em núcleos ferromagnéticos de
transformadores eletrônicos de baixa potência, devido ao tempo de uso e do
estresse elétrico.
1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Para que o objetivo desse trabalho seja atingido é necessária a realização
das seguintes etapas:
Definir valores de tensão e corrente para os transformadores de cada
tipo de ensaio;
Implementar o circuito adaptado para verificação do tempo de
magnetização e remagnetização do núcleo do transformador;
Montagem do circuito de potência adaptado controlado pelo Arduino
Mega 2560 que fará o controle do tempo que os transformadores dos ensaios de
sobrecorrente e curto-circuito ficarão conduzindo;
Traçar as curvas de histerese antes, depois e na metade do ciclo de
ensaio de todos os transformadores que serão utilizados nos ensaios;
Programar um microcontrolador (baseado na plataforma Arduino Mega
2560) para armazenar valores de corrente e controlar o tempo de condução dos
transformadores dos ensaios de sobrecorrente e curto-circuito;
Aferir os valores de corrente de magnetização antes, depois e na
metade do ciclo de ensaio de todos os transformadores que serão utilizados;
Verificar os valores do tempo de magnetização e remagnetização
antes, depois e na metade do ciclo de ensaio de todos os transformadores que
serão utilizados;
Ensaiar transformadores eletrônicos de baixa potência com diferentes
tipos de carregamento: abaixo da corrente nominal, em corrente nominal, acima da
corrente nominal e em curto-circuito;
Verificar os valores de rendimento para todos os transformadores;
19
Verificar se há alteração efetiva no consumo de energia para cada tipo
de ensaio em todos os níveis de estresse.
20
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O presente capítulo aborda os principais conceitos referentes às
características de um transformador, tais como: princípio de funcionamento e
aspectos construtivos, parâmetros característicos para analisar o envelhecimento
magnético e características magnéticas. Além destes, aborda também a
instrumentação utilizada no projeto: microcontrolador (baseado na plataforma
Arduino) e sensores de corrente e temperatura.
2.1 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO E ASPECTOS CONSTRUTIVOS DE UM TRANSFORMADOR ELETRÔNICO DE BAIXA TENSÃO
Essencialmente, um transformador é constituído por dois ou mais
enrolamentos concatenados por um campo magnético mútuo, conforme mostra a
figura 1.
Figura 1 - Funcionamento do transformador Fonte: Adaptado de HARRIS (2016)
Se um destes enrolamentos, o primário, for ligado a um gerador de tensão
alternada, será produzido ao seu redor um fluxo alternado, cuja amplitude
dependerá da tensão e número de espiras do primário. O fluxo mútuo será
concatenado com o outro enrolamento (secundário) através do núcleo
ferromagnético, e induzirá uma tensão cujo valor dependerá do número de espiras
do secundário. Dimensionando convenientemente os números de espiras do
primário e do secundário de um transformador, pode-se obter a relação de
transformação desejada (FIZTGERALD, 1975). Para um transformador ideal, essa
21
relação se dá pela equação (1), a qual relaciona o número de espiras com a corrente
e com a tensão em ambos os enrolamentos (STAUDT, 2009).
𝑁1
𝑁2=
𝑖1′
𝑖1=
𝑣1
𝑣1′ (1)
Onde:
𝑁1 é o número de espiras do enrolamento primário.
𝑁2 é o número de espiras do enrolamento secundário.
𝑖1 é a corrente do enrolamento primário.
𝑖1′ é a corrente no enrolamento secundário.
𝑣1 é a tensão do enrolamento primário.
𝑣1′ é a tensão no enrolamento secundário.
A transformação de tensão deve-se ao fato de que a corrente que atravessa
a bobina do primário produz um fluxo magnético (representado graficamente por
linhas de fluxo), porém nem todo fluxo magnético produzido na bobina do primário
atravessa a bobina do secundário. O fluxo que atravessa uma espira é então
chamado de fluxo concatenado. Sendo assim, de acordo com a lei de Faraday, a
força eletromotriz (fem) induzida em uma espira é proporcional à variação do fluxo
que atravessa a mesma (RIES, 2007).
Para que haja a transformação de tensão, o acoplamento das bobinas pode
ser feito através do ar ou de algum material ferromagnético, que aumenta o
acoplamento e melhora o funcionamento do transformador (RIES, 2007). Na prática,
a construção do núcleo é sempre feita por materiais ferromagnéticos.
A maioria dos núcleos dos transformadores é construído por chapas de
ferro-silício com espessura entre 0,5 e 0,3mm (MARTIGNONI, 1969). Isto visa
reduzir as perdas pelas correntes de Foucault. O núcleo deve ser construído com
chapas laminadas a frio e cobertas por um isolante elétrico.
O núcleo é constituído por colunas, onde são enroladas as bobinas (RIES,
2007). O núcleo pode ser do tipo núcleo envolvente, onde as bobinas são envolvidas
pelo núcleo, ou núcleo envolvido, onde o núcleo é envolvido pelas bobinas. As
bobinas podem ser concêntricas ou intercaladas.
Na construção concêntrica, os dois enrolamentos do transformador são
dispostos cada um sobre uma coluna, concentricamente, e separados por meio de
material isolante. Já a construção intercalada é composta de várias bobinas
pequenas (ou discos) do primário ou do secundário do transformador, sendo que
22
estas devem estar intercaladas entre si. Esta construção é utilizada nos
transformadores de núcleo envolvente (MARTIGNONI, 1969). As bobinas
intercaladas possibilitam um maior acoplamento entre os enrolamentos, diminuindo
o fluxo de dispersão e as reatâncias de dispersão (RIES, 2007).
2.2 PARÂMETROS CARACTERÍSTICOS DE UM TRANSFORMADOR
Nesta subseção serão apresentados e fundamentados os parâmetros
característicos utilizados no projeto para análise do envelhecimento magnético de
um transformador, são eles: curva de histerese, tempo de magnetização e
remagnetização do núcleo, corrente de magnetização e rendimento do
transformador.
2.2.1 Curva de Histerese
Para que se possa avaliar o comportamento de um material ferromagnético,
tal como o núcleo de um transformador, é necessário que seja feita uma análise do
seu comportamento magnético quando submetido a um campo externo. Para isto
analisa-se a curva de histerese.
Uma característica comum aos materiais ferromagnéticos são os domínios
magnetizados, que constituem a região microscópica para a qual os momentos
magnéticos de todos os seus átomos são alinhados em paralelo uns com os outros
quando submetidos a um campo magnético externo (ULABY, 2007). Quando a
influência deste campo externo deixa de existir os domínios não retornam totalmente
a posição inicial, forçando o material a manter uma magnetização parcial no sentido
do campo anteriormente aplicado (magnetismo residual). A esta característica se
deve grande parte do funcionamento de máquinas elétricas (HALLIDAY, 1980).
Para a análise deste comportamento, utiliza-se a curva de magnetização,
chamada também de curva B-H. A curva de magnetização de um material
ferromagnético é traçada a partir da amplitude do campo magnético aplicado
externamente (H) e da amplitude da densidade de fluxo magnético (B) observada no
material. Variando-se o valor de H, de forma que ele cresça positivamente, depois
23
decresça até zero, e repetindo-se o ciclo para um valor negativo de H obtêm-se a
curva de histerese de um material (ULABY, 2007). Uma curva de histerese típica
está representada na figura 2.
Figura 2 – Curva de histerese Fonte: ULABY (2007).
Com o material completamente desmagnetizado (ponto O da figura 2) não
há nenhuma resposta no campo B. Uma vez magnetizado em um sentido, o valor de
B aumenta continuamente com o valor da intensidade do campo magnético H até
atingir o ponto A1 (ponto de saturação), onde quase todos os domínios magnéticos
do material estão alinhados com o campo externo aplicado. Quando este campo é
removido, a densidade de fluxo B no material diminui até o ponto A2, onde o campo
externo é nulo, mas o valor de B se mantém não nulo devido ao magnetismo
residual do material. Para se anular o valor de B, aplica-se um campo em sentido
contrário ao inicial, e B então diminui de Br, no ponto A2, até zero no ponto A3. O
processo é refeito em sentido inverso, fazendo com que a intensidade do campo H
seja elevada até o ponto de saturação de B em A4, e abaixada até que o valor de B
retorne ao ponto A1 (ULABY, 2007).
Inicialmente, a aplicação de um campo sobre um material completamente
desmagnetizado gera um pequeno aumento na indução do material que pode ser
considerado linear. Um aumento maior no campo externo ocasiona um aumento
brusco na indução do material, até atingir o valor de saturação. Uma vez removido o
campo externo, a indução diminui até o valor de indução remanescente. Para
eliminar-se esta indução, é necessária então uma força coercitiva, representada por
A3 na figura 2. O mesmo processo se repete para o valor negativo do campo externo
(SHACKELFORD, 2011).
24
A curva de histerese mede a relação entre a força magnetizante H a
densidade de fluxo B, chamada de permeabilidade magnética. No caso dos
materiais ferromagnéticos esta relação não é linear. Além disto, em geral, a
permeabilidade de um material aumenta com a temperatura de maneira lenta no
início, e drasticamente depois de uma determinada temperatura até a temperatura
atingir o ponto de Curie, para o qual a permeabilidade cai rapidamente, fazendo com
que o ferro apresente um comportamento não magnético (REZENDE, 1977).
2.2.2 Tempo de Magnetização e Remagnetização
Na curva de histerese mostrada na figura 2 é possível observar a orientação
magnética do material do núcleo de um transformador: a magnetização ocorre em
um sentido (de A1 a A4) e no sentido contrário acontece a remagnetização (de A4 a
A1), cada uma delas ocorrendo em um determinado espaço de tempo. A
magnetização ocorre quando não há campo magnético externo aplicado e após a
sua aplicação todos os domínios magnéticos estão orientados em um sentido. A
remagnetização acontece quando todos esses domínios fiquem direcionados no
sentido contrário.
O tempo em que a magnetização e remagnetização variam em relação ao
tipo de material ferromagnético do núcleo e ocorrem são diferentes entre si. A
equação (2), também conhecida como a lei da indução de Faraday-Lenz, é a forma
integral da equação de Maxwell que relaciona o fluxo magnético (∅) proveniente da
força magnetomotriz (responsável pela criação do campo magnético devido ao
movimento de cargas elétricas) com a força eletromotriz nos terminais do
enrolamento secundário do transformador, portanto é a relação entre a tensão
elétrica induzida no enrolamento secundário (𝑣(𝑡)) composto por um certo número
de espiras (𝑁). (STAUDT, 2009).
𝑣(𝑡) = −𝑁 (𝑑∅
𝑑𝑡) = −𝑁. 𝐴 (
𝑑𝐵
𝑑𝑡) (2)
Onde:
𝑑𝑡 é a variação do tempo.
𝐴 é a área do núcleo do transformador.
𝐵 é a densidade de campo magnético no núcleo.
25
Considerando constante a tensão induzida no enrolamento secundário igual
a tensão 𝑉 na equação (2), chega-se a equação (3). Apenas por manipulação da
equação (3), verifica-se o tempo que o enrolamento secundário leva para chegar a
esse valor de tensão V, a partir da equação (4).
∆𝐵
∆𝑡=
𝑉
𝑁. 𝐴 (3)
∆𝑡 = 𝑁. 𝐴.∆𝐵
𝑉 (4)
Para definir o tempo em que a remagnetização (∆𝑡𝑟𝑒𝑚𝑎𝑔) ocorre, verifica-se a
partir da figura 2 a variação da densidade do campo magnético (∆𝐵) pela equação
(5), que calcula a diferença entre o valor de B no ponto de saturação ‘A1’ (𝐵𝑠𝑎𝑡) e o
valor do campo magnético residual (𝐵𝑟). Então, substituindo a equação (5) na
equação (4), obtêm-se a equação (6) que permite verificar o tempo de
remagnetização do núcleo (SILVA; STEVAN, 2016).
