Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

Fundamentos de Mquinas Elctricas

Ensaio do Transformador

2012/2013 1 Semestre LaboratriosProf. Eng. Lima de Oliveirajloliveira@deea.isel.ipl.pt

Turma : LM31N Antnio Macedo Jos Antnio Joo Freixo Brian Estrela N N 18452 N N

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

ndice

1 2 3 4

Objectivo: ............................................................................................................................ 3 Introduo: .......................................................................................................................... 3 Estudo do transformador monofsico: ................................................................................ 43.1 Caractersticas do transformador:........................................................................................... 4

Ensaios: ............................................................................................................................... 44.1 4.2 4.3 4.4 Ensaio em vazio: ...................................................................................................................... 4 Ensaio em curto-circuito: ........................................................................................................ 5 Ensaio em carga:...................................................................................................................... 6 Ensaio em corrente contnua: ................................................................................................. 7

5

Circuito Equivalente: .......................................................................................................... 75.1 Clculos Ensaio em Vazio: ....................................................................................................... 7 Factor de potncia : ......................................................................................................... 7 Resistncia de perdas no ncleo (Rp) : ........................................................................... 8 Reactncia de magnetizao (Xm) :.................................................................................. 8 Relao de transformao (m) : ...................................................................................... 8 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.2

Calculos Ensaio em Curto-Circuito: ......................................................................................... 8 Factor de potncia : ......................................................................................................... 8 Impedncia de curto-circuito (Zcc): .................................................................................. 8 Componente activa da impedncia (Req):........................................................................ 9 Componente reactiva da impedncia (Xeq) : .................................................................. 9 Clculo de R2 e R2: .......................................................................................................... 9

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3

Esquema Circuito Equivalente:................................................................................................ 9 Tabela com Valores em carga: ...................................................................................... 10 Clculo da potncia Ptil:................................................................................................ 10 Clculo do rendimento : ............................................................................................. 10 Clculo terico de U2: .................................................................................................... 10 Apresentao resultados em Simulink: ......................................................................... 11

5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5

6

Concluso:......................................................................................................................... 15

Page 2

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

1 Objectivo:Este trabalho prtico tem como objectivo observar o comportamento de um transformador quando colocado em vazio (o), em curto-circuito (cc), em carga e em corrente contnua. Iremos medir a resistncia, corrente, tenso e potncia do transformador nos diferentes ensaios e, simplificando e calculando, vamos criar o circuito equivalente do transformador, para depois comparar os resultados do ensaio em carga com os valores obtidos pela simulao em Simulink. Iremos implementar o circuito equivalente do transformador na plataforma Simulink, a fim de simularmos o seu comportamento no ensaio de carga. Esta simulao servir para estudar teoricamente o comportamento de qualquer transformador monofsico.

2 Introduo:O transformador um dispositivo que, como o nome indica, transforma uma corrente elctrica alternada sinusoidal com uma determinada tenso numa corrente elctrica sinusoidal geralmente com uma tenso diferente, pela aco de um fluxo magntico. A maioria dos equipamentos que utilizam energia elctrica necessitam de baixas tenses, mas o seu transporte tem de ser feito a tenses elevadas para que seja tcnica e economicamente vivel. Por esta razo os transformadores so equipamentos vitais para as redes de distribuio de energia. O funcionamento do transformador elctrico baseia-se na Lei da Induo Electromagntica, descoberta experimentalmente por Michael Faraday, em 1831, que descreveu o dispositivo com que realizou algumas experincias como sendo formado por duas bobinas de fio de cobre diametralmente opostas, enroladas num anel de ferro macio, dispositivo a que hoje chamamos transformador. Dado o princpio de conservao de energia, pode concluir-se que o valor de potncia no se altera de um lado para o outro do transformador, o que faz com que alteraes de tenso provoquem alteraes de corrente, mantendo-se a energia que entra igual energia que sai. O transformador um equipamento reversvel, ou seja, tanto serve para transformar tenses baixas em teses altas, como o contrrio.

