lcee exp 02 transformadores

Universidade Federal de GoiasESCOLA DE ENGENHARIA ELETRICA,

MECANICA E DE COMPUTACAO

Lab. de Conversao de Energia Eletrica – 2015/1Engenharia Eletrica – Prof. Dr. Igor Kopcak

Experimento 02 – Bancada 1: Transformador trifasico; Resistencia deIsolamento; Resistencia de Enrolamento

Aluno(a): Matrıcula:Aluno(a): Matrıcula:Aluno(a): Matrıcula:

1 Resistencia de Isolamento

Resistencia de isolamento de um transformador ou maquina girante e a resistencia eletrica encon-trada entre enrolamentos e entre enrolamentos e massa (carcaca ou terra) destes equipamentos. Oinstrumento utilizado na verificacao deste ensaio e o megometro. A resistencia medida da ideia do es-tado do isolamento do equipamento antes dele ser submetido a outros testes dieletricos. O megometronada mais e que uma fonte de tensao ligada em serie com um amperımetro, semelhantemente a umohmımetro, com a diferenca de aplicar tensoes da ordem de alguns milhares de volts e ser sensıvel asbaixıssimas correntes de fuga que possam surgir atraves da isolacao do equipamento.

Para medir corretamente o isolamento, o megometro deveria aplicar uma tensao que nao fosseinferior a normal de servico do equipamento a ser testado, pois o defeito que apareceria com estatensao poderia nao se manifestar com valores mais baixos. Para os transformadores, os valores obser-vados para as resistencias medidas deverao ser iguais ou maiores aos dados pelas expressoes: (1) paratransformadores isolados a seco; e (2) para transformadores isolados a oleo.

Ri75oC =Vi

Sn

100+ 100

[MΩ] (1)

Ri75oC =2,65Vi√

Sn

60

[MΩ] (2)

sendo:Ri75oC – Resistencia mınima do isolamento a 75oC por fase em [MΩ];Vi – Classe de tensao de isolamento nominal do enrolamento considerado em [kV];Sn – Potencia nominal do enrolamento em [kVA];f – Frequencia em [Hz].

Como a resistencia de isolamento e fortemente afetada pela temperatura, quando medida emtemperaturas diferentes de 75oC, o valor obtido pelas expressoes (1) ou (2) deve ser compensado,multiplicando-o por um fator de correcao, de forma a colocar o limite mınimo na mesma escala detemperatura do ambiente em que estao sendo feitas as medicoes. A Tabela 1 mostra os valores doFator de Correcao para temperaturas de medicao entre 15oC e 36oC.

2 Resistencia do Enrolamento

As medicoes da resistencia de enrolamento serao realizadas com ohmımetro de ponte resistiva eohmımetro digital. Ambos aparelhos aplicam uma tensao DC no enrolamento e, por isso, a resistencia

Tabela 1: Fator de Correcao para determinacao da Resistencia de Isolamento em temperaturasdiferentes de 75oC

Temperatura (oC) Fator de Correcao Temperatura (oC) Fator de Correcao15 64,0 26 29,916 60,0 27 27,917 56,0 28 26,018 52,0 29 24,319 48,5 30 22,620 45,3 31 21,121 43,3 32 19,722 42,2 33 18,423 36,8 34 17,224 36,4 35 16,025 32,0 36 14,9

medida e chamada de RDC . Quando em operacao normal, o transformador e energizado com tensaoAC, de forma que a resistencia dos enrolamentos sera maior do que a RDC , devido ao efeito pelicular.Em 60Hz, a resitencia RAC sera ligeiramente maior que RDC .

Em transformadores trifasicos, e necessario conhecer o tipo de conexao dos enrolamentos, para adeterminacao do valor medio das resistencias dos enrolamentos. Para conexoes em ∆, o valor mediosera dado pela expressao (3) e, para conexao em Y, pela expressao (4).

R∆DC =

1

2(RAB + RBC + RCA) (3)

RYDC =

1

6(Rab + Rbc + Rca) (4)

sendoR(AB,BC,CA) – as resistencias medidas nos terminais do transformador do lado ligado em ∆;R(ab,bc,ca) – as resistencias medidas nos terminais do transformador do lado ligado em Y.