∆𝐵 = 𝐵𝑠𝑎𝑡 − 𝐵𝑟 (5)
∆𝑡𝑟𝑒𝑚𝑎𝑔 = −𝑁. 𝐴. (𝐵𝑠𝑎𝑡 − 𝐵𝑟)
𝑉 (6)
Para definir o tempo de magnetização (∆𝑡𝑚𝑎𝑔), verifica-se a partir da figura 2
a variação da densidade do campo magnético pela equação (7), que calcula a soma
entre o valor de B no ponto de saturação ‘A2’ e o valor do campo magnético
residual. Então, substituindo a equação (7) na equação (4), obtêm-se a equação (8)
que permite verificar o tempo de magnetização do núcleo (SILVA; STEVAN, 2016).
∆𝐵 = 𝐵𝑠𝑎𝑡 + 𝐵𝑟 (7)
∆𝑡𝑚𝑎𝑔 = −𝑁. 𝐴. (𝐵𝑠𝑎𝑡 + 𝐵𝑟)
𝑉 (8)
Subtraindo as equações (6) e (8) referentes aos tempos remagnetização e
magnetização, respectivamente, pode-se analisar a relação e a diferença entre eles
por meio da manipulação da equação (9), obtendo assim a equação (10) (SILVA;
STEVAN, 2016).
∆𝑡𝑟𝑒𝑚𝑎𝑔 − ∆𝑡𝑚𝑎𝑔 = 2.𝑁. 𝐴. (𝐵𝑠𝑎𝑡 + 𝐵𝑟)
𝑉 (9)
∆𝑡𝑚𝑎𝑔 = (2. 𝑁. 𝐴. 𝐵𝑟
𝑉) − ∆𝑡𝑟𝑒𝑚𝑎𝑔 (10)
Analisando que, na equação (6) referente ao tempo de remagnetização faz-
se a soma entre os valores de 𝐵𝑠𝑎𝑡 e 𝐵𝑟, e na equação (8) referente ao tempo de
magnetização esses valores são subtraídos, pode-se afirmar que, para um
26
transformador ideal (sem perdas) o tempo de magnetização é sempre menor que o
tempo de remagnetização.
2.2.3 Corrente de Magnetização
A corrente de magnetização do transformador é a corrente necessária para a
produção do fluxo magnético, somada à corrente necessária para suprir as perdas
magnéticas deste. Esta corrente também é chamada de corrente a vazio, uma vez
que, para se determinar seu valor, realiza-se a medição da corrente no enrolamento
primário do transformador com o secundário aberto, ou seja, a vazio (OLIVEIRA;
COGO; ABREU, 1984).
Como para um transformador sem carga a corrente é muito baixa, o valor
das perdas pode ser desconsiderado. Sendo assim, no teste do transformador a
vazio, pode-se determinar a corrente exigida do material para a produção do fluxo
magnético do transformador.
A corrente de magnetização de um transformador é diretamente influenciada
pelas perdas por histerese e correntes parasitas (DEL TORO, 1994). Assim sendo,
uma diferença na curva de histerese do transformador afeta a forma de onda da
corrente de magnetização deste, e por isto este parâmetro é relevante para o estudo
em questão.
2.2.4 Rendimento de um Transformador
O rendimento (𝜂) de um transformador é determinado por meio da relação
entre a potência ativa consumida pela carga (Psaída) (ligada ao enrolamento
secundário do transformador) e a potência total fornecida pela rede ao enrolamento
primário do transformador (Pentrada) (NOGUEIRA; ALVES, 2009). Essa relação se dá
a partir da equação (11), e pode ser calculada através da tensão e corrente no
secundário do transformador e do cálculo das perdas no núcleo e no cobre,
conforme a equação (12) (KOSOW, 1982).
𝜂 =𝑃𝑠𝑎í𝑑𝑎[𝑉𝐴]
𝑃𝑠𝑎í𝑑𝑎 + 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠[𝑉𝐴]
(11)
𝜂 =𝑉2. 𝐼2. 𝑐𝑜𝑠𝜃2
𝑉2. 𝐼2. 𝑐𝑜𝑠𝜃2 + [𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 𝑛𝑜 𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜 + 𝐼22𝑅𝑒2]
(12)
27
Onde:
𝜂 é o rendimento do transformador;
𝑃𝑠𝑎í𝑑𝑎 é a potência medida no secundário do transformador;
𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠 é a potência somada das perdas no núcleo e no cobre,
respectivamente;
𝑉2 é tensão no secundário do transformador;
𝐼2 é a corrente no secundário do transformador;
𝑐𝑜𝑠𝜃2 é o fator de potência do transformador com carga nominal;
𝑅𝑒2 é a resistência equivalente referida ao secundário do transformador.
Segundo Kosow (1982, p. 531), a resistência equivalente do secundário é
calculada de acordo com a equação (13). E segundo Oliveira, Cogo e Abreu (1984,
p. 5) as perdas no núcleo são determinadas pela equação (14), utilizando o ensaio a
vazio do transformador.
𝑅𝑒2 = 𝑅2 +𝑅1
(𝑁1
𝑁2⁄ )
2 (13)
𝑃𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜 = 𝑉. 𝐼0. 𝑐𝑜𝑠𝜃0 (14)
Onde:
𝑅2 é a resistência do enrolamento secundário;
𝑅1 é a resistência do enrolamento primário;
𝑃𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜 é a perda no núcleo do transformador;
𝑐𝑜𝑠𝜃0 é o fator de potência do transformador a vazio,
𝐼0 é a corrente obtida do ensaio a vazio do transformador.
No caso do ensaio em corrente nominal para a determinação do rendimento
do transformador o fator de potência é igual a um.
Um transformador é projetado para operar com carregamento em corrente
nominal, porém quanto maior o valor da carga, maior será o aquecimento das
bobinas, maiores serão as perdas e menor será o seu rendimento. Na literatura não
são encontrados estudos que mostrem qual a porcentagem ideal da carga nominal
para transformadores de baixa potência, para que se tenho um rendimento ideal.
Porém, para transformadores de alta potência, recomenda-se a operação com
carregamento de 30 a 80% da corrente nominal, para obter uma vida útil e
rendimento satisfatório (COMPANHIA..., 2005).
28
2.3 CARACTERÍSTICAS MAGNÉTICAS DE UM TRANSFORMADOR
O núcleo do transformador é composto de aço de grãos orientados laminado
a frio, um tipo de material magnético macio de fácil magnetização (SHEKHAWAT et
al., 2014). Este material em geral é uma liga de ferro dopada com 3,5% de silício, no
caso de transformadores de baixa potência, ou 4% de silício, no caso de
transformadores de média e alta potência (REZENDE, 1977).
Os materiais ferromagnéticos são altamente suscetíveis à atuação de
campos externos, por mais fracos que sejam. Os domínios magnéticos podem ser
magnetizados pelo campo coercitivo de domínios vizinhos (campos internos) que
causam interações perceptíveis macroscopicamente (SCHNEIDER, 2001).
As propriedades magnéticas de um transformador são fortemente afetadas
pelo fator construtivo. Este, por sua vez, é determinado pelo número de lâminas, tipo
de junções, forma física do ferro, carga aplicado ao transformador e estresses
produzidos durante a construção do núcleo. Sobre o último, a maior parte de seus
efeitos é elástica e, portanto, reversível ao longo do tempo. Outra parte pode ser
irreversível, causada por deformações plásticas locais (SHEKHAWAT et al., 2014).
As operações construtivas do núcleo do transformador, tais como a
manipulação humana, os cortes, o modo de armazenamento e a sua fixação na
montagem do transformador são alguns dos processos que podem ocasionar
deformações plásticas (ou seja, deformações permanentes). Além disto, movimentos
de deslocamento dos transformadores e deformações físicas, por menores que
sejam, podem afetar o seu núcleo ocasionando degradações em suas propriedades
magnéticas. As perdas nas propriedades magnéticas de ferro de grãos orientados
são usualmente testadas em laboratório através de traçadores da curva B-H,
conhecida como curva de histerese, que mede a permeabilidade magnética do
material (SHEKHAWAT et al., 2014).
Para se desenvolver propriedades magnéticas aceitáveis no aço, ele
geralmente é submetido a tratamentos térmicos com o objetivo de reduzir a sua
quantidade de carbono, estimular o crescimento dos grãos, produzir uma textura
cristalográfica adequada ao fluxo magnético e desenvolver isolação elétrica através
da criação de camadas de óxido na superfície do aço (MARRA; LANDGRAF;
BUONO, 2008).
29
2.3.1 Materiais Magnéticos
Os materiais magnéticos são classificados em dois tipos: meios moles
(matérias diamagnéticos, paramagnéticos e ferromagnéticos) e meios duros (imãs
permanentes). Os meios moles são aqueles em que as paredes dos domínios
magnéticos são facilmente movidas por campos externos aplicados ao aço. Por sua
vez, os materiais duros são aqueles em que as paredes dos domínios têm uma
maior dificuldade no movimento. A diferença entre os meios moles e duros é
claramente vista através da curva de histerese típica de ambos os meios,
representada na figura 3 (SHACKELFORD, 2011).
Figura 3 – Comparação entre as curvas de histerese de materiais moles e duros Fonte: SHACKELFORD (2011).
Os meios moles (ou doces) são classificados de acordo com o valor de sua
permeabilidade magnética (µr), sendo os diamagnéticos, materiais com µr pouco
abaixo de 1, os paramagnéticos, meios com µr pouco acima de 1, e os
ferromagnéticos, meios com µr muito superiores a 1 (significando que são meios
muito mais permeáveis que o vácuo) (BASTOS, 2008).
Os materiais ferromagnéticos são aqueles para os quais a indução aumenta
muito com a intensidade do campo (SHACKELFORD, 2011). Além disto, têm por
característica serem magnetizáveis, permitirem elevados valores de densidade de
fluxo, não apresentarem linearidade na relação de permeabilidade B/H (fluxo
magnético por força magnetizante), quando magnetizados tendem a impedir a
30
inversão no sentido da magnetização e permanecem magnetizados mesmo depois
de a força magnetizante ser suprimida (magnetismo residual) (REZENDE, 1977).
Industrialmente, os materiais ferromagnéticos nunca são utilizados puros,
mas sempre em forma de liga, fazendo com que suas propriedades divirjam de
acordo com a composição da liga e do tratamento térmico realizado no seu processo
de fabricação. No caso de máquinas elétricas e transformadores utiliza-se a liga
ferro-silício, uma vez que apresenta baixas perdas e alta permeabilidade. Para
melhorar as características da liga vários elementos são utilizados, tais como:
alumínio, arsênico, cério, cromo, molibdênio, silício, tório, titânio e tungstênio
(REZENDE, 1977).
Os materiais ferromagnéticos também sofrem um processo de
envelhecimento, onde a densidade de fluxo B, em função de uma mesma força H
tende a diminuir com o tempo, ou seja, a permeabilidade magnética dos materiais
ferromagnéticos diminui e, consequentemente, as perdas por histerese aumentam.
Este envelhecimento, no entanto, torna-se quase imperceptível nas ligas ferro-silício
(REZENDE, 1977).
No caso dos transformadores, utilizam-se aços de grão orientado. Estes
aços induzem uma forte textura cristalográfica na qual quase a totalidade dos cristais
que o compõe têm seus planos paralelos à superfície da chapa e com direção
longitudinal da chapa (LANDGRAF, 2015).
2.3.2 Perdas Magnéticas
Fatores como permeabilidade magnética, perdas e suscetibilidade ao
envelhecimento magnético são ditados pela composição química, laminação e
recozimento durante o processo de fabricação dos materiais. Estes fatores
dependem, por exemplo, da percentagem de elementos na liga utilizada nos
transformadores, como o silício, o alumínio, fósforo e manganês (NEGRI, 2011).
A presença de silício na liga, além de elevar a resistividade e reduzir a
intensidade de correntes parasitas no interior do material, também reduz a
magnetostricção (deformação da estrutura cristalina devido à aplicação de campos
magnéticos). A utilização de silício na liga, no entanto, aumenta a dureza do
material, o que limita o seu uso em apenas 3,5% (NEGRI, 2011).