Page 3

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

3 Estudo do transformador monofsico:

O transformador que estudmos isolador, de 1:1, o que, na prtica, significa que o nmero de espiras no primrio igual ao do secundrio. Logo, a tenso do primrio sensivelmente igual da do secundrio, enquanto a corrente neste apenas a necessria.

3.1 Caractersticas do transformador:

U1 (V) I1 (A)

150 0,5

U2 (V) I2 (A)

150 5

Tabela 1 Valores fornecidos antes dos ensaios.

Transformador Monofsico Marca ???? Tipo ???? N ???? V:150/150 A:0,5-5

4 Ensaios:4.1 Ensaio em vazio:

O secundrio deixado em aberto, sendo o enrolamento primrio ligado tenso nominal, 150V. Dado que o secundrio est em vazio, nenhuma corrente flui nele e, consequentemente: a) Nenhuma energia transmitida para aquele ramo do circuito b) As perdas de Joule, no enrolamento secundrio, so nulas. Como o valor de RP e XP so muito inferiores a RC e Xm, podemos dizer que a energia gasta neste ensaio atribuvel s perdas por correntes de Focault e por ciclos de Histerese, denominadas perdas no ferro.

Page 4

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

Para fazermos as medies pretendidas inserimos um voltmetro, um ampermetro e um wattmetro no circuito primrio.

Tenso nominal PRIMRIO Corrente Potncia

Un Io Po

150 0,50 20

V A W

Tabela 2 Valores obtidos na realizao do ensaio em vazio.

4.2 Ensaio em curto-circuito:

O secundrio curto circuitado e, com uma fonte de alimentao regulvel, aumentase a tenso no primrio at que a corrente do secundrio atinja o valor nominal de 5A. Como o secundrio est em curto-circuito a sua impedncia quase nula, logo a tenso necessria no primrio para obter essa corrente ser muito pequena.

Page 5

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

Para fazermos as medies pretendidas inserimos um voltmetro, um ampermetro e um wattmetro no circuito primrio.

Tenso PRIMRIO Corrente nominal Potncia Tenso SECUNDRIO Corrente nominal

Ucc InIcc Pcc Ucc I2cc

54.5 5 60 0 5

V A W V A

Tabela 3 Valores obtidos na realizao do ensaio em curto-circuito.

4.3

Ensaio em carga:

O objectivo deste ensaio o de verificar as alteraes de tenso e corrente no primrio quando a carga do secundrio varia.

Para fazermos as medies pretendidas inserimos um wattmetro no circuito primrio. CARGAS Tenso PRIMRIO Corrente (V) (I) Inicial (0.5A) 150 0,50 22 149 1.4A 150 1.4 194 144.3

Potncia (W) SECUNDRIO Tenso (V)

Tabela 4 Valores obtidos na realizao do ensaio em carga.

Page 6

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

4.4 Ensaio em corrente contnua:O ensaio em corrente contnua consiste em alimentar o primrio a uma tenso de corrente contnua U1DC, medindo a respectiva corrente I1DC.

2V

PRIMRIO

U1DC (V) I1DC (A)

2.04 1.74

Tabela 5 Valores obtidos na realizao do ensaio em corrente contnua.

Pela Lei de Ohm:

5 Circuito Equivalente:5.1 Clculos Ensaio em Vazio:5.1.1 Factor de potncia :

(

)

Page 7

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

Como se trata de uma induo, a corrente vai sofrer um atraso, logo o ngulo vai ser negativo, o que implica que = - 74,5 5.1.2 Resistncia de perdas no ncleo (Rp) :

5.1.3

Reactncia de magnetizao (Xm) :

Nota: Para efeitos de clculo utiliza-se o valor modular de

(5.1.4 Relao de transformao (m) :

)

