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Trabalho final da Disciplina da maquinas elétricas, que consiste na montagem de um tansformador monofasico.
Tipologia: Provas
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Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas – ICEA Departamento de Engenharia Elétrica CEA550 - Máquinas Elétricas I
Alunos: Marina Torres Silva Vanessa Cecília da Silva
Professor: Juan Carlos Galvis Manso
Agosto/
Transformadores de potência são equipamentos eletromagnéticos que possuem como característica a transmissão eletromagnética de potência. Deste modo, um transformador real pode transferir uma determinada quantidade de potência de uma fonte a uma carga sem que estas duas trabalhem necessariamente sobre o mesmo nível de tensão, além de isolar eletricamente a fonte e carga. Devido a essa propriedade, os transformadores são equipamentos indispensáveis em sistemas de potência, circuitos eletrônicos, sistemas de telecomunicações, entre outros.
O princípio de funcionamento de um transformador é baseado nas leis de Faraday e de Ampere. A Lei de Faraday relaciona um campo magnético variante à uma força eletromotriz, que por sua vez irá gerar uma corrente em um circuito fechado. Já a Lei de Ampere relaciona uma corrente em um condutor à circulação de um campo magnético. As leis supramencionadas são descritas matematicamente pelas equações:
− ∫ 𝜕𝐵̅𝜕𝑡 𝑑𝑆̅ = 𝑓. 𝑒. 𝑚. (Lei de Faraday)
∫ 𝐻̅ ⋅ 𝑑𝑙̅ = 𝐼𝑒𝑛𝑣 = 𝑁𝐼^ (Lei de Ampere) Um transformador é representado esquematicamente como o elemento visto na figura 1. Uma tensão Ep aplicada nos terminais do primário irá gerar uma corrente que, por sua vez, irá gerar um campo magnético no interior das espiras (lei de Ampere) N 1 , ou seja, no núcleo do transformador. Como a tensão é senoidal, a corrente gerada será variante no tempo, e por consequência o campo magnético também o será. Esta variação de campo magnético presente no interior do núcleo gerará uma força eletromotriz nos terminais do secundário (Lei de Faraday), entregando uma tensão Es à uma carga que esteja acoplada a este lado.
Figura 1: Esquema de um transformador monofásico
O núcleo de um transformador deve ser constituído de material magnético de alta permeabilidade magnética, de modo a permitir a passagem de fluxo sem que ocorram grandes perdas, uma vez que o fluxo estará quase que inteiramente confinado dentro do material. Apesar de existirem núcleos maciços, os núcleos laminados são os mais utilizados, uma vez que os espaços existentes entre uma chapa e outra reduzem as correntes de Foucault, ou correntes parasitas. Os materiais magnéticos possuem os chamados domínios magnéticos, que se alinham na presença de um campo magnético. Porém, como o material não tem memória, os domínios de desmagnetizam de forma diferente que se magnetizam, de forma que após encerrar a fonte de magnetização, ainda haverão alguns domínios magnetizados. Esse efeito é chamado de histerese.
Os transformadores reais apresentam perdas durante o processo de transformação de energia. Essas perdas podem ocorrer no núcleo, devido as correntes de Foucault e a histerese, ou no cobre, devido à impedância do material. Essas perdas de potência podem se manifestar por meio de perdas térmicas, levando ao aquecimento do material.
Os transformadores podem ser classificados de acordo com as sua construção física, sendo que são amplamente usados os três seguintes tipos: transformadores monofásicos, que operam com apenas uma fase em seu primário e uma fase em seu secundário; transformadores trifásicos, que operam com três fases no primário e três fases no secundário; autotransformadores, que possui o seu lado primário e secundário eletricamente acoplados. Cada transformador possui sua característica e propriedade, que deve ser cuidadosamente escolhida levando em consideração a sua função, o tipo de circuito onde está sendo ligado e custo.