31
Além do silício, o teor de carbono ou outras impurezas no material interferem
no movimento dos domínios magnéticos e aumenta as perdas por histerese (NEGRI,
2011).
Além da composição química, as propriedades microestruturais dos aços
elétricos também definem suas propriedades magnéticas. Estas propriedades são:
tamanho do grão (o aumento do tamanho do grão no processo de fabricação do aço
reduz as perdas histeréticas, isto porque quanto maiores os grãos da microestrutura
menor a área de contornos de grãos e assim menor vai ser a área de obstáculos
para a magnetização – assim sendo, quanto maior o tamanho do grão, menor a
coercividade do material); textura (orientação preferencial dos grãos em relação a
uma referência, tal como a direção do comprimento da bobina do transformador,
chamada de direção de laminação ou direção longitudinal); grau de deformação ou
encruamento (deformações plásticas em nível de grão, ocasionadas durante o
processamento das bobinas que reduzem a permeabilidade magnética do material)
(REZENDE, 1977).
As perdas magnéticas podem ser classificadas como perdas no cobre e
perdas no ferro. As perdas no cobre (𝑃𝑐𝑢) são ocasionadas pelo efeito joule que
ocorre quando a corrente atravessa as bobinas do transformador e ocasiona a
transformação de parte da corrente percorrida em calor (REZENDE, 1977). Esta é
quantificada por meio da equação (15) (KOSOW, p. 539, 1982).
𝑃𝑐𝑢 = 𝐼22. 𝑅𝑒2 (15)
Quanto às perdas no núcleo do transformador (perdas no ferro - 𝑃𝑇),
quantizadas na equação (16), pode-se dizer que, a grosso modo, ocorrem pela
circulação de correntes induzidas em seu interior (perdas por corrente de Foucault -
𝑃𝑓) e pela consequência ao fenômeno da histerese (perdas por histerese - 𝑃ℎ)
(REZENDE, 1977).
𝑃𝑇 = 𝑃𝑓 + 𝑃ℎ = 𝑉. 𝐼0. cos 𝜃 (16)
Onde:
𝑉 é a tensão aplicada no enrolamento primário.
𝐼0 é a corrente a vazio no enrolamento primário.
𝜃 é o ângulo de defasagem entre corrente e tensão no enrolamento primário.
32
2.3.3 Envelhecimento Magnético
O fenômeno conhecido como envelhecimento magnético acontece quando
as propriedades magnéticas de um material são deterioradas pela precipitação de
partículas caracterizadas pela capacidade de reduzir a mobilidade das paredes de
um domínio magnético. Esta redução, por sua vez, se deve a geração de calor
ocasionada pelas perdas magnéticas do aço presente no núcleo de máquinas
elétricas em cada inversão de orientação do fluxo magnético (OLIVEIRA JÚNIOR,
2014).
Estas partículas são chamadas partículas de segunda fase, às quais a
componente de histerese é extremamente sensível. Se, durante o uso do
transformador, o aquecimento do núcleo produz a precipitação de novas partículas
ou a fusão de partículas existentes, as perdas magnéticas vão aumentar e a
permeabilidade magnética diminuir (MARRA; LANDGRAF; BUONO, 2008).
O envelhecimento magnético é medido pelo aumento das perdas do aço
envelhecido quando comparado ao aço não envelhecido, através da equação (17). E
a perda magnética total são as perdas no núcleo, calculada por meio da equação
(18) (KOSOW, 1982).
𝐼𝐸% =𝑃𝐸 − 𝑃𝐴
𝑃𝐴. 100 (17)
𝑃 = 𝑉. 𝐼0. cos 𝜃 (18)
Onde:
𝐼𝐸% é o índice de envelhecimento;
𝑉 é a tensão aplicada no enrolamento primário;
𝐼0 é a corrente a vazio no enrolamento primário;
𝜃 é o ângulo de defasagem entre corrente e tensão no enrolamento primário;
𝑃𝐸 é a perda magnética total após o envelhecimento;
𝑃𝐴 é a perda magnética total anterior ao envelhecimento.
O aumento de perdas se deve a mudanças na microestrutura do material e a
formação de precipitados finos não-magnéticos, como carbetos e nitretos de ferro,
que impedem a movimentação das paredes dos domínios magnéticos, resultando
em um aumento das perdas por histerese e na elevação da dissipação de energia
em forma de calor (NEGRI, 2011).
33
2.4 PLATAFORMA ARDUINO
Um Arduino é uma plataforma baseada em microcontroladores ATMEL
amplamente utilizada em eletrônica pelo fato de se comunicar facilmente com a
maioria dos dispositivos eletrônicos. É constituído de uma placa microcontrolada
com diferentes versões (Arduino Uno, Mega, Leonardo, entre outros), e um software
de programação baseado na linguagem de programação C++ (BADAMASI, 2016).
A utilização da plataforma Arduino em muitos projetos deve-se ao fato de ser
uma plataforma microcontrolada de baixo custo que funciona na maior parte dos
sistemas operacionais (muitos microcontroladores são programáveis apenas no
Windows), com um ambiente de programação intuitivo e de fácil utilização. É uma
plataforma altamente flexível, podendo ser empregado em aplicações simples e
avançadas e possui como grande vantagem o fato de possuir um “software” livre de
programação, disponível na página oficial do fabricante (ARDUINO, 2016).
Para o projeto em questão se fez necessário um Arduino que conseguisse
fazer a leitura dos sensores de temperatura e corrente e gravar simultaneamente os
dados lidos em um gravador de cartão SD. Foi utilizado neste trabalho o Arduino
Mega 2560, uma placa baseada no microcontrolador ATmega2560 que conta com
54 pinos de entradas e saídas digitais, 16 pinos de entradas analógicas e um cristal
oscilador de 16MHz (ARDUINO, 2016).
O microcontrolador ATmega 2560 é um microcontrolador de 8 bits, de alto
desempenho e baixo consumo energético. Possui 135 instruções e 32 registradores
de propósitos. Todos os registradores são ligados diretamente à unidade lógica
aritmética (ULA), de maneira que dois registradores independentes podem ser
acessados e executados em uma única instrução e um único ciclo de clock (ATMEL,
2016).
Os pinos operam com tensão de 5V e funcionam com 20mA, cada um com
um resistor de “pull-up” interno habilitado por “software”. Há funções especiais, como
comunicação serial, interrupções externas, PWM, comunicação SPI e I2C. As
entradas analógicas do Arduino Mega funcionam com uma resolução de 10 bits, ou
seja, o valor lido pode ser convertido de 0 a 1023, valores que são utilizados no caso
da leitura de sensores analógicos, como sensores de corrente e temperatura
(SOUZA, 2014).
34
2.5 SENSOR DE TEMPERATURA LM35
O sensor de temperatura LM35 utilizado no projeto é da marca Texas
Instruments, calibrado em ºC. É um circuito integrado de precisão, com uma tensão
de saída linear proporcional à temperatura em graus Celsius. O sensor LM35
mostra-se vantajoso em relação a outros sensores de temperatura por não
necessitar de nenhuma calibração externa, nem da conversão de Kelvin para
Celsius, facilitando a sua programação em microcontroladores (TEXAS
INSTRUMENTS, 2016).
Quando utilizado em um Arduino, sua saída deve ser ligada a uma porta
analógica, configurada como entrada. O Arduino, por sua vez, lê as informações
enviadas pelo sensor e as converte em valores de temperatura (ARDUINO E CIA,
2016).
A precisão do sensor é de um quarto de grau Celsius em temperatura
ambiente e de três quartos de graus Celsius em uma variação de temperatura de -
55ºC a 150ºC. A sua faixa de operação é de 4 a 30Vdc, e o fator de escala para
conversão de tensão em temperatura é de 10mV/ºC, linear (TEXAS INSTRUMENTS,
2016). O sensor lê uma determinada temperatura e converte este valor em um nível
de tensão lido pelo Arduino, como mostra o gráfico da figura 4. Este valor é
novamente convertido em temperatura através dos cálculos do software. Os pinos
do sensor estão representados na figura 5.
Figura 4 – Gráfico temperatura de entrada por tensão de saída do sensor LM35 Fonte: Adaptado de TEXAS INSTRUMENTS (2016)
35
Figura 5 – Pinos para ligação do sensor LM35 Fonte: TEXAS INSTRUMENTS (2016)
2.6 SENSOR DE CORRENTE ACS712
O sensor de corrente utilizado no projeto foi ACS712, do fabricante Allegro.
Trata-se de um sensor de efeito hall, que opera em corrente contínua e alternada. O
dispositivo consiste de um circuito linear com um condutor de cobre. A corrente
aplicada que flui pelo condutor de cobre gera um campo magnético, o qual o circuito
integrado do tipo Hall converte em um valor de tensão proporcional.
Este sensor é do tipo invasivo, sendo que a corrente do circuito precisa
passar por ele para que a medição seja realizada, e mede correntes de -30 até 30A,
gerando no pino de saída uma tensão proporcional ao valor da corrente lida por ele,
sendo a saída de 66mV/A. A vantagem da sua utilização está no fato de ser um
sensor seguro, praticamente linear, de baixo custo e boa precisão (ARDUINO E CIA,
2016). O gráfico mostrando a tensão gerada na saída do sensor em relação a
corrente lida por ele está representada na figura 6.
Figura 6 – Gráfico de tensão de saída por corrente lida pelo sensor do sensor de corrente ACS712 Fonte: Adaptado de ALLEGRO (2012)
36
3 DESENVOLVIMENTO
O desenvolvimento efetivo do projeto depende de que algumas partes dele
sejam coordenadas separadamente. Inicialmente, foi realizado um estudo
bibliográfico dos conceitos fundamentais dos transformadores eletrônicos de baixa
potência e quais foram os estudos e resultados obtidos na área que envolve o tema
do projeto: envelhecimento magnético. A partir disto, avaliou-se a proposta do
projeto considerando a viabilidade de execução. Observando-se a escassez de
estudos e experimentos relacionados a este assunto, constatou-se a necessidade de
prosseguir com o projeto, desenvolvendo circuitos e a metodologia necessários para
análise preliminar do envelhecimento magnético em transformadores de baixa
potência. Elaborou-se um procedimento de envelhecimento acelerado por meio da
aplicação de diferentes níveis de estresse elétrico no transformador. Fez-se ensaios
com quatro tipos de carregamentos: abaixo da corrente nominal, em corrente
nominal, acima da corrente nominal e em curto circuito.
Na revisão bibliográfica foram constatados alguns parâmetros de avaliação
do envelhecimento magnético. A corrente de magnetização pode ser considerada o
parâmetro mais simples para determinar a variação nas perdas do transformador,
pois é a soma da corrente necessária para produzir um fluxo magnético com a
corrente necessária para suprir as perdas do transformador, sendo diretamente
influenciada pelas perdas por histerese e correntes parasitas. O rendimento permite
avaliar a mudança na eficiência energética de um transformador por relacionar a
potência total fornecida pela rede com a potência consumida pela carga. A curva de
histerese, apresentada na figura 2, permite observar a quantidade de energia que o
transformador consome por meio da área da curva, a qual relaciona o campo
magnético externo (representado pela letra H) com a densidade do fluxo magnético
(representada pela letra B). E relacionado a curva de histerese temos o tempo de
magnetização, que ocorre do ponto A1 a A4, e o tempo de remagnetização, que
ocorre do ponto A4 a A1. A escolha desses parâmetros foi feita pela maneira
acessível com que as aquisições dos dados são realizadas: procedimentos simples
e os equipamentos necessários estavam disponíveis.