3 Relacao de transformacao em transformador trifasico

Em transformadores trifasicos, a relacao de transformacao nominal, ou de placa, se refere aosvalores das tensoes de linha, VL, nos terminais primario e secundario. Isso implica que a relacao detransformacao depende nao apenas do numero de espiras das bobinas do primario e do secundario,mas tambem da forma como estas sao conectadas. Nesse sentido, ha quatro possibilidades basicas deconexao das bobinas de transformadores trifasicos: Y–Y, Y–∆, ∆–Y, e ∆–∆. Outra caracterıstica dostransformadores trifasicos e que a tensao no secundario pode estar defasada em relacao a tensao doprimario.

Em sistemas de energia, estas caracterısticas podem ser exploradas de varias maneiras. Normal-mente o tipo de conexao dos enrolamentos e escolhido em funcao de questoes de protecao, operacao efiltro de correntes de sequencia e/ou harmonicas. Quanto ao defasamento, ha transformadores cons-truıdos especialmente para que se possa controlar a defasagem angular entre as tensoes do primarioe secundario, os chamados Transformadores Defasadores. Estes transformadores, quando ligados emum sistema de energia malhado, possuem a capacidade de controlar os fluxos de potencia nas linhasde transmissao a ele conectadas.

4 Roteiro para os Ensaios: Bancada 1

Primeiramente anotar os dados de placa do transformador monofasico e do transformador trifasico,calculando em seguida as correntes nominais dos mesmos.

Equipamento monofasico:Potencia (kVA):Tensoes (V/V):Conexao:Temperatura:Frequencia:Classe de isolacao (kV):Correntes (A/A):

Equipamento trifasico:Potencia (kVA):Tensoes (V/V):Conexao:Temperatura:Frequencia:Classe de isolacao (kV):Correntes (A/A):

4.1 Resistencia de isolamento

Anotar a classe de tensao do megometro:

Calcular o valor mınimo de resistencia de isolamento conforme a equacao (1) e aplicar o Fator deCorrecao de temperatura adequado (ver termometro do laboratorio e Tabela 1).

Temperatura:Ri calculado – monofasico:Ri calculado – trifasico:

Curto-circuitar os terminais superior e inferior dos transformadores. Selecionar a maior tensao domegometro e efetuar as medidas de resitencia, tomando os pares: Terminal superior com Terminalinferior, Terminal Superior com Massa, e Terminal Inferior com Massa, preenchendo a Tabela 2.

ATENCAO: O megometro e um equipamento que produz tensoes elevadas! Cuidado ao manusea-lodurante as medicoes!

Tabela 2: Valores medidos da resistencia de isolamentoMedicao Resistencia de isolamento [MΩ] Resistencia de isolamento [MΩ]

Transformador monofasico Transformador trifasicoTI e TS

TS e massaTI e massa

4.2 Medicao da resistencia dos enrolamentos

Com um multımetro digital, selecionar a funcao ohmımetro e conectar as pontas de prova nos ter-minais adequados. Medir as resistencias dos enrolamentos do transformador monofasico. Somente aposconhecer a ordem de grandeza da resistencia dos enrolamentos, repetir as medicoes com o ohmımetroem ponte. Anotar os valores obtidos na tabela a seguir:

Tabela 3: Valores medidos da resistencia dos enrolamentosMedicao Ohmımetro Ohmımetro

digital [Ω] em ponte [Ω]RP

RS

Fazer as ligacoes do transformador trifasico de forma a compor um transformador rebaixador, cujarelacao de transformacao seja 330V/

√3110V. Esboce no quadro abaixo as conexoes necessarias.

Efetuar as medicoes das resistencias nos terminais superior e inferior, primeiramente com o ohmı-metro digital e, em seguida, com o ohmımetro em ponte. Preencher a tabela a seguir:

Tabela 4: Resistencia dos enrolamentos do transformador trifasicoTerminal Ohmımetro Ohmımetro Terminal Ohmımetro OhmımetroSuperior digital [Ω] em ponte [Ω] Inferior digital [Ω] em ponte [Ω]RAB Rab

RBC Rbc

RCA Rca

R∆DC RY

DC

Deduzir as equacoes (3) e (4).

Calcular os valores das resistencias equivalentes totais por fase, referidas aos lados do TerminalSuperior e do Terminal Inferior, para temperaturas ambiente e de operacao. Considerar apenas osvalores obtidos com o ohmımetro em ponte.