Para iniciar o projeto do transformador monofásico, o primeiro passo foi a obtenção do núcleo. Visando a construção de um transformador de baixo custo, obteve- se um transformador sucatado encontrado na Oficina da UFOP, e os dados deste núcleo foram utilizados para calcular os outros parâmetros do transformador, conforme será descrito na sessão “Cálculos e Dimensionamentos”.
3.1. Desmontagem A desmontagem do transformador iniciou com a retirada dos parafusos dos suportes de fixação, seguido da desmontagem das lâminas e remoção do carretel, conforme figura 2. O carretel se encontrava um pouco danificado, e faltavam alguns parafusos e um suporte de fixação, que foram repostos na montagem do novo transformador. Esta etapa exigiu extremo cuidado ao retirar as lâminas, que estavam aderidas uma as outras, uma vez que lâminas danificadas poderiam causar perdas no novo transformador.
Figura 2: Transformador desmontado
3.2. Dimensionamento do Transformador As lâminas que compõem o núcleo, já separas, foram fisicamente medidas, de forma a obter as dimensões, em milímetros, descritas na figura 3. Haviam 50 laminas “E” e 48 lâminas “I” que estavam em condições de uso.
Por suas características, determinou-se que a relação de 127V/15V, núcleo envolvente, poderia ser viável para a construção do transformador, e a partir destes valores prosseguiram-se os cálculos matemáticos. Para tal, utilizou-se o roteiro sugerido por Martignoni em seu livro “Transformadores”.
Figura 3: Dimensões das lâminas E e I do núcleo obtido
3.2.1. Cálculos Como a tensão primária e secundária já foram determinadas, é necessário determinar a potência do transformador, e a partir dela determinar as correntes nominais do primário e secundário. A potência do secundário é determinada em função da área magnética efetiva do núcleo. A área magnética é a verdadeira seção de ferro, que efetivamente contribuirá para a formação do fluxo magnético. Esta área é menor que a área do material, uma vez que este também é composto de materiais isolantes, aproximando-se essa perda a cerca de 10% da área geométrica.
𝑃 2 = 92,436 𝑊 O transformador terá perdas de potência no núcleo e nos enrolamentos. As perdas reais serão determinados posteriormente a partir ensaios de curto circuito e circuito aberto, porém, para efeitos de cálculo, as perdas serão estimadas em 10%.
𝑃 1 = 𝑃 2 + 𝑃 2 ∗ 10% 𝑃 1 = 1,1 ∗ 𝑃 2 𝑃 1 = 101,68 𝑊 O cálculo da corrente nominal, que é dada pela razão da potência pela tensão no referido lado, é necessário para determinar a bitola dos enrolamentos de cada lado do transformador. Logo, para o lado de alta tensão:
𝐼 1 = 𝑃 𝑉^11 = 101,68 𝑊127 𝑉 = 0,800 𝐴
Para o lado de baixa tensão:
𝐼 2 = 𝑃 𝑉^22 = 92,436 𝑊15 𝑉 = 6,162 𝐴
A corrente nominal é usada para calcular a secção dos enrolamentos do primário e secundário. Para este passo, MARTIGNONI (1991) recomenda fixar os valores de densidade de corrente de acordo com a potência transmitida pelo transformador, como visto na tabela 1.
Tabela 1: Relação entre densidades de corrente e potência aparente do transformador Potência (VA) Densidade de corrente (A/mm²) Até 500 3 500 a 1000 2, 1000 a 3000 2
Essa padronização se dá para manter o equilibro entre o volume dos enrolamentos e a corrente máxima que passa por eles, uma vez que densidades altas de corrente levam a um aumento de temperatura dos condutores, que pode levar perdas no cobre. Além disso, quanto maior o volume, maior a dificuldade de irradiação do calor.