. O período total que os transformadores ficaram ensaiando foi determinado
pelo tempo que se tinha disponível. Inicialmente estavam previstos 6 meses, porém,
37
devido à alguns atrasos no desenvolvimento das etapas do projeto esse tempo
diminuiu para 50 dias. Os dados dos parâmetros (com exceção do rendimento que
teve medições feitas somente ao final dos ensaios) foram coletados em três
momentos diferentes: antes do início ensaios, em um período intermediário e ao final
dos ensaios. Porém o 25º dia, programado para a segunda coleta, era domingo, o
que impossibilitou o acesso ao laboratório. No dia seguinte (segunda-feira) os
transformadores foram desligados, porém a universidade ficou sem energia elétrica
a tarde toda, o que adiou para terça-feira a realização das medições. Como o
primeiro período de ensaios totalizou 26 dias, a última medição seria no 52º dia de
ensaio, porém também era domingo, sendo os transformadores desenergizados
somente na segunda-feira, totalizando 53 dias de ensaio. Não foi possível fazer mais
coletas de dados pelo fato de que, para realizá-las, é necessário que os
transformadores fiquem pelo menos um período do dia desenergizados, para que os
mesmos resfriem até a temperatura ambiente e todas as medições sejam feitas.
Como o tempo disponível era bem menor do que o previsto, optamos por realizar um
menor número de medições prezando por não comprometer ainda mais o resultado
final do projeto.
Os transformadores dos ensaios com carregamento abaixo da corrente
nominal e em corrente nominal podem ficar ligados à rede permanentemente, sem a
necessidade de controle do tempo em que estão ligados. Já os transformadores dos
ensaios com carregamento acima da corrente nominal e em curto circuito, se ficarem
energizados sem interrupções, podem ser danificados devido a corrente mais
elevada que ocasiona o aumento da temperatura e ruptura das bobinas. Portanto, é
necessário o controle desse tempo de condução, o qual baseia-se em: um sistema
microcontrolado baseado na plataforma Arduino Mega 2560, que controla um
circuito de potência adaptado para que, conforme previa definição, mantenha o
transformador ora energizado, ora em descanso. O microcontrolador também é
utilizado para armazenar, em um cartão SD, dados lidos pelo sensor de corrente
ACS712 ligado ao enrolamento primário dos transformadores dos ensaios com
carregamento acima de corrente nominal e em curto circuito, para que, caso haja
alguma anomalia no sistema durante os ensaios, seja feita avaliação da variação
desses valores. A figura 7 mostra o esquema de ligação dos transformadores de
cada um dos ensaios.
38
Figura 7 – Esquema de ligação dos transformadores Fonte: Autoria própria
Antes de iniciar os ensaios é necessário desenvolver o circuito temporizador
da magnetização e remagnetização do núcleo e fazer a coleta desses dados. Este é
adaptado de um trabalho desenvolvido por Silva e Stevan, 2016.
Tinham-se disponíveis para os ensaios dez transformadores de baixa
potência, com valores nominais de 18Vac e 2A. Fez-se a medição da corrente de
magnetização com todos os dez transformadores e, para cada tipo de ensaio,
separaram-se dois transformadores com valores próximos. Dos dez foram
separados oito transformadores para os ensaios (dois para cada tipo) e os outros
dois foram guardados para uma eventual necessidade. Dos dois transformadores
reservados para cada tipo de ensaio, foi utilizado somente um, e o outro separado
no caso de danificação do primeiro, escolha essa feita de maneira aleatória. Após
isso, por meio do traçador de curva de histerese, fez a aquisição das imagens das
curvas de histerese dos quatro transformadores (um para cada tipo de ensaio).
A partir dos valores de tensão e corrente nominais do transformador, definiu-
se o valor de corrente eficaz do enrolamento secundário para cada tipo de ensaio e
calcularam-se os valores das respectivas cargas.
Para definir qual o tempo que cada transformador deveria ficar energizado e
em descanso, primeiramente foi verificado junto ao fabricante (Transformadores e
Fontes São Francisco) que a temperatura máxima de 155ºC que o transformador
pode ser submetido sem que o verniz das bobinas seja danificado, tanto no
enrolamento primário quanto no secundário. A partir disso, foram feitos testes para
os ensaios de sobrecorrente e curto circuito, com suas respectivas cargas,
verificando quanto tempo leva para que essa temperatura seja atingida, bem como
39
quanto tempo leva para que o transformador retorne a temperatura ambiente. A
partir disso, esses intervalos de tempo foram definidos mantendo uma margem de
segurança. A verificação da temperatura é feita por meio do sensor de temperatura
LM35 (ligado ao microcontrolador) fixado na bobina.
Com a conclusão de todas as etapas que antecedem o início dos ensaios,
pôde-se enfim preparar o local juntamente com todo o material necessário para
início dos testes.
3.1 CORRENTE DE MAGNETIZAÇÃO
Os transformadores foram numerados de 1 a 10 para realização das
medições. Como mostra a figura 8, a corrente de magnetização é medida por meio
de um amperímetro (representado na figura 8 como ‘A’) em série com a bobina do
enrolamento primário (127Vac) do transformador e com a rede, por indisponibilidade
de uma fonte Vac controlada. Para esse ensaio o enrolamento secundário (18Vac)
está aberto (a vazio).
Figura 8 – Circuito para obtenção da corrente de magnetização dos transformadores. Fonte: Autoria própria
A partir dos valores coletados, separam-se dois transformadores para cada
ensaio, para que um seja colocado para ensaiar e o outro permaneça reservado
para uma eventualidade.
40
3.2 CURVA DE HISTERESE
Utiliza-se o traçador para obter o gráfico da curva de histerese de cada um
dos transformadores eletrônicos de baixa tensão. O sistema do traçador mostrado
na figura 9 é proposto por Silva e Stevan (2016, p. 5) e depende do funcionamento
individual de três subdivisões: subsistema eletrônico (composto por um circuito com
amplificador operacional integral juntamente com uma fonte simétrica para
polarização do mesmo), subsistema elétrico (composto por um varivolt e o material
magnético, nesse caso, do transformador) e subsistema de visualização (necessita
somente do osciloscópio).
Figura 9 – Circuito do traçador de curva de histerese Fonte: SILVA, STEVAN (2016, p. 5).
A curva de histerese é medida a partir do enrolamento secundário do
transformador (18Vac). De uma fonte trifásica de tensão regulável, ligou-se duas
fases no traçador de curva de histerese e do traçador no secundário (18Vac) do
transformador, como mostra a figura 10. Precisou-se ajustar algumas configurações
do osciloscópio: o modo de aquisição em alta resolução, “display” em persistência
variável e horizontal em modo XY, e com os dois canais, traçou-se as curvas de
histerese dos quatro transformadores.
41
Figura 10 – Esquema de medição da curva de histerese Fonte: Autoria própria
Verificou-se a corrente e tensão da fonte trifásica regulável por meio de dois
multímetros, ambos representados na figura 8 pelas letras “A” e “V”,
respectivamente. Para definir a tensão “V”, variou-se a fonte de tensão para que a
curva de histerese coubesse na tela do osciloscópio, assim, obteve-se um valor de
tensão “V” igual a 27,8V e a corrente verificada em “A” foi de 970mA.
3.3 CIRCUITO TEMPORIZADOR DE MAGNETIZAÇÃO E REMAGNETIZAÇÃO
O tempo de magnetização e remagnetização do núcleo de um
transformador, é verificado por meio de um circuito adaptado proposto por Silva e
Stevan (2016, p. 4) apresentado na figura 11.
Figura 11 – Circuito temporizador de magnetização e remagnetização Fonte: Adaptado de SILVA; STEVAN (2016 p. 4).
42
O circuito é comandado por um Arduino Mega 2560. A alimentação de ‘5V’ e
‘GND’ provêm do próprio Arduino, os sinais ‘R’ e ‘IN’ provêm de saídas digitais que
comandam, conforme programação, a condução dos transistores ‘Q2’ e ‘Q3’, e ‘Q1’,
respectivamente, e o ‘OUT’ é conectado à uma entrada digital para verificar o tempo
que o “led” permanece aceso. O resistor ‘R2’ limita a corrente no “led” de acordo
com suas especificações. Os resistores ‘R3’ e ‘R4’ formam um divisor de tensão,
para que a tensão lida pelo Arduino esteja dentro do suportado pelo mesmo.
Os optoacopladores tem como principal função fazer com que a referência
do terra seja a mesma para todas as partes do circuito. Os resistores ‘R9’, ‘R10’ e
‘R11’ limitam a corrente no circuito integrado (CI) conforme especificações do
fabricante.
A tensão ‘V’ da fonte alimenta o transformador. Isso é possível quando o
sinal ‘IN’ estiver em nível alto, o que permite a passagem de corrente pela base do
transistor ‘Q1’ e ‘Q4’, nesta ordem.
Usam-se quatro relés para fazer a inversão de polaridade da tensão no
transformador. A alimentação das bobinas é feita por uma fonte de 12Vdc, e para
que não haja fuga de corrente foram colocados diodos em paralelo com as bobinas.
Quando estão desenergizados, os contatos dos relés fazem com que a tensão que
alimenta o transformador seja polarizada diretamente, podendo assim verificar o
tempo de magnetização. Ao serem energizados, ocorre a troca de polarização,
fazendo com que esta aconteça de maneira reversa, podendo ser verificado o tempo
de remagnetização. O sinal ‘R’ comanda a energização dos relés, permitindo-os
conduzir ora em um sentido, ora em outro, a troca ocorre a cada 2,5 segundos e o
sinal ‘IN’ faz a troca de nível baixo para alto e vice-versa a cada 0,5 segundo. A
partir do sinal em nível alto a corrente passa a circular pela base dos transistores
‘Q2’ e ‘Q3’, o que possibilita a passagem de corrente para alimentar os relés.
Além de permitir a condução, os transistores Q1, Q2 e Q3 também eliminam
os ruídos transientes, e os resistores R1, R5 e R6 fazem a limitação da corrente na
base dos respectivos transistores de acordo com as especificações do fabricante.
Para definir o valor de tensão da fonte que irá alimentar o transformador (ora
em um sentido, ora em outro), é necessário dimensionar a tensão que acende o
“led”. Liga-se o “led” em série com um resistor de 680Ω e uma fonte de tensão
regulável, aumenta-se o valor da tensão até que o “led” acenda por completo. Assim,
define-se que esse valor de tensão é de 1,76Vdc.
43
Para determinar o valor dos resistores R5 e R6, situados na base dos
transistores Q2 e Q3 (ambos BD139), analisa-se primeiramente o ganho dos
transistores, sendo 100 o valor médio admitido. Como o coletor do BD139 está
ligado a bobina do relé, energizando-a com tensão nominal (12Vdc) obtêm-se uma
corrente de 30mA (ir). Sabe-se que entre base e emissor do transistor existe uma
queda de tensão de 0,7Vdc (Vbe) e o Arduino fornece uma tensão de 5Vdc (VA) em
nível alto, calcula-se o valor da resistência a partir da equação (19), em seguida
obtêm-se esse valor na equação (20).
𝑉𝐴 − 𝑉𝑏𝑒 = 𝑅5 × 𝑖𝑟 (19)
𝑅5 = 𝑅6 =30. 10−3
5 − 0,7= 14,33𝑘Ω (20)
A partir deste valor, admite-se o menor valor comercial: 12kΩ.
Para determinar o valor dos resistores R3 e R4 que formam o divisor de
tensão, admite-se que a tensão do “led” e do resistor R2 seja de 12Vdc, que o valor
do resistor R3 seja 560Ω, que a tensão em cima do resistor R3 seja de 4V (VR3) e do
resistor R4 seja de 8Vdc (VR4). Primeiramente analisa-se a corrente que passa pelos
resistores R3 e R4 (iR), a partir da equação (21) obtêm-se a equação (22).
𝑉𝑅3 = 𝑅3 × 𝑖𝑅 (21)
𝑖𝑅4 =4
560= 7,1𝑚𝐴 (22)
A partir desse valor de corrente, obtêm-se o valor do resistor R4 por meio da
equação (23), em seguida obtêm-se a equação (24).
