Trabalho Elec. Potencia

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ESCOLA SUPERIOR DE CIÊNCIAS NÁUTICAS Departamento de Rádio Curso: Engenharia Electrónica e Telecomunicações Cadeira: Electrónica de Potência I Turma: 4R/12 – Diurno Tema: Transformadores Discentes: Docente: Paulo Pedro Ubisse Engº. Hélio Gove Vânia Helena A. Brito Maputo, Março de 2015 ESCN Electrónica de Potência Transformadores Índice Páginas 1 Introdução ............................................................................................................................... 2 2 3 Objectivos ............................................................................................................................... 2 2.1 Objectivos gerais .............................................................................................................. 2 2.2 Objectivos específicos ...................................................................................................... 2 Transformadores ..................................................................................................................... 3 3.1 Constituição do transformador ......................................................................................... 3 3.2 Principio de funcionamento ............................................................................................. 4 3.3 Tipos de transformadores ................................................................................................. 4 3.4 Transformador ideal ......................................................................................................... 6 3.4.1 3.5 Características do transformadores ideal .................................................................. 6 Transformador real ........................................................................................................... 6 3.5.1 Características dos transformadores real .................................................................. 7 3.6 Relação de transformação ................................................................................................ 7 3.7 Perdas no transformador................................................................................................... 8 3.8 Ensaio de curto circuito e de circuito aberto .................................................................... 8 3.8.1 Ensaio em curto-circuito ........................................................................................... 9 3.8.2 Ensaio em aberto ..................................................................................................... 10 3.9 Rendimento .................................................................................................................... 12 4 Simbologia ............................................................................................................................ 12 5 Conclusão.............................................................................................................................. 13 6 Anexos .................................................................................................................................. 14 7 Bibliografia ........................................................................................................................... 15 Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 1 ESCN 1 Electrónica de Potência Transformadores Introdução Com a descoberta do electromagnetismo, das leis da indução electromagnética, leis de Lenz e Farady, impulsionou o desenvolvimento de técnicas e ou equipamentos que pudessem ser utilizados na transformação de valores de tensão e corrente, além de serem usados na modificação de impedâncias em circuitos elétricos, isto é transformadores. O presente trabalho diz respeito a cadeira de electrónica de potência e surge necessariamente como material de consolidação de apreendizagem dos dispositivos de potência. A energia elétrica produzida nas usinas hidroeléctricas é levada, mediante condutores de electricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento, no qual iluminará cidades, movimentará máquinas e motores, e proporcionará muitas comodidades. Para o efeito, o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes, mas sim toda a rede de distribuição depende dos transformadores, que elevam a tensão, ora a rebaixam. Nesse sobe e desce, eles resolvem não só um problema econômico, reduzindo os custos da transmissão à distância de energia, como melhoram a eficiência do processo. 