4.3 Relacao de transformacao e sequencia de fases

Mantendo as conexoes do item anterior para o transformador trifasico, alimente o Terminal Su-perior com o Variac trifasico, ajustando 110V de tensao de linha. Monitore a tensao entre duas fasescom um multımetro digital, selecionando a funcao voltımetro AC. Em seguida, meca com o voltımetroas tensoes de fase e de linha no Terminal inferior. Anote os resultados na tabela abaixo. Considereındices maiusculos referentes ao terminal superior e minusculos relacionados ao terminal inferior.

Tabela 5: Tensoes no transformador trifasico ∆–YTerminal Tensao [V]VAB

VAN

VabVan

Compare o valor teorico da relacao de transformacao com o obtido pelas medicoes.Com um sequencımetro, observe a sequencia de fases do enrolamento primario. Repita a operacao

para o enrolamento secundario. Anote na tabela abaixo a sequencia de fases para os dois lados dotransformador.

Tabela 6: Sequencia de fases do transformador ∆–YSequencia Sequenciaprimario secundario

Reduza a tensao e desligue o Variac.

Mude as conexoes do transformador para obter uma relacao de transformacao 330√

3/110V√

3,ligando o transformador em Y–Y. esboce as conexoes no quadro a seguir.

Com o Variac trifasico, aplique 110V de tensao de linha no terminal supeior e repita os procedi-mentos deste item, preenchendo as tabelas abaixo.

Tabela 7: Tensoes no transformador trifasico Y–YTerminal Tensao [V]VAB

VAN

VabVan

Tabela 8: Sequencia de fases do transformador Y–YSequencia Sequenciaprimario secundario




Experimento 02 – Bancada 2: Polaridade de enrolamentos eAutotransformador


5 Polaridade de enrolamentos

Quando se tem por objetivo, conectar duas pilhas (baterias) em serie ou em paralelo, deve-se estaratento a polaridade de seus terminais para se realizar a conexao correta, de forma a se somar suastenoes, ou somar suas capacidades de fornecimento de corrente.

Embora o conceito de polaridade para o transformador seja diferente do conceito em pilhas/baterias,o conhecimento da polaridade dos terminais das bobinas e fundamental quando for necessario, p.ex.,conectar transformadores em paralelo ou ligar o terminal da bobina primaria ao da secundaria paraa configuracao de autotransformador. A observacao das polaridades e especialmente importante paraos transformadores de instrumentos, nos quais as tensoes e/ou correntes em seus secundarios devemser nao apenas proporcionais em modulo aos valores do enrolamento primario, como tambem devempossuir o mesmo angulo de fase.

Uma notacao usual para a identificacao da polaridade e mostrada na Figura 5. Nao ha conexoesde fontes, impedancias ou medidores tanto na bobina primaria como na bobina secundaria.

Figura 1: Marca de polaridade das bobinas: correntes entrando no ponto produzem fluxomagnetico no mesmo sentido.

ϕ

i

N1 N2

i2

1

fonte: Apostila de Eletrotecnica (Murari, 2009).

A notacao indicada na Figura 5 sugere que as correntes que circulam pelas bobinas, entrando pelosterminais marcados, geram fluxos magneticos no mesmo sentido (coincidentes), caracterizando que osterminais marcados (•) tem a mesma polaridade.

6 Autotransformador

O autotransformador caracteriza-se pela existencia de uma conexao eletrica entre os lados de altae baixa tensao e portanto, somente pode ser utilizado quando nao e necessario o isolamento eletrico

(isolacao galvanica) entre os dois enrolamentos. No entanto, o autotransformador apresenta algumasvantagens com relacao a potencia transmitida e a eficiencia.

No autotransformador, a relacao entre a tensao na fonte e a tensao na carga nao corresponde arelacao de espiras. Estabelece-se uma nova grandeza denominada Relacao de Transformacao (RT) eassim, a relacao de transformacao para o autotransformador (RT’) e dada pela equacao (5)

RT ′ =V1

V1 + V2=

RT V2

RT V2 + V2=

RT

RT + 1(5)

sendo

RT =V1

V2=

N1

N2= RE – Relacao de Espiras para um transformador monofasico.

Enquanto a Relacao de Espiras (RE) e a relacao entre as tensoes nas bobinas, a Relacao deTransformacao (RT) e a relacao entre as tensoes na fonte e na carga.