𝑉𝑅4 = 𝑅4 × 𝑖𝑅 (23)
𝑅4 =8
7 . 10−3= 1,120𝑘Ω (24)
Para esse caso não há necessidade de que o valor de corrente que passa
por este resistor seja limitado, logo admite-se o menor valor comercial: 1 kΩ.
Os resistores R9, R10 e R11 foram definidos por meio das especificações do
fabricante do optoacoplador 4N25. A corrente necessária para ativar o diodo interno
é limitada em 80mA. A partir disso e dos resistores disponíveis, escolheu-se o
resistor de 220Ω (R). Considerando a queda de tensão do diodo de 3Vdc (VD) e no
Arduino de 5Vdc (VA), obtêm-se uma corrente de polarização de 6mA na equação
(26) a partir da equação (25).
𝑉𝐴 − 𝑉𝐷 = 𝑅 × 𝐼 (25)
𝐼 =5 − 3
220= 6𝑚𝐴 (26)
44
Os ganhos dos transistores Q1 e Q4 foram medidos e admitiu-se os valores
de 300 (β1) e 40 (β4), respectivamente. Para calcular os valores de R1 e R7 deve-se
analisar as correntes de base e coletor dos transistores. Sabe-se que a tensão V é
de 1,76Vdc e considera-se a queda de tensão entre coletor e emissor de 0,2Vdc
(Vce) e a resistência do transformador de 1,7Ω (Rt). Primeiramente calcula-se a
corrente de coletor de Q4 (ic4) a partir da equação (27) e em seguida obtêm-se a
equação (28).
𝑉 − 𝑉𝑐𝑒 = 𝑅𝑡 × 𝑖𝑐4 (27)
𝑖𝑐4 =1,76 − 0,2
1,7= 917,64𝑚𝐴 (28)
Sabendo-se o valor da corrente de coletor de Q4 e considerando que a
corrente de coletor de Q1 (ic1) é igual a corrente de base de Q4 (ib4), a partir da
equação (29), obtemos a corrente de coletor de Q1 na equação (30).
𝑖𝑐4 = 𝑖𝑏4 × 𝛽4 (29)
𝑖𝑐1 = 𝑖𝑏4 =917,64 . 10−3
40= 22,94 𝑚𝐴 (30)
A partir desse valor de corrente de coletor de Q1, base de Q4 e da equação
(31), obtêm-se o valor do resistor R7 pela equação (32), considerando que a queda
de tensão entre base e emissor é de 0,7Vdc (Vbe) e que a tensão necessária para
acionamento dos relés é de 12Vdc (Vr).
𝑉𝑟 − 𝑉𝑏𝑒 = 𝑅7 × 𝑖𝑏4 (31)
𝑅7 =12 − 0,7
22,94 . 10−3= 492,6Ω (32)
Neste caso, admite-se o valor de 470Ω, que é o menor valor comercial.
O valor da corrente de base do transistor Q1 é calculada a partir da equação
(33) e dada pela equação (34), considera-se a tensão necessária para acionar os
relés (Vr = 12Vdc), a queda de tensão entre base e emissor do transistor (Vbe =
0,7Vdc) e o ganho de Q1 (β1 = 300).
𝑖𝑐1 = 𝑖𝑏1 × 𝛽1 (33)
𝑖𝑏1 =22,94 . 10−3
300= 76,46µ𝐴 (34)
Calcula-se a partir desse valor de corrente de base de Q1 e da equação (35)
o valor do resistor R1 dado pela equação (36), considerando que a queda de tensão
entre base e emissor é de 0,7Vdc (Vbe) e que a tensão necessária para acionamento
dos relés é de 12Vdc (Vr).
45
𝑉𝑟 − 𝑉𝑏𝑒 = 𝑅1 × 𝑖𝑏1 (35)
𝑅1 =12 − 0,7
76,46 . 10−6= 147𝑘Ω (36)
Neste caso, admite-se o valor de 130kΩ, que é o menor valor comercial.
O resistor R8 colocado em paralelo com o enrolamento secundário, tem
valor igual 2,2MΩ, foi definindo na ordem de mega ohms para evitar arco elétrico
entre os terminais do enrolamento, causando assim a queima da bobina do
enrolamento secundário do transformador.
De acordo com o trabalho desenvolvido por Silva e Stevan (2016), o “led”
utilizado inicialmente apresentava uma tensão de polarização direta acima do valor
que deveria ser. Até que fosse detectado este problema aumentou-se a corrente de
base do transistor Q1, por meio da substituição do resistor R1 por um resistor de
220Ω. A nova corrente de base de Q1 é calculada pela equação (37) e dada pela
equação (38). Também houve a troca do resistor R7 por um resistor de 1kΩ.
𝑉𝑟 − 𝑉𝑏𝑒 = 𝑅1 × 𝑖𝑏1 (37)
𝑖𝑏1 =12 − 0,7
220= 51,36𝑚𝐴 (38)
Observa-se que há diferença entre os valores de corrente de base
calculados. A partir disso, verifica-se que o valor de corrente de coletor de Q1
suportado (ic1s) (calculado pela equação (39) e dado pela equação (40)) é muito
maior que a corrente de coletor real (ic1r) (calculada pela equação (41) e dada pela
equação (42)), o que garante que Q1 trabalhe na região de saturação permitindo
que este valor de corrente circule plenamente pelo transistor Q1.
𝑖𝑐1𝑠 = 𝑖𝑏1 × 𝛽1 (39)
𝑖𝑐1𝑠 = 51,36 . 10−3 × 300 = 15,4 𝐴 (40)
𝑉𝑟 − 𝑉𝑏𝑒 = 𝑅7 × 𝑖𝑐1𝑟 (41)
𝑖𝑐1𝑟 =12 − 0,7
1000= 11,3𝑚𝐴 (42)
Após outras verificações no circuito o “led” foi substituído por outro
adequado, cuja tensão de polarização direta é de 2Vdc. Assim, o circuito passou a
funcionar adequadamente e não se providenciou a troca dos resistores que foram
substituídos anteriormente, tendo-se uma corrente de base maior do que a
calculada. Como as medições iniciais foram feitas com estes resistores, os mesmos
foram mantidos até o fim das medições para evitar introdução de erros nas
comparações das análises inicial, intermediária e final. Pelo fato de ‘Q1’ trabalhar na
46
região de saturação e de a análise ser de caráter comparativo, esse equívoco com
relação à corrente de base de ‘Q1’ não trará distorções no resultado final.
3.4 RENDIMENTO DE UM TRANSFORMADOR
O cálculo do rendimento de um transformador pode ser feito a partir da
equação (12) citada na subseção 2.2.4 deste trabalho. É preciso ter conhecimento
dos valores de potência fornecido pela rede e valor total das perdas do núcleo e do
cobre. Para obtenção dos valores necessários para calcular a potência de saída,
realiza-se o ensaio com carregamento em corrente nominal em todos os oito
transformadores, fazendo-se a medição dos valores de tensão e corrente no
enrolamento secundário, considerando o fator de potência igual a 1 (por utilizar
carga nominal). Para se calcular as perdas no cobre, mede-se os valores de
resistência dos enrolamentos primário e secundário dos oito transformadores e
também se utiliza o valor de corrente no enrolamento secundário com carga
nominal. Para se quantizar as perdas no núcleo, se faz necessário o ensaio a vazio:
mede-se os valores de corrente e tensão aplicada no enrolamento primário com o
secundário aberto, e calcula-se o fator de potência. Para verificar o fator de potência
dos oito transformadores é necessário verificar a defasagem entre tensão e corrente
medidos. Para isso, utiliza-se o circuito apresentado na figura 12 juntamente com um
osciloscópio: a ponteira referente ao canal 1 é colocada entre os resistores de
150KΩ e 1kΩ, o terra entre os resistores de 1kΩ e 1Ω, e a ponteira referente ao
canal 2 é colocada na outra extremidade do resistor de 1Ω.
Figura 12 – Ensaio para aquisição do fator de potência dos transformadores Fonte: Autoria própria.
47
A partir desse ensaio tem-se as formas de onda de corrente e tensão no
primário do transformador, e com o auxílio dos cursores no próprio osciloscópio
mede-se a defasagem entre as ondas. E, sabendo-se que, o cosseno do ângulo de
defasagem é igual ao fator de potência, têm-se todos os valores necessários para
calcular as perdas no núcleo, e por fim, têm-se o rendimento de cada um dos
transformadores.
3.5 PULSOS DE CONTROLE DO ACIONAMENTO DO TRANSFORMADOR
Os ensaios em questão têm como único objetivo a determinação de
possíveis alterações das características magnéticas no núcleo do transformador.
Portanto, visando manter a integridade do ensaio e dos resultados obtidos, era
necessário que as bobinas do transformador não fossem danificadas. As bobinas
são usualmente danificadas pelo excesso de calor que dissipam e para que isto
fosse evitado era imprescindível controlar o nível de calor nas bobinas.
Os transformadores ensaiados em subcorrente e corrente nominal não
precisaram deste controle, uma vez que já haviam sido testados pelo fabricante e
projetados para suportar o calor dissipado nestes ensaios. Este controle fez-se
necessário no caso dos ensaios em curto-circuito e sobrecorrente, de modo que as
bobinas não viessem a superaquecer até o ponto de serem danificadas e
invalidarem os experimentos realizados. A solução encontrada para estes casos foi
o de manter os transformadores energizados por um determinado período de tempo,
e desligados por outro, afim de que pudessem resfriar.
Para este controle procedeu-se da seguinte maneira: utilizou-se um circuito
acionado por pulsos externos que determina o tempo em que os transformadores
ligados em curto circuito e sobrecorrente permanecem energizados, e o tempo em
que eles permanecem desligados para resfriamento.
Para o desenvolvimento do circuito, partiu-se do funcionamento de um
TRIAC, dispositivo semicondutor capaz de operar em corrente alternada. Um
circuito de controle de potência em corrente alternada está demonstrado na figura
13. Este circuito controla a potência enviada aos elementos em série com o TRIAC,
através da presença ou ausência de corrente na porta do TRIAC. Assim sendo,
qualquer circuito de potência em corrente alternada pode ser controlado enviando-se
48
pulsos de corrente à porta de um TRIAC conectado em série com o componente a
ser alimentado.
Figura 13 – Acionamento completo de um chuveiro eletrônico Fonte: Adaptado de INSTITUTO NEWTON C. BRAGA (1996).
Ao contrário do circuito demonstrado na figura 13, o pulso que controlaria o
acionamento do TRIAC nas placas em questão não seria proveniente do ajuste de
um potenciômetro, mas de um sinal externo facilmente controlável, para o qual se
escolheu utilizar um Arduino Mega 2560. Além disto, a carga representada na figura
8 por ‘x1’ foi substituída pelo enrolamento primário dos transformadores. O capacitor
‘C3’ (100nF) e o resistor ‘R3’ (22Ω) estão ligados em paralelo ao TRIAC para fins de
amortecimento, evitando-se assim o aparecimento de picos de tensão gerados na
comutação do TRIAC (BRAGA, 1996). O circuito modificado está representado na
figura 14.
Figura 14 – Circuito inicial de controle do projeto Fonte: Autoria própria.
49
Por fim, para evitar qualquer dano ao Arduino utilizado, optou-se pela
utilização de optoacopladores do modelo 4N25 como forma de isolá-lo eletricamente
do resto do circuito. O circuito obtido está representado na figura 15.
Figura 15 – Esquema de ligação da placa de controle dos transformadores Fonte: Autoria própria.
3.6 DETERMINAÇÃO DO TEMPO DE ENERGIZAÇÃO E DESCANSO DE CADA TRANSFORMADOR
Uma vez que o circuito havia sido testado e os resultados obtidos
satisfatórios, confeccionou-se uma placa de circuito impresso para cada
transformador. As placas também foram testadas para que fosse detectado qualquer
problema de montagem antes de serem utilizadas nos ensaios. Para este teste, no
entanto, utilizou-se uma lâmpada incandescente no lugar dos transformadores.