2 Objectivos 2.1 Objectivos gerais  Falar dos transformadores com vista a adquirir conhecimentos sobre os conceitos básicos e fundamentais sobre os transformadores na área da eléctronica. 2.2 Objectivos específicos  Apresentar o conceito de transformador;  Dar a conhecer a constituição dos transformadores;  Descrever o princípio de funcionamento dos transformadores;  Falar do conceito de transformador ideal e real e das suas características;  Abordar sobre os diferentes tipos de ensaio dos transformadores e apresentar os parâmetros e ou dados resultantes da analise dos esquemas e ou circuitos. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 2 ESCN 3 Electrónica de Potência Transformadores Transformadores Transformador é o aparelho electromagnéctico estáctico (isto é, sem peças moveis) por meio do qual a corrente alternada de uma tensão é transformada em corrente alternada da mesma frequência , mas de outra tensão. 3.1 Constituição do transformador O transformador, consciste de um núcleo magnéctico fechado em torno do qual existem pelo menos, dois enrolamentos.  Núcleo: feitos de material ferromagnéctico de chapas de aço-silicio laminado, empilhadas e prensadas, (no geral usam-se chapas de aço-silício, por diminuírem a perda por Corrente de Foucault ou correntes parasitas). Apresentam permeabilidades magnécticas elevadas e são responsaveis por transferir a corrente induzida no enrolamento primário para o secundário.  Enrolamentos: feitos de material condutor, normalmente cobre electrolítico são envernizados com uma camada de verniz sintéctico e isolados do núcleo. Um transformador pode ser de dois enrolamentos, onde é comum denominá-los como enrolamento primário e enrolamento secundário, de três enrolamentos sendo que o terceiro é chamado de terciário. Há também transformadores que possuem apenas um enrolamento, no qual o enrolamento primário possui um conexão com o enrolamento secundário, de modo que não há isolação entre eles, esses são chamados de autotransformadores. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 3 ESCN 3.2 Electrónica de Potência Transformadores Principio de funcionamento O principio de funcionamento de um transformador é baseado nas leis de Faraday e Lenz, as leis do eletromagnectismo e da indução eletromagnéctica, respectivamente. A lei de Lenz, afirma que corrente elétrica produz campo magnéctico (electromagnetismo), e a lei da indução de Faraday, implica que um campo magnéctico variável no interior de uma bobina ou enrolamento de fio induz uma tensão eléctrica nas extremidades desse enrolamento (indução eletromagnética). Fig.1. Esquema de um transformador. Quando o enrolamento primário for ligado a um gerador de tensão alternada, será produzido um fluxo magnéctico variável , cuja amplitude dependerá da tensão e número de espiras do primário. O fluxo mútuo concatenar-se-á com o outro enrolamento, o secundário, e induzirá uma tensão cujo valor dependerá do número de espiras do secundário. Deste modo pode-se dizer que o principio de funcionamento dos transformadores baseiam-se na criação de uma corrente induzida no secundário, a partir da variação de fluxo gerada pelo primário. 3.3 Tipos de transformadores Existem outras utilizações para os transformadores, que serão mencionadas adiante, tais como isolamento eléctrico e medição de correntes. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 4 ESCN i. Electrónica de Potência Transformadores Potência O objectivo é transformar potência –V1,I1 – num lado, em potência –V2,I2 – no outro lado, mantendo - se a frequência. ii. Corrente O objectivo é que uma corrente induza, no enrolamento do transformador, uma f.e.m. Essa f.e.m é proporcional à corrente que a criou, donde, medindo a f.e.m, saber- se- á a corrente. iii. Isolamento É um caso particular do transformador de potência, no qual a tensão no secundário é igual à tensão no primário. O objectivo é obter um isolamento eléctrico entre o circuito ligado ao primário e o circuito ligado ao secundário. iv. Autotransformador É um caso particular de transformador de potência, com um único enrolamento, dividido em dois. A tensão de “saída” é obtida à custa da divisão de tensão do enrolamento, como se pode ver na figura. Este tipo de transformador é mais barato (um único enrolamento), no entanto não isola o circuito eléctrico primário do circuito eléctrico secundário. Fig.1.1.Autotransformador. A relação entre as tensões é dada por: Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 5 ESCN 3.4 Electrónica de Potência Transformadores Transformador ideal Um transformador é dito ideal quando o acoplamento entre suas bobinas é perfeito, ou seja, todas concatenam o mesmo fluxo magnéctico (não possui perdas de qualquer natureza, seja nos enrolamentos, no núcleo). Fig.2. Transformador ideal. 