5.2 Calculos Ensaio em Curto-Circuito:5.2.1 Factor de potncia :1=

cc

(

)

5.2.2

Impedncia de curto-circuito (Zcc):

Page 8

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

5.2.3

Componente activa da impedncia (Req):

5.2.4 Componente reactiva da impedncia (Xeq) :

(

)

(

)

5.2.5

Clculo de R2 e R2:

5.3 Esquema Circuito Equivalente:

R11,30

R2 X11,10

X2

Rp1125

311,3

Page 9

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico5.3.1 Tabela com Valores em carga:

15/10/2012

LEITURAS U1 V 150 150 I1 A 0,39 4 P1 W 22 560 U2 V 297 259,7 I2 A 0 1,81 Perdas cu W 0 31,45

CLCULOS Perdas fe W 22 22 P til W 0 506,55 Rendimento % 0 90,46

Tabela 6 Tabela dos ensaios e resultados em carga

5.3.2

Clculo da potncia Ptil:

( Carga = 0A ( Carga = 2A (5.3.3 Clculo do rendimento :

) ) ( )

)

W

( )5.3.4 Clculo terico de U2:

=90,46%

Page 10

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico5.3.5 Apresentao resultados em Simulink:

15/10/2012

Em ambiente MATLAB/SIMULINK foi realizada uma simulao do transformador monofsico em carga. Abaixo encontram-se os grficos das curvas tericas da tenso U2, das perdas no cobre Pcu, das perdas no ferro Pfe, da potncia til Ptil e do rendimento em funo da corrente no secundrio I2.

Grfico I.

Curva terica da tenso U2 em funo da corrente I2

Grfico II.

Curva terica de perdas no cobre PCu em funo da corrente I2

Page 11

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

Grfico III.

Curva terica de perdas no ferro PFe em funo da corrente I2

Grfico IV.

Curva terica de Potncia til Ptil em funo da corrente I2

Page 12

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

Grfico V.

Curva terica do rendimento em funo da corrente I2

Para verificarmos que o rendimento mximo de um transformador acontecia quando as perdas no Ferro (PFe) eram iguais s perdas no Cobre (PCu) sobrepusemos os grficos da PFe , PCu e conforme grfico abaixo.

Grfico VI.

Sobreposio dos grficos II, III, V Perdas no Cobre em funo da corrente I2 Perdas no Ferro em funo da corrente I2 Rendimento em funo da corrente I2

Page 13

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

Abaixo encontra-se um grfico representativo da curva terica e da dos dados experimentais, representativas de U2 em funo de I2

350.0 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Dados Experimentais U2/I2 Curva Terica U2=f(I2)

Grfico VII.

Sobreposio de curvas terica e experimental, de U2 em funo de I2

Dados Tericos retirados do Simulink I2 U2=f(I2) 0,0 0,2 0,4 300,0 292,0 284,3 0,6 276,8 0,8 269,5 1,0 262,4 1,2 255,7 1,4 249,2 1,6 243,1 1,8 237,4 2,0 232,0

Dados Experimentais I2 0,0 2,0 U2=f(I2) 297,0 259,7

Page 14

F.M.E. - Ensaio de Transformador Monofsico

15/10/2012

6 Concluso:O ensaio em carga permitiu-nos verificar que, aps um aumento de rendimento inicial, este tem a tndencia para, chegado a um mximo, diminuir medida que se aumenta a carga. Atravs do estudo do grfico verificmos que o rendimento mximo de um transformador monofsico acontece quando as perdas no Cobre igualam as perdas no Ferro (sendo estas ltimas constantes) PFe=PCu . As discrepncias entre os valores de U2 terico obtidos a partir do SIMULINK e os valores experimentais devem-se s simplificaes que se fazem para tranformar o circuito do transformador num circuito equivalente simplificado. No entanto a tendncia a correcta, ou seja, medida que se aumenta a carga no secundrio, baixa a tenso U2.

Page 15