Com o circuito pronto, fez-se necessária a determinação do tempo de
energização e resfriamento para cada um dos transformadores de cada ensaio. Para
isto, contatou-se o fabricante dos transformadores questionando-o sobre a máxima
temperatura suportada pelo verniz do enrolamento dos transformadores. A resposta
obtida foi de 155ºC, tanto para o enrolamento primário quanto para o secundário.
Então ligou-se um transformador em sobrecorrente e mediu-se o tempo que ele
levava para atingir 100º C, utilizando um sensor de temperatura LM35 ligado ao
Arduino Mega 2560 previamente programado. Em um dia cuja temperatura
ambiente medida foi de 26ºC, este tempo foi de aproximadamente uma hora. Mediu-
se também o tempo de resfriamento, ou seja, tempo em que o transformador levou
50
para retornar a temperatura ambiente depois de atingir os 100º C. Este tempo foi de
aproximadamente uma hora e meia.
Repetiu-se o processo com um transformador em curto-circuito. Este, por
sua vez, apresentou sinais claros de superaquecimento com apenas um minuto de
ensaio. O tempo de resfriamento foi de aproximadamente uma hora.
Tendo em vista que o circuito de controle dos transformadores deveria ficar
constantemente ligado, optamos por utilizar uma margem de segurança e reduzir à
metade o tempo de energização de cada transformador, sendo assim, os tempos
determinados para o ensaio em sobrecorrente foram: 30min energizado, 01h de
intervalo (resfriamento). Os tempos determinados para o ensaio em curto-circuito
foram: 30s energizado, 01h30min para resfriamento. O esquema da figura 16,
mostra em que momento cada transformador conduz e descansa. A tabela 2 mostra
o tempo total que cada transformador fica energizado.
Figura 16 – Intervalo de energização para ensaios em sobrecorrente e curto circuito Fonte: Autoria própria.
Tabela 2 – Tempo de uso e aumento da corrente de magnetização dos transformadores
Transformador Tipo de Ensaio
Tempo total de energização
[dias] [horas]
2 Corrente nominal 53 1272
4 Sobrecorrente 17,66 424
6 Subcorrente 53 1272
7 Curto Circuito 0,29 7,06
Fonte: Autoria própria.
51
3.7 VALOR DA CARGA RESISTIVA DE CADA ENSAIO
Para definir o valor da carga resistiva de cada um dos ensaios é necessário
saber qual a resistência do enrolamento secundário (18Vac) de cada transformador.
A tabela 3 mostra os valores de resistência medidos diretamente pelo secundário do
transformador.
Tabela 3 – Separação dos transformadores para cada ensaio
Transformador Tipo de ensaio Resistência [Ω]
2 Corrente nominal 1,75
4 Sobrecorrente 1,71
6 Subcorrente 1,70
7 Curto Circuito 1,70
Fonte: Autoria própria.
O valor nominal do transformador é de 2A (inominal) para corrente e 18Vdc
para tensão, logo o valor de carga total é de 9Ω. Sabendo-se o valor da resistência
do transformador utilizado (transformador 2), diminui-se do valor da resistência
nominal de 9Ω, obtendo-se assim o valor para carga (Rnominal) por meio da equação
(43). E para definir o valor da potência do resistor é necessário analisar que valor de
potência a carga será submetida (PT2), calculada a partir da equação (44).
𝑅𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 9 − 1,75 = 7,25Ω (43)
𝑃T2 = 𝑅𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 × 𝑖𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙2 = 7,25 × (2)2 = 29𝑊 (44)
Sendo assim deve-se encontrar um valor de resistor de potência comercial
mais próximo do calculado (7,25Ω / 29W). Em relação a potência, a maior mais
próxima é de 50W, e dentre os valores de resistência disponíveis, combinou-se em
série 2Ω, 5Ω e enrolou-se uma bobina com fio de cobre com resistência no valor de
0,25Ω, totalizando exatamente o valor esperado de 7,25Ω.
Para o ensaio em subcorrente, admitiu-se o valor de corrente de 1A (isubcor),
logo o valor de carga total é de 18Ω. Sabendo-se o valor da resistência do
transformador utilizado (transformador 6) diminui-se do valor da carga total de 18Ω,
obtendo assim o valor para carga (Rsubcor), como mostra a equação (45). E para
definir o valor da potência do resistor é necessário analisar que valor de potência a
carga será submetida (PT6), calculada por meio da equação (46).
52
𝑅𝑠𝑢𝑏𝑐𝑜𝑟 = 18 − 1,7 = 16,3Ω (45)
𝑃T6 = 𝑅𝑠𝑢𝑏𝑐𝑜𝑟 × 𝑖𝑠𝑢𝑏𝑐𝑜𝑟2 = 16,3 × (1)2 = 16,3𝑊 (46)
Sendo assim deve-se encontrar um valor de resistor de potência comercial
mais próximo do calculado (16,3Ω / 16,3W). Em relação à potência, a maior mais
próxima é de 20W, e dentre os valores de resistência disponíveis, o mais próximo é
o de 15Ω. A partir deste valor e do valor de potência calculado têm-se que a corrente
no enrolamento secundário igual a 1,04A para o ensaio de subcorrente.
Para o ensaio em sobrecorrente, admitiu-se o valor de corrente de 3A
(isobrecor), logo o valor de carga total é de 6Ω. Sabendo-se o valor da resistência do
transformador utilizado (transformador 4) diminui-se do valor da carga total de 6Ω,
obtendo assim o valor para carga (Rsobrecor) por meio da equação (47). E para definir
o valor da potência do resistor é necessário analisar que valor de potência a carga
será submetida (PT4), calculada a partir da equação (48).
𝑅𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟 = 6 − 1,7 = 4,3Ω (47)
𝑃T4 = 𝑅𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟 × 𝑖𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟2 = 4,3 × (3)2 = 38,7𝑊 (48)
Sendo assim deve-se encontrar um valor de resistor de potência comercial
mais próximo do calculado (4,3Ω / 38,7W). Em relação a potência, a maior mais
próxima é de 50W, e dentre os valores de resistência disponíveis, o mais próximo é
o de 5Ω. A partir deste valor e do valor de potência calculado têm-se que a corrente
no enrolamento secundário igual a 2,78A para o ensaio de subcorrente.
Para o ensaio em curto circuito considera-se somente a resistência do
transformador utilizado (transformador 7) sem carga adicional. Nesse caso a
corrente irá depender do valor de 1,7Ω.
Estando determinados os valores da carga de cada um dos ensaios, fez a
verificação da corrente que irá circular pelo enrolamento secundário (18Vac) de cada
transformador. Ligou-se o enrolamento primário (127Vac) na rede, e um
amperímetro em série com enrolamento secundário e com a carga resistiva
determinada para cada transformador de cada ensaio. A tabela 4 mostra os valores
das cargas resistivas determinadas para cada transformador bem como os valores
de corrente medidos e esperados no enrolamento secundário. O transformador 7 do
ensaio em curto circuito não tem nenhuma carga ligada ao enrolamento secundário,
já que a resistência do próprio enrolamento é suficiente para produzir um valor de
corrente maior que a nominal.
53
Tabela 4 – Corrente no enrolamento secundário de cada transformador
Transformador Tipo de ensaio Carga Resistiva
acoplada ao secundário [Ω]
Corrente eficaz no secundário [A] Erro [%]
Esperado Medido
2 Corrente nominal 7,25 2 2,06 2,9
4 Sobrecorrente 5 2,78 2,76 0,72
6 Subcorrente 15 1,04 1,17 11,1
7 Curto Circuito - - 8,4 -
Fonte: Autoria própria.
Comparando-se os valores esperados e medidos da corrente no
enrolamento secundário, observa-se que o menor erro de 0,72% é para o ensaio
com carregamento acima da corrente nominal, seguido do erro de 2,9% do ensaio
em corrente nominal e de 11,1% do ensaio com carregamento abaixo da corrente
nominal. Logo, confirmam-se os valores das cargas calculadas.
54
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste tópico apresentam-se os resultados obtidos através dos meios
experimentais anteriormente descritos, bem como a discussão sobre o cumprimento
dos objetivos iniciais do projeto e a sua relevância para os estudos na área de
transformadores eletrônicos de baixa potência.
Os quatro parâmetros utilizados para o monitoramento de possíveis
alterações no núcleo do transformador estão todos ligados à determinação da
eficiência dos transformadores e são complementares entre si, ou seja, espera-se
que os valores obtidos em cada ensaio confirmem os valores obtidos nos demais
ensaios.
Como mencionado na revisão da literatura, quaisquer medidas tomadas
relativas a propriedades magnéticas de um material são altamente suscetíveis à
ação da temperatura, sendo que essas tendem a piorar em temperaturas mais
baixas. Como não foi possível que os ensaios fossem realizados em temperatura
ambiente controlada, este fator deve ser observado nos resultados obtidos. As
temperaturas ambientes aproximadas dos três dias de medição foram as seguintes:
26oC na primeira medição, 22oC na segunda medição e 13oC na terceira medição.
4.1 SEPARAÇÃO DOS TRANSFORMADORES PARA CADA ENSAIO
Se faz necessária a separação de dois transformadores para cada um dos
quatro ensaios previstos. Pela necessidade de se ter transformadores com
características semelhantes, optou-se por usar a corrente de magnetização como
parâmetro de separação.
Devido à alguns fatores, como comprimento da fiação elétrica e variações de
consumo, a tensão da rede oscila juntamente com os valores da corrente de
magnetização. Assim, observou-se o maior e o menor valor mostrados pelo
multímetro e fez-se média aritmética entre esses valores. Na tabela 5 são mostrados
os valores máximos e mínimos de corrente de magnetização eficaz de todos os dez
transformadores e o valor final definido para cada um deles juntamente com o erro
calculado.
55
Tabela 5 – Corrente de magnetização de todos os transformadores
Transformador IEficazMín [mA] IEficazMáx [mA] Ieficaz [mA]
1 58,85 59,41 59,13 ± 0,56
2 52,18 52,41 52,30 ± 0,23
3 58,18 59,59 58,89 ± 1,41
4 58,61 59,06 58,84 ± 0,45
5 65,36 65,48 65,42 ± 0,12
6 50,82 51,10 50,96 ± 0,28
7 65,95 66,41 66,18 ± 0,46
8 49,84 50,00 49,92 ± 0,16
9 53,91 54,14 54,03 ± 0,23
10 67,63 67,87 67,75 ± 0,24
Fonte: Autoria própria.
Observou-se os valores próximos de corrente eficaz de magnetização, e por
essa aproximação foram separados dois transformadores para cada um dos ensaios
em questão. A tabela 6 mostra quais transformadores foram separados para cada
ensaio bem como as suas respectivas correntes de magnetização (Imag(A) e Imag(B)).
Tabela 6 – Separação dos transformadores para cada ensaio
Ensaio Transformador A Imag(A) [mA] Transformador B Imag(B) [mA]
Subcorrente 6 50,96 mA 8 49,92 mA
Corrente Nominal 2 52,30 mA 9 54,03 mA
Sobrecorrente 4 58,84 mA 3 58,89 mA
Curto Circuito 7 66,18 mA 10 67,75 mA
Fonte: Autoria própria.
De maneira aleatória, separou-se os transformadores da coluna A, os quais
foram utilizados para realizar os ensaios, dos transformadores da coluna B, os quais
foram reservados caso os transformadores da coluna A fossem danificados. E os
transformadores 1 e 5 foram guardados para uma eventual necessidade, juntamente
com os transformadores reservados, relacionados na coluna B.
4.2 CORRENTE DE MAGNETIZAÇÃO DOS TRANSFORMADORES
Verificar a corrente de magnetização de um transformador é a maneira mais
simples de se determinar uma variação nas suas perdas, uma vez que, como
56
mencionado no referencial teórico, ela representa a corrente necessária para a
produção do fluxo magnético, somada a corrente necessária para suprir as perdas
magnéticas do transformador. Os valores de corrente de magnetização de cada
transformador utilizado, durante os três momentos de observação, estão descritos
na tabela 7.