A corrente e a densidade de corrente estão relacionadas pela fórmula: 𝐼 = 𝐽. 𝐴
em que A é a área transversal do condutor. Logo, para o enrolamento de 127V, a secção do fio é:
𝐴𝑐1 = 𝐼 𝐽^11 = (^) 3 𝐴/𝑚𝑚0,800 𝐴 2 = 0,2667 𝑚𝑚^2
A secção do enrolamento de 15V é:
𝐴𝑐2 = 𝐼 𝐽^22 = (^) 3 𝐴/𝑚𝑚6,162 𝐴 2 = 2,0554 𝑚𝑚^2
A tabela de “Fios de cobre esmaltado AWG”, disponível no Anexo 1 fornece a bitola adequada. Para o enrolamento de alta tensão a área mínima do condutor deve ser 0,2667mm², logo o fio mais adequado seria o AWG22, cuja secção é de 0,322mm². Para o enrolamento de baixa tensão a área mínima do condutor deve ser 2,0555mm², logo o condutor mais adequado é o AWG14, com 2,09mm² de área transversal.
Por fim, calcula-se o número de espiras para o primário e secundário, que pode ser obtido através da relação:
𝜙 = 𝐵𝑚𝐴𝑚 = (^) √2𝜋𝑓𝑁𝑉𝑒𝑓
𝑁 = (^) √2𝜋𝑓𝐵𝑉𝑒𝑓 𝑚𝐴𝑚
Em que 𝜙 é o fluxo magnético, Am é a área da seção magnética em m² e Bm é a densidade de campo elétrico máxima do núcleo, em Tesla. Para lâminas de ferro silício, o valor recomendado para Bm é 1,13T. Logo, para o enrolamento de 127V:
𝑁 1 = (^) √2𝜋 ∗ 60 ∗ 1,13 ∗ 9,32. 10^127 −4 = 452,8 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 = 453 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠
E para o enrolamento de 15V, o número de espiras é:
𝑁 2 = (^) √2𝜋 ∗ 60 ∗ 1,13 ∗ 9,32. 10^15 −4 = 53,43 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 = 53 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠
Para este transformador, a relação de tensão por espira é:
𝑉/𝑒 1 = (^) 53 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 15 𝑉 = 0,28 𝑉/𝑒
𝑉/𝑒 2 = (^) 453 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 127 𝑉 = 0,28 𝑉/𝑒
localizada em uma de suas extremidades, enquanto dotada de um contador analógico, que permitia ao seu usuário acompanhar o número de espiras já enroladas.
Figura 5: Bobinadeira já com o carretel O carretel encontrava-se um pouco danificado em suas extremidades, por isso a equipe da AFERE montou uma estrutura temporária que permitiria o a confecção do enrolamento sem que as espiras saíssem do lugar nos lados que estavam quebrados.
O processo de enrolamento exigiu bastante cuidado e atenção, pois os fios devem ficar bem próximos e não pode haver sobreposição de fios ou espaços vazios.
O enrolamento do lado de 120V, com fio AWG22, foi o primeiro a ser enrolado, uma vez que a recomendação é que o fio com a menor seção reta esteja mais próximo ao carretel, por questão de acomodação física das espiras. Ao final da contagem de espiras, a ponta do condutor foi presa no carretel, de moto a deixar a ponta acessível para ser soldada nos bornes.
Figura 6: Montagem dos enrolamentos de alta tensão finalizados
Uma vez montado o enrolamento de alta tensão, isolou-se as bobinas utilizando papel nomex, objetivando aumentar o isolamento entre os enrolamentos de alta e de baixa tensão, uma vez que este vai dificultar o contato físico entre eles.
Iniciou-se então o enrolamento das espiras no lado de baixa tensão. Pelo fato do fio AWG14 ser mais grosso, o processo e acomodação dos fios foi mais fácil e mais rápido que o lado de alta, apesar o condutor ser mais rígido que o AWG22. O processo seguido é o mesmo feito ao enrolar as espiras do condutor de 127V. Após o enrolamento das 53 espiras, mais uma vez as pontas do condutor foram pressas ao carretel de modo a permitir a soldagem em bornes. Tomou-se cuidado em isolar bem a parte do fio em que foi necessário fazer o retorno para a extremidade do carretel, pois por estar dobrada em ângulo acentuado, acaba gerando um ponto em que há um aumento de temperatura, comprometendo o isolamento. Para mitigar este problema, bastou isolar, utilizando o papel nomex, o ponto de dobra.