Primeiramente anotar os dados de placa do transformador monofasico, calculando em seguida ascorrentes nominais dos mesmos.


7.1 Ensaio para definicao da polaridade

No transformador monofasico de 1kVA, 4×110/4×110, usando apenas uma das bobinas do ladoprimario e uma das bobinas do lado secundario, faca as conexoes indicadas nas Figuras 7.1(a) e 7.1(b).Em seguida, energize o Varic ajustando 110V para U1 e preenchendo a Tabela a seguir com os resul-tados.

IMPORTANTE: Zere o Variac e o deslique antes de mudar as conexoes.

Figura 2: Conexoes como Autotransformador.

(a) Conectando os terminais 1 e 4.

(b) Conectando os terminais 1 e 3.

fonte: Apostila de Eletrotecnica (Murari, 2009).

7.2 Autotransformador com tap variavel

Esboce no quadro abaixo as conexoes necessarias para que o transformador monofasico possa serconvertido em um autotransformador elevador com 5 opcoes de relacao de transformacao: RT = 1/1,

Tabela 9: Tensoes obtidas no ensaio de polaridadeTensoes Conexao da Fig. 7.1(a) Conexao da Fig. 7.1(b)

(V) (V)U1

U2

U3

1/2, 1/3, 1/4 e 1/5. Procure fazer o desenho o mais fiel possıvel com as conexoes que realizaria nolaboratorio.

Faca as conexoes propostas no esboco e aplique 50V no terminal da bobina do primario. Meca eanote na Tabela a seguir as tensoes nos 5 pontos do secundario do autotransformador.

Tabela 10: Valores de tensao medidos para o autotransformador de tap variavelTensao no Tensoes no secundario

primario (V) Tap 0 Tap 1 Tap 2 Tap 3 Tap 4

Alem da discussao dos ensaios e resultados obtidos, pede-se:

(a) discuta quais sao as vantagens e desvantagens de um autotransformador;

(b) enumere possıveis aplicacoes para o mesmo;

(c) deduza a expressao para o calculo do rendimento do autotransformador e compare com o trans-formador convencional.




Experimento 02 – Bancada 3: Ensaio em vazio, ensaio em curto-circuito,regulacao e rendimento



Primeiramente anotar os dados de placa do transformador monofasico, calculando em seguida ascorrentes nominais dos mesmos.


8.1 Ensaio em vazio

Esboce as conexoes, incluindo os instrumentos de medida, para realizacao do ensaio em vazio dotransformador monofasico de 1kVA, 4×110/4×110. A conexao deve ser tal que o transformador deveter relacao de transformacao 110V/110V, 1/4 kVA.

Faca a montagem e execute o ensaio em vazio, anotando os valores obtidos na Tabela a seguir.

Tabela 11: Resultados do Ensaio em Vazio.Tensao em Corrente em Potencia ativavazio – V0 vazio – I0 em vazio – P0

8.2 Ensaio de curto-circuito

Esboce as conexoes, incluindo os instrumentos de medida, para realizacao do ensaio de curto-circuito mantendo-se a configuracao do transformador do ensaio em vazio.

Faca a montagem e execute o ensaio de curto-circuito, anotando os valores obtidos na Tabela aseguir.

Tabela 12: Resultados do Ensaio de Curto-Circuito.Tensao em Corrente em Potencia ativaCC – VCC CC – ICC em CC – PCC

8.3 Caracterıstica de Operacao: Regulacao e Rendimento

Efetue a montagem da Figura abaixo.

Figura 3: Conexoes para ensaio com carga variavel

fonte: proprio autor.

Alimente o primario (V1) com tensao nominal e preencha a Tabela a seguir, considerando 3 condi-coes de operacao: em vazio (sem carga, secundario em aberto), com a resistencia ajustada para que a

corrente no primario seja I1 ≈ 1A, e com a resistencia ajustada para que a corrente no primario sejaI1 ≈ 2A.

Obs.: se necessario, reajuste a tensao no enrolamento primario para mante-la em seu valor nominal;

Tabela 13: Ensaio com carga.Variaveis Em vazio I1 = 1A I1 = 2AU1 (V)I1 (A)P1 (W)

f.p.U2 (V)I2 (A)P2 (W)η (%)

Regulacao × ×

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