Tabela 7 – Corrente de magnetização dos transformadores
Transformador Tipo de ensaio
Corrente [mA]
Antes dos ensaios Após 26 dias Após 53 dias
2 Corrente nominal 52,3 55 57,5
4 Sobrecorrente 58,8 65 64,6
6 Subcorrente 50,9 53 55,2
7 Curto Circuito 66,2 68 68,3
Fonte: Autoria própria.
Analisando-se os dados da tabela 6, nota-se a incoerência dos valores do
segundo momento de medições. O fato se dá devido ao número de casa decimais
inexistentes e, no caso do transformador 4, ao invés de ocorrer o aumento da
segunda para a terceira medição, ocorre a diminuição. Pode-se atribuir a falha ao
aparelho, o qual possivelmente estava com mal funcionamento. Na primeira e
terceira medições fez-se o teste do multímetro com a rede para verificar a
confiabilidade dos valores mostrados, porém na segunda medição esse teste não foi
feito, pois essa incoerência só foi verificada na terceira medição. Portanto,
desconsidera-se as medições intermediárias devido à não confiabilidade dos valores
requeridos.
Foram 53 dias de ensaios sem interrupções para os transformadores 2 e 6
(corrente nominal e subcorrente) os quais ficaram todo o tempo energizados, porém
os transformadores 4 e 7 ficaram a maior parte desse tempo em descanso para que
não queimassem. Considerando 24 horas de ensaios durante 53 dias, a tabela 8
mostra o tempo de utilização (em dias e horas) de cada um dos transformador com
as respectivas porcentagens de aumento da corrente de magnetização, com relação
à medição feita antes e após os ensaios.
57
Tabela 8 – Tempo de uso e aumento da corrente de magnetização dos transformadores
Transformador Tipo de Ensaio Tempo de uso
[horas] Porcentagem de
aumento na corrente [%]
2 Corrente nominal 1272 9,94
4 Sobrecorrente 424 9,86
6 Subcorrente 1272 8,44
7 Curto Circuito 7,06 3,17
Fonte: Autoria própria
Partindo do nível de estresse elétrico submetido, esperava-se que o
transformador mais afetado fosse o do ensaio em curto circuito, seguido do
transformador do ensaio com carregamento acima da corrente nominal, em corrente
nominal e abaixo da corrente nominal, porém devido ao tempo em que ficaram
energizados não se pode observar essa ordem. Mesmo assim, constatou-se o
aumento da corrente de magnetização em todos os casos como se era esperado:
com o envelhecimento magnético do núcleo a corrente de magnetização tende a
aumentar se comparada com valor medido antes do seu uso. Para todos os casos
esse aumento poderia ser observado de forma mais efetiva se fosse possível
controlar a temperatura ambiente no momento da coleta de dados referente a
corrente de magnetização.
Para se concluir o ensaio, foi feito a análise do índice de envelhecimento do
transformador, conforme descrito na revisão da literatura. Para isto, utilizou-se do
valor das perdas totais de cada transformador, medido através do produto da
corrente de magnetização pela tensão no primário do transformador. Os valores dos
índices de envelhecimento magnético, comparando-se os primeiros e últimos
resultados estão representados na tabela 9.
Tabela 9 – Índice de envelhecimento dos transformadores
Transformador Tipo de ensaio Perdas totais
antes dos ensaios (W)
Perdas totais ao final dos ensaios (W)
Índice de envelhecimento
(%)
2 Corrente nominal 6,6421 7,3025 9,94
4 Sobrecorrente 7,4678 8,2042 9,86
6 Subcorrente 6,4643 6,985 8,05
7 Curto circuito 8,4074 8,6741 3,17
Fonte: Autoria própria.
58
Os índices de envelhecimento dos transformadores confirmam os resultados
da análise na corrente de magnetização, deixando claro que houve envelhecimento
magnético em todos os transformadores ensaiados.
Quanto a variação de temperatura durante as três fases do ensaio, a
legislação americana (NATIONAL..., 2011) prevê que para ensaios a vazio, que é o
caso do ensaio para se obter o valor de corrente de magnetização, não é necessária
a correção das perdas pela temperatura nos casos em que a temperatura
permanece entre 10 e 30oC. Em outros casos a temperatura pode ser corrigida pela
equação 49.
𝑃𝑛𝑐 = 𝑃𝑛𝑐1(1 + 0,00065(𝑇𝑛𝑚 − 𝑇𝑛𝑟)) (49)
Onde:
𝑃𝑛𝑐 é o valor das perdas corrigido para uma referida temperatura;
𝑃𝑛𝑐1 é o valor das perdas antes da correção;
𝑇𝑛𝑚 é o valor de referência;
𝑇𝑛𝑟 é o valor da temperatura quando o teste foi realizado.
Como os testes foram realizados dentro da faixa de temperatura permitida,
sendo assim a correção não é necessária (NATIONAL..., 2011).
4.3 CURVA DE HISTERESE DOS TRANSFORMADORES
Gerou-se a curva de histerese dos quatro transformadores em três
momentos, a fim de se obter informações suficientes para comparar se houve
alterações no consumo de energia. Tendo posse dessas imagens, realizou-se a
sobreposição das curvas de histerese de cada um dos transformadores tomando
como referência os eixos X (horizontal) e Y (vertical) da primeira curva obtida. A
curva de cor verde refere-se à curva de histerese obtida antes do início dos ensaios,
a de cor vermelha refere-se à curva obtida em período intermediário aos ensaios, e
a curva azul foi obtida ao final dos ensaios. A figura 17 apresenta as curvas de
histerese do transformador 2 do ensaio com carregamento abaixo da corrente
nominal.
59
Figura 17 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 2 Fonte: Autoria própria.
A figura 18 apresenta as curvas de histerese do transformador 4 do ensaio em corrente nominal.
Figura 18 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 4 Fonte: Autoria própria.
A figura 19 apresenta as curvas de histerese do transformador 6 do ensaio
com carregamento acima da corrente nominal.
60
Figura 19 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 6 Fonte: Autoria própria.
A figura 20 apresenta as curvas de histerese do transformador 7 do ensaio em curto circuito.
Figura 20 – Sobreposição das curvas de histerese do transformador 7 Fonte: Autoria própria.
A partir das sobreposições das curvas de histerese dos transformadores 2,
4, 6 e 7 mostradas nas figuras 17, 18, 19 e 20, respectivamente, observa-se que
ocorre o deslocamento entre uma curva e outra, impossibilitando a visualização de
um possível aumento da área da curva. Sendo assim, para verificar se houve e
visualizar melhor variação desta área, fez-se a análise individual de alguns pontos
da curva de histerese.
61
Baseado na figura 2 apresentada neste trabalho e na curva de histerese de
cada transformador nos três momentos de medição, retirou-se os valores de A1
(ponto de saturação, valor em H), A2 (magnetismo residual) e A3 (força coercitiva) de
cada transformador. Estes valores, listados na tabela 10, partiram da análise das
figuras que mostram os gráficos das curvas de histerese referentes a todos os
transformadores em questão nos três momentos de medições. Estas estão
relacionadas no Apêndice B.
Tabela 10 –Valores dos pontos nas curvas de histerese para cada ensaio
Tipo de ensaio Antes dos ensaios
26 dias após o início dos ensaios
Após o termino dos ensaios
A1(W) A2(W) A3(W) A1(W) A2(W) A3(W) A1(W) A2(W) A3(W)
Corrente nominal 2,8 1,7 0,3 2,25 1,7 0,25 3 1,4 0,25
Sobrecorrente 2,65 1,8 0,3 2,75 1,7 0,27 3 1,6 0,3
Subcorrente 2,75 1,8 0,25 2,25 1,75 0,25 2,6 1,6 0,3
Curto circuito 2,65 1,7 0,3 2,9 1,7 0,3 3,3 1,6 0,3
Fonte: Autoria própria.
Os valores dos pontos A1 (ponto de saturação, no eixo H) demonstrados na
tabela 10, representam a quantidade de fluxo magnético exigida do campo externo H
para que o campo B alcance a saturação. Pela tabela nota-se que o maior aumento
de valor aparece no ensaio em curto circuito (24,53%) seguido do ensaio em
sobrecorrente (13,21%) e do ensaio em corrente nominal (7,14%). O ensaio em
subcorrente apresentou um decréscimo de 5,45% no valor de H para o qual o campo
B se encontra em estado de saturação. Estes valores indicam um aumento no
consumo de energia pelo núcleo para os transformadores que obtiveram aumento
no ponto A1, e, pelas porcentagens calculadas, nota-se que este aumento é
proporcional à carga acoplada ao secundário do transformador, indicando que o
aumento nas perdas do núcleo do transformador depende também do estresse
elétrico, e não apenas da temperatura à qual o núcleo é submetido. No entanto, para
que esta indicação pudesse ser confirmada, seria necessário um tempo maior de
ensaio que pudesse, supostamente, gerar resultados mais expressivos.
A tabela 10 também indica uma diminuição gradual nos pontos de
magnetismo residual apresentado no campo B, uma vez que o campo magnético
externo é completamente removido. No entanto, não há nenhuma diferença
conclusiva entre os valores do campo coercitivo para nenhum ensaio, não sendo
62
possível afirmar se o envelhecimento magnético e o estresse elétrico influenciaram
de alguma maneira o movimento dos domínios magnéticos dos transformadores
ensaiados utilizando-se apenas da curva de histerese como referência, dentro do
curto período de avaliação proposto.
4.4 TEMPO DE MAGNETIZAÇÃO E REMAGNETIZAÇÃO DOS TRANSFORMADORES
O tempo de magnetização e remagnetização é também um parâmetro que
pode facilmente ser analisado. É extremamente visível sua alteração bem como a
verificação de mudanças na eficiência no processamento de energia do
transformador em questão. A tabela 11 apresenta os valores dos tempos de
magnetização e remagnetização medidos nos três momentos referenciados
anteriormente (antes, após 26 dias e após 53 dias do início dos ensaios). No
Apêndice A estão relacionadas as figuras que mostram os gráficos referentes a
verificação destes valores, obtidas da verificação da forma de onda no diodo do
circuito por meio de um osciloscópio.
Tabela 11 – Tempo de magnetização e remagnetização dos transformadores
Transformador Tipo de Ensaio
MAGNETIZAÇÃO [ms] REMAGNETIZAÇÃO [ms]
Antes dos ensaios
Após 26 dias
Após 53 dias
Antes dos ensaios
Após 26 dias
Após 53 dias
2 Corrente nominal 44 34 36 108 112 104
4 Sobrecorrente 36 26 30 108 112 106
6 Subcorrente 40 32 32 104 112 104
7 Curto Circuito 38 28 32 106 98 100
Fonte: Autoria própria.
Analisando primeiramente o tempo de magnetização, observa-se a
diminuição de todos os valores em relação à primeira medição realizada. Porém isso
não ocorre se compararmos os valores da terceira medição com a segunda. Com
relação à diferença entre os valores da segunda e primeira medições, nota-se uma
diminuição de 22,7% para o transformador 2 do ensaio em corrente nominal, 27,8%
para o transformador 4 do ensaio com carregamento acima da corrente nominal,
20% para o transformador 6 do ensaio com carregamento abaixo da corrente
63
nominal e 26,3% para o transformado 7 do ensaio em curto circuito. Já com relação
à diferença entre os valores da terceira e segunda medições, nota-se que, ao invés
de diminuir, ocorre aumento dos valores obtidos, com exceção do transformador 6 o
qual não sofreu nenhuma alteração. Para o transformador 2 houve um aumento de
5,9%, 15,4% para o transformador 4 e 14,3% para o transformador 7.
Analisando agora o tempo de remagnetização, a diferença entre os valores
da primeira e segunda medição aumentam, com exceção do transformador 7 do
ensaio em curto circuito, o qual teve uma diminuição de 7,5%. Para os
transformadores 2 e 4 o aumento foi de 3,7% e para o transformador 6 houve um
acréscimo de 7,7% com relação à medição anterior. Tendo como base a diferença
entre os dados coletados na segunda e terceira medições, observa-se que, ao invés
de aumentar, os valores diminuem, novamente com exceção do transformador 7, o
qual teve seu valor de tempo de remagnetização aumentado em 2% com relação à
medição anterior. Para o transformador 2 e 6 notou-se uma diminuição de 7,1% e de
5,4% para o transformador 2.