Uma vez terminados os enrolamentos, o exterior das bobinas foi novamente isolado com papel nomex, envolto em tecido isolante e envernizado. Com isso encerrou- se o enrolamento das bobinas.
Figura 7: Carretel bobinado e isolado Foi mencionado no início que o carretel encontrava-se danificado e estava preso na bobinadeira por meio de uma estrutura temporária. Após a montagem dos enrolamentos, a estrutura temporária foi presa de forma permanente ao carretel original. Embora este passo não seja necessário para o funcionamento do transformador, já que as bobinas estavam fixadas no lugar por meio de verniz, ela melhoraria o aspecto estético do transformador. O material utilizado para substituir a parte quebrada foi o TVE.
Figura 10: Montagem das lâminas E
Figura 11: Processo de montagem das lâminas E Uma vez colocadas as lâminas E, é necessário colocar as Lâminas I nos espaços entre as lâminas E. Como as lâminas e o espaço entre elas é muito fino, foi necessário tomar muito cuidado para não dispor as lâminas de forma errada, saltando um vão ou colocando duas lâminas em um único vão. Algumas vezes foi necessário ajustar o alinhamento das lâminas I com um martelo de resina, batendo delicadamente para não danificar o material.
Figura 12: Montagem das lâminas I Os senhores Felipe e Edebrano providenciaram uma base de madeira e TVE, que permitiu a fixação do transformador através de suportes metálicos de fixação. Os fios do primário e secundário foram isolados e conectados aos bornes, que foram então fixados na placa de TVE.
Figura 13: Finalização da montagem do transformador e fixação dos bornes
Figura 15: Segunda leitura da relação de transformação Os resultados obtidos no transformador podem ser vistos nas figuras acima, e estão dispostas na abaixo:
Tabela 2: Tensões obtidas no ensaio de Relação de tensão Lado AT Lado BT Leitura 1 126,8 V 15, 04 V Leitura 2 127 ,2 V 1 5,09 V Média 127 V 15,0 5 V
Desta forma, a relação de tensão do transformador 127V/15V
4.2. Resistencia de isolamento O ensaio de resistência de isolamento é o teste que verifica o isolamento do dos enrolamentos do transformador, e é feito utilizando o megôhmetro. Este instrumento possui três terminais: Um terminal linha (vermelho), que envia a tensão, um terra (preto) que recebe a tensão e um guarda (verde), que irá evitar que as leituras sofram influencias não desejáveis.
Este instrumento fornece tensão em corrente contínua elevada a baixas correntes, e verifica o fluxo de corrente de fuga entre duas partes do equipamento, no caso do transformador entre enrolamento primário e secundário, entre enrolamentos e carcaça. A corrente de fuga, ou corrente de dispersão, é uma componente que flui pela superfície e
interior da massa de um dielétrico, entre condutores ou de um condutor para a terra, e é invariante no tempo.
A norma NBR5380 sugere que o teste seja feito com tensão mínima de 1000V para tensões menores que 72,5 KV. Porém, como esta norma está voltada para transformadores de potência elevada, o teste foi adaptado para uma tensão de 500 V, que é a mínima do megôhmetro disponível para teste. O próximo passo do procedimento seria curto-circuitar os terminais de um mesmo enrolamento para melhorar a distribuição do potencial. O megôhmetro então é ligado e mantido em tensão constante por, no mínimo, um minuto para obter a resistência de isolamento. Para um transformador monofásico de dois enrolamentos, as medições devem ser feitas seguindo orientações na figura 16.
Figura 16: Ligações para teste de resistência de isolamento de transformador Para o transformador construído, obteve-se as seguintes leituras: Tabela 3: Valores obtidos no teste de resistência de isolamento Isolamento Valor Entre BT – Carcaça 67,6 GΩ Entre AT – Carcaça (^) 47,5 GΩ Entre AT e BT (^) 187 GΩ