3.4.1 Características do transformadores ideal 3.5  Não há dispersão de fluxo;  A permeabilidade magnética do núcleo ferromagnético é alta ou, no caso ideal, infinita;  As resistência ôhmicas dos enrolamentos não são consideradas (ou seja são nulas);  As perdas no ferro (núcleo) são ignoradas. Transformador real Um transformador é dito ideal quando o fluxo magnéctico não é completamente concatenado. Fig.3. Transformador real. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 6 ESCN Electrónica de Potência Transformadores 3.5.1 Características dos transformadores real  Há dispersão de fluxo magnéctico;  Existem perdas tanto no fio do enrolamento (pela resistência natural do cobre), quanto no núcleo magnético;  3.6 A potência obtida no secundário é menor que a potência aplicada. Relação de transformação A tensão de entrada e de saída são proporcionais ao número de espiras em cada bobina. Sendo: Por esta proporcionalidade concluí-se que um transformador reduz a tensão se o número de espiras do secundário for menor que o número de espiras do primário e vice-versa. Se considerarmos que toda a energia é conservada, a potência no primário deverá ser exactamente igual à potência no secundário, assim: Onde: N1= número de espiras no enrolamento primário. N2= número de espiras no enrolamento secundário. V1= tensão no primário. V2= tensão no secundário. I1= corrente no primário. I2= corrente no secundário. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 7 ESCN 3.7 Electrónica de Potência Transformadores Perdas no transformador Ao se considerar transformadores reais, devem ser inseridas nos cálculos as perdas decorrentes de sua operação. As perdas são traduzidas em “escoamento de potência”, que fazem com que a potência de saída do transformador seja diferente da potência de entrada. De um modo geral, existem quatro tipos de perdas importantes nos transformadores de potência:  Perda no cobre :é decorrente do efeito de joule que ocorre nos condutores dos enrolamentos do transformador ao serem percorridos pela corrente eléctrica. A perda pode ser reduzida usando condutores compostos nos enrolamentos;  Corrente de Foucault :são também conhecidas como correntes parasitas. Estas correntes circulam no interior do núcleo do transformador quando este é submetido a um fluxo variante no tempo, provocando perdas por efeito de joule. A perda pode ser reduzida laminando-se o núcleo do transformador;  Perda por histerese: está associada à reorganização dos momentos magnécticos atômicos do material ferromagnéctico que compõe o núcleo do transformador. Cada vez que o ciclo de histerese é percorrido, uma parcela de energia é gasta para que estes momentos magnécticos sejam realinhados. Para reduzir este tipo de perda, recomenda-se utilizar materiais com características ferromagnécticas apropriadas, de elevada permeância magnéctica;  Fluxo de dispersão: os fluxos magnécticos que concatenam com apenas um enrolamento e cujas trajectórias são definidas majoritariamente através do ar são denominados fluxo de dispersão. Estes fluxos traduzem-se em uma indutância própria para ambas as bobinas, e seus efeitos são representados pela adição de uma reactância indutiva de dispersão em série com cada um dos elementos. 3.8 Ensaio de curto circuito e de circuito aberto O ensaio do transformador pode ser feito em aberto (vazio) ou em curto-circuito, estes ensaios permitem a determinação das resistências e reactâncias do circuito equivalente do transformador com uma aproximação bastante satisfatória. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 8 ESCN Electrónica de Potência Transformadores 3.8.1 Ensaio em curto-circuito Este ensaio é realizado para a determinação dos elementos série do modelo do transformador. Consiste em manter os terminais do secundário em curto-circuito e, em seguida, aplicar no primário uma tensão que provoque a circulação de corrente nominal no secundário. Deve-se atentar para a tensão aplicada, já que uma tensão elevada demais provocará uma elevada corrente no enrolamento em curto, queimando o transformador. Fig.4.Circuito equivalente para o ensaio a curto-circuito. Para a realização deste ensaio, são necessários um voltímetro (V), um amperímetro (A) e um wattímetro (W), montados conforme ilustrado na figura 4.1. Fig.4.1. Montagem dos instrumentos para o ensaio em curto-circuito. Ajusta-se a fonte de tensão até obter-se corrente nominal no enrolamento secundário e , em seguida, toma-se nota da correspondente tensão aplicada Vsc. Neste situação, anota-se também, a leitura da potência Psc, feita no wattímetro (W). Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 9 ESCN Electrónica de Potência Transformadores Feitas as leituras tem-se que: De outra maneira, pode-se determinar o factor de potência (FP) Sendo: . Para determinar a resistência e a reactância de cada um dos enrolamentos, pode-se assumir que: R1 = R’2 = 0.5 Req, X1 = X’2 = 0.5 Xeq. 3.8.2 Ensaio em aberto O ensaio de circuito aberto é realizado aplicando-se tensão nominal ao enrolamento primário enquanto abertos os terminais secundários. Fig.5.Circuito equivalente para o ensaio em aberto. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 10 ESCN Electrónica de Potência Transformadores Da mesma forma que o ensaio de curto-circuito, para a realização do ensaio de circuito aberto, são necessários um voltímetro (V), um amperímetro (A) e um wattímetro (W), que são montados no circuito conforme ilustrado na fig. 5.1. Fig.5.1. Montagens dos instrumentos para o ensaio em aberto. Ajusta-se a fonte de tensão para a tensão nominal do enrolamento a ser testado. Se o transformador for operar em uma tensão diferente da nominal, então essa será a tensão Voc a ser utilizada durante o teste. Durante o teste os instrumentos permitem aferir a tensão Voc aplicada, a corrente Ioc drenada e a potência Poc fornecida ao transformador. Com esses dados, calcula-se: Sendo Gm e Bm, condutância e susceptância repectivamente, são dados por: Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 11 ESCN Electrónica de Potência Transformadores Admitância equivalente Yeq, pode ser obtida somando directamente as admitâncias Gm e Bm : O factor de potência e o respectivo angulo é dado por: 3.9 Rendimento O rendimento do transformador é a razão entre a potência activa entregue `a carga e a potência activa total entregue ao transformador pela fonte. Assim pode-se calcular o rendimento: Onde “perdas [kW]”, deve contemplar as perdas do transformador em vazio e sob carga. 4 Simbologia Tabela de alguns símbolos comumente usados em diagramas eléctricos electrónicos. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 12 ESCN 5 Electrónica de Potência Transformadores Conclusão Findo o trabalho é possível concluir que os transformadores são equipamentos essenciais para qualquer sistema eléctrico onde seja necessário a interligação de subsistemas com diferentes níveis de tensão. Por sua importância , é necessário que a aplicação destes equipamentos sejam feitas de forma correcta, minimizando ou eliminando, assim perdas financeiras e riscos às instalações e à vida humana. Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 13 ESCN 6 Electrónica de Potência Transformadores Anexos Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 14 ESCN 7 Electrónica de Potência Transformadores Bibliografia  http://www.sigmatransformadores.com.br/o-transformador/  http://www.infoescola.com/eletricidade/transformadores/  https://www.youtube.com/watch?v=GObV4MMO0io  http://www.weg.net/br/Produtos-e-Servicos/Geracao-Transmissao-e-Distribuicao-deEnergia/Transformadores  http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/InducaoMagnetica/transformad ores.php  https://www.google.co.mz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=10&cad=rja&u act=8&sqi=2&ved=0CEoQFjAJ&url=http%3A%2F%2Fwww.sofisica.com.br%2Fconteu dos%2FEletromagnetismo%2FInducaoMagnetica%2Ftransformadores.php&ei=lG8AVY ujNdHPaMHBgKAN&usg=AFQjCNGHMV_ijCM7b1kfNB7LLPHGQgSusA&sig2=bY _VUu6WasEdqVck5jNsyQ&bvm=bv.87611401,d.d2s  http://minerva.ufpel.edu.br/~egcneves/biblioteca/caderno_elet/cap_08.pdf  https://www.youtube.com/watch?v=PKcFkkdddhk  https://www.youtube.com/watch?v=gIx1nd_yL-E Paulo P. Ubisse – Vânia H. Brito 15