Percebe-se que não há aumento no tempo de magnetização para nenhum
dos transformadores: da primeira para segunda medição os valores diminuem e da
segunda para a terceira os valores aumentam com exceção do transformador 6 que
continua com o valor da medição anterior, e comparando os valores da primeira e
última medição, todos os valores diminuem. Já para o tempo de remagnetização os
valores aumentam da primeira para a segunda medição e diminuem da segunda
para a terceira medição somente para os transformadores 2,4 e 6, para o
transformador 7 ocorre o inverso (aumenta e depois diminui). Sendo assim, a análise
é inconclusiva tomando-se como base o tempo de magnetização e remagnetização
do núcleo.
4.5 RENDIMENTO DE UM TRANSFORMADOR
Primeiramente mediu-se os valores de resistência do enrolamento primário
(18Vac) e secundário (127Vac) dos oito transformadores, com um mesmo
multímetro em plenas condições de funcionamento. Os valores medidos para cada
transformador estão relacionados na tabela 12.
64
Tabela 12 – Valores de resistência de ambos os enrolamentos dos oito transformadores
Identificação do transformador
Enrolamento primário [Ω]
Enrolamento secundário [Ω]
2 31,1 1,7
3 31,1 1,7
4 31,5 1,55
6 30,7 1,55
7 30,97 1,66
8 30,7 1,65
9 31,3 1,66
10 30,7 1,53
Fonte: Autoria própria.
Com o uso de dois multímetros em plenas condições de funcionamento, fez-
se a verificação dos valores de corrente (𝐼2) e tensão (𝑉2) no enrolamento secundário
(18Vac) dos oito transformadores, com a carga nominal, como mostra a tabela 13.
Tabela 13 – Valores de corrente e tensão aplicado do enrolamento primário dos oito transformadores
Identificação do transformador
V2 [V] I2 [A]
2 16,07 2,04
3 16,03 2,05
4 16,04 2,06
6 16,09 2,06
7 16,02 2,07
8 16,08 2,07
9 16,07 2,08
10 16,13 208
Fonte: Autoria própria.
Em seguida, foram feitas as aquisições dos gráficos da defasagem entre
corrente e tensão dos oito transformadores. No Apêndice C estão apresentadas
todas as imagens, as quais mostram que, para todos os oito transformadores a
defasagem foi de 1,9ms. A equação () apresenta o cálculo feito para encontrar o
fator de potência dos transformadores a vazio: sendo a frequência da rede 60Hz, um
período completo da senóide (360º) ocorre em 16,66ms, portanto a equação (50)
65
nos dá que o ângulo de defasagem (𝜃0) é de 41,039º, e pela equação (51) temos
que o fator de potência (𝐹𝑃) é de 0,75.
16,667𝑚𝑠 − 360°
1,9𝑚𝑠 − 𝜃0
𝜃0 =360.1,916,667 = 41,039°
(50)
𝐹𝑃 = cos 𝜃0 = cos 41,039° = 0,75 (51)
Obtendo-se todos os valores das grandezas necessários para o cálculo da
potência de saída (𝑃𝑠𝑎í𝑑𝑎), das perdas no núcleo (𝑃𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜) e no cobre (𝑃𝐶𝑢), e da
resistência equivalente (𝑅𝑒2), é possível calcular os valores de rendimento de cada
um dos transformadores, mostrados na tabela 14.
Tabela 14 – Valores da resistência equivalente, potência de saída, perdas no núcleo e no cobre e rendimento dos oito transformadores
Identificação do transformador
𝑹𝒆𝟐 𝑷𝒔𝒂í𝒅𝒂 𝑷𝒏ú𝒄𝒍𝒆𝒐 𝑷𝑪𝒖 𝜼
2 2,325 32,783 5,477 9,675 68,391
3 2,325 32,862 5,609 9,770 68,120
4 2,183 33,042 6,153 9,263 68,187
6 2,167 33,145 5,258 9,195 69,636
7 2,282 33,161 6,506 9,779 67,066
8 2,267 33,286 4,755 9,713 69,703
9 2,289 33,426 5,146 9,902 68,956
10 2,147 33,550 6,453 9,287 68,065
Fonte: Autoria própria.
Fez a comparação entres dois valores de rendimento dos dois
transformadores (utilizado e reservado) de cada ensaio, para verificar se houve
alteração deste parâmetro. Porém, pode-se observar na tabela 15, que a
porcentagem de alteração é extremamente pequena, que não se pode afirmar que o
rendimento caiu efetivamente, o que torna a análise por meio desse parâmetro
inconclusiva, dentro do período analisado.
66
Tabela 15 – Comparação entre os valores de rendimento dos transformadores utilizado e reservado de cada ensaio
Condição Tipo de ensaio Identificação do transformador
η [%] Alteração no
rendimento [%]
Utilizado Subcorrente
6 69,636 -0,0961%
Reservado 8 69,703
Utilizado Corrente nominal
2 68,391 -0,8194%
Reservado 9 68,956
Utilizado Sobrecorrente
4 68,187 0,0984%
Reservado 3 68,12
Utilizado Curto circuito
7 67,066 -1,4677%
Reservado 10 68,065
Fonte: autoria própria
67
5 CONCLUSÃO
Os estudos que visam melhorar a eficiência de equipamentos elétricos e
eletrônicos são de grande relevância em um contexto onde o aumento das fontes
energéticas não acompanha o aumento na demanda de energia da população
mundial. É essencial, para profissionais da área, buscar nichos de pesquisas ainda
inexploradas que podem contribuir para esta melhora.
O presente projeto tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma
metodologia e de circuitos que possibilitem a análise preliminar do envelhecimento
magnético do núcleo de transformadores eletrônicos de baixa potência. Esse estudo
inicia uma busca pela diminuição e quantificação do impacto que esse fenômeno
tem sobre o consumo de energia.
Para tal fez-se necessário a elaboração de um procedimento de
envelhecimento acelerado, por meio da aplicação de vários níveis de estresse:
ensaios com diferentes tipos de carregamento (abaixo da corrente nominal, em
corrente nominal, acima da corrente nominal e em curto circuito). Para realizar a
análise utilizou-se de quatro parâmetros de verificação: corrente de magnetização,
curva de histerese, tempo de magnetização e remagnetização do núcleo e o
rendimento dos transformadores.
Ao final dos 53 dias de ensaio, observou-se que, para a corrente de
magnetização, os resultados das medições comprovam que há de fato um aumento
de perdas no núcleo do transformador, uma vez para todos os ensaios foi
visivelmente alterada ao longo do tempo dos ensaios, indicando um aumento nas
perdas dos transformadores. A análise do rendimento e do tempo de magnetização
e remagnetização do núcleo dos transformadores foi inconclusiva, dado a variação
pequena dos transformadores reservados e ensaiados do primeiro parâmetro, e o
comportamento inconstante do segundo, não se pode afirmar que houve
efetivamente alguma alteração efetiva nos transformadores com base nesses dois
parâmetros. Os valores podem ter sido alterados pela diferença de equipamentos
utilizados, bem como a falta de calibração dos mesmos.
Pouco se conclui apenas pela análise da sobreposição das curvas de
histerese, uma vez que a diferença entre as áreas das curvas durante os três
períodos de ensaio não foi nitidamente alterada. Observando cada ponto
individualmente, no entanto, nota-se um nítido aumento nos valores do campo
68
magnético externo H nos pontos de saturação do núcleo, o que indica um aumento
nas perdas pelo estresse elétrico ao qual os transformadores foram submetidos.
Não é possível concluir, no entanto, se o aumento das perdas foi, de alguma
maneira, ocasionado pelo estresse elétrico imposto aos transformadores, e/ou pela
exposição do núcleo a temperaturas mais elevadas, dado que quanto maior o nível
de estresse ao qual o transformador estava submetido, maior também era a sua
temperatura, e a análise do ponto de saturação das curvas de histerese deveria ser
feito por um período de tempo maior para que conclusões definitivas pudessem ser
feitas.
Apesar do resultado favorável aos objetivos do trabalho, em uma situação
ideal os transformadores deveriam permanecer ligados por um tempo maior, durante
o qual o número de medições dos parâmetros utilizados fosse maior e deveriam
também permanecer em um ambiente com níveis de temperatura e umidade do
ambiente controlados, para que nenhum destes influenciasse no processo de
envelhecimento do aço, pois a temperatura ambiente afeta diretamente as
características magnéticas do aço. O uso dos mesmos equipamentos de medição
para todas as medições, devidamente calibrados, é de extrema importância. Além
disto, sugere-se também o estudo de técnicas práticas de reversão do
envelhecimento em transformadores de baixa potência.
69
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75
APÊNDICE A - Imagens dos Gráficos dos Tempos de Magnetização e Remagnetização
76
Figura 21 – Tempo de magnetização do transformador 2 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 22 – Tempo de remagnetização do transformador 2 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
77
Figura 23 – Tempo de magnetização do transformador 4 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 24 – Tempo de remagnetização do transformador 4 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
78
Figura 25 – Tempo de magnetização do transformador 6 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 26 – Tempo de remagnetização do transformador 6 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
79
Figura 27 – Tempo de magnetização do transformador 7 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 28 – Tempo de remagnetização do transformador 7 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
80
Figura 29 – Tempo de magnetização do transformador 2 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 30 – Tempo de remagnetização do transformador 2 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
81
Figura 31 – Tempo de magnetização do transformador 4 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 32 – Tempo de remagnetização do transformador 4 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
82
Figura 33 – Tempo de magnetização do transformador 6 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 34 – Tempo de remagnetização do transformador 6 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
83
Figura 35 – Tempo de magnetização do transformador 7 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 36 – Tempo de remagnetização do transformador 7 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
84
Figura 37 – Tempo de magnetização do transformador 2 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 38 – Tempo de remagnetização do transformador 2 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
85
Figura 39 – Tempo de magnetização do transformador 4 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 40 – Tempo de remagnetização do transformador 4 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
86
Figura 41 – Tempo de magnetização do transformador 6 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 42 – Tempo de remagnetização do transformador 6 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
87
Figura 43 – Tempo de magnetização transformador 7 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 44 – Tempo de remagnetização do transformador 7 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
88
APÊNDICE B - Imagens dos Gráficos das Curvas de Histerese
89
Figura 45 – Curva de histerese do transformador 2 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 46 – Curva de histerese do transformador 4 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
90
Figura 47 – Curva de histerese do transformador 6 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 48 – Curva de histerese do transformador 7 (antes do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
91
Figura 49 – Curva de histerese do transformador 2 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 50 – Curva de histerese do transformador 4 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
92
Figura 51 – Curva de histerese do transformador 6 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 52 – Curva de histerese do transformador 7 (após 26 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
93
Figura 53– Curva de histerese do transformador 2 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 54 – Curva de histerese do transformador 4 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
94
Figura 55 – Curva de histerese do transformador 6 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
Figura 56 – Curva de histerese do transformador 7 (após 53 dias do início dos ensaios) Fonte: Autoria própria
95
APÊNDICE C - Imagens das Formas de Onda da Tensão e Corrente no Enrolamento Primário dos Transformadores
96
Figura 57 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 2 Fonte: Autoria própria
Figura 58 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 3 Fonte: Autoria própria
97
Figura 59 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 4 Fonte: Autoria própria
Figura 60 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 6 Fonte: Autoria própria
98
Figura 61 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 7 Fonte: Autoria própria
Figura 62 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 8 Fonte: Autoria própria
99
Figura 63 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 9 Fonte: Autoria própria
Figura 64 – Forma de onda da tensão e corrente no enrolamento primário do transformador 10 Fonte: Autoria própria