Ensaio rendimento trafo

Ensaio para determinação do rendimento e regulação de um transformador trifásico

1- Objetivo

Este ensaio tem por finalidade verificar o rendimento e a regulação de um transformador através da variação da carga conectada nos terminais do secundário.

2- Introdução Teórica

O grande número de transformadores presentes numa rede elétrica (desde a geração até o ponto de utilização da energia elétrica) determina que os mesmos devam, se possível, apresentar rendimentos próximos ao valor 100%.

De fato, os esforços do passado tanto no que se refere a materiais como projeto e construção, resultaram em dispositivos atuais que apresentam rendimentos próximos a 98 ou 99%.

Adicionalmente, há ainda a se considerar dois tipos de aplicações:

I – Trafo de Distribuição (potência nominal até em torno de 500 KVA)

Observamos que o transformador de distribuição opera a maior parte do dia com aproximadamente 50% de sua potência nominal e somente na faixa de tempo compreendida entre 17 e 22 horas opera à plena carga.

II – Trafo de Força (potência nominal maior que 500 KVA)

O transformador de força opera 24 horas à plena carga.

Laboratório de Transformadores


Estas características operacionais distintas implicam diferentes critérios de projeto para os dois tipos de transformadores. Enquanto que para o primeiro é interessante que o rendimento máximo ocorra para, talvez, 40% Sn; o caso do trafo de força impõe que o rendimento máximo deve ocorrer em torno de Sn.

Um problema de grande importância operacional está vinculado com a variação da tensão secundária (V2) com a carga. Esta variação define a regulação de um trafo e mede a variação da tensão em relação à tensão secundária a vazio (E2).

A regulação positiva determina uma redução da magnitude de V2 em relação a E2, e o fenômeno está associado ao suprimento de cargas indutivas ou fracamente capacitivas. No caso de uma carga fortemente capacitiva podemos ter uma regulação negativa e neste caso V2

> E2.

2.1– Rendimento

Durante a operação de um transformador, a transferência de energia elétrica do primário para o secundário se faz acompanhada de perdas, ou seja, a potência útil no secundário é menor que no primário. Essas perdas se manifestam sob a forma de calor e tem origem tanto nos enrolamentos (Perdas Joule), como no material do núcleo magnético (histerese e Foucault). Define-se rendimento como sendo a relação entre a potência ativa de saída (secundário) e a potência ativa de entrada (primário).

Matematicamente, o rendimento é expresso por:

É importante determinar o ponto de operação do transformador no qual ocorre o rendimento máximo. Tal ponto, estabelecido no projeto, é função das perdas no trafo e é dado por:

onde:

= fator de carga; sendo I2n a corrente nominal para o secundário do transformador.

Po = perdas no núcleoPjn = perda joule nominal

Graficamente, temos o seguinte:



De acordo com a ABNT, o rendimento nominal de um transformador é calculado ou medido sob as seguintes condições:

Tensão nominal (Vn) Corrente nominal (In) Fator de potência da carga unitário (cos c = 1)

2.2– Regulação

Entendendo o transformador como uma impedância série entre fonte e carga, verifica-se que a circulação de corrente sobre esta impedância levará a uma queda de tensão (V). Define-se a regulação de tensão para transformadores como sendo a variação da tensão nos terminais do secundário, quando a este é conectada uma carga. Como transformador a vazio, no secundário tem-se E2, que passa para um valor V2 ao se ligar uma carga. Se a variação é pequena diz-se que a regulação é boa.

A regulação de tensão é expressa por:

E pode também ser dada por:

Reg% = R% . cos c . fc + X% . sen c . fc

onde:

R% = resistência percentualX% = reatância percentualcos c = fator de potência da carga

fc = fator de carga =



3- Preparação

3.1- Equipamento

Será utilizado, para a realização do ensaio, um transformador trifásico com as seguintes características:

Potência nominal (Pn): 1.5KVAFrequência (f): 60HzTensão (AT): 220Volts Ligação: YTensão (BT): 110Volts Ligação: Y

Preparar portanto o seguinte material: 1 transformador trifásico; 3 amperímetros com escalas apropriadas; 2 voltímetros com escalas apropriadas; 4 wattímetros de escalas apropriadas; 1 varivolt trifásico.

3.2- Material

Fios para ligação;

3.3- Segurança

Ligar o transformador com carga conectada ao secundário; Observar as escalas do amperímetro e do voltímetro para verificar se estão

adequadas aos valores de corrente e tensão; Aumentar a tensão no varivolt gradativamente até a obtermos corrente

nominal; Verificar a tensão de alimentação dos equipamentos; Cuidado ao manusear os fios para não provocar nenhum curto-circuito.

4- Experiência Prática

4.1- Esquema de ligação

Ligar o transformador de acordo com o esquema a seguir:

4.2- Dados coletados



I2

[A]V1

[V]I1

[A]V2

[V]W1

[W]W2

[W]P1

[W]W3

[W]W4

[W]P2

[W]Reg[%]

[%]

1,3 220 0,8 105,84 250 50 300 120 125 245 3,93046107 81,66671,8 220 1,0 104,24 300 80 380 170 160 330 5,5257099 86,84212,5 220 1,4 102 320 150 470 240 220 460 7,84313725 97,87233,0 220 1,6 100,4 340 210 550 200 290 490 9,56175299 89,09093,7 220 2,0 98,16 490 260 750 360 350 710 12,0619397 94,6667

Para os cálculos de P1, P2, Reg, e , utilizou-se as seguintes fórmulas:

Potência de entrada; Potência de saída;

E2 = Tensão a vazio = 110V

5- Discussões

Com os dados da tabela acima podemos traçar os gráficos % x I2 e % x fc.

De acordo com o gráfico acima podemos definir o transformador como sendo de distribuição, já que ele possui seu rendimento máximo em torno de 50% da carga.

Supondo um transformador com os dados representados na tabela abaixo, podemos traçar sua curva de carga diária e calcular o rendimento médio diário em energia fornecida pelo transformador pela fórmula:

Período Hs fc fp Pj Epc P0 Epf Eu

00-06 6 0,2 0,90 73,32 439,92 440 2640 162000



06-09 3 0,5 0,88 458,25 1374,75 440 1320 19800009-11 2 0,7 0,94 898,17 1796,34 440 880 19740011-13 2 0,5 0,92 458,25 916,5 440 880 13800013-16 3 0,8 0,95 1173,12 3519,36 440 1320 34200016-20 4 1,2 0,93 2639,52 10558,08 440 1760 66960020-24 4 0,2 0,90 73,32 293,28 440 1760 108000Totais 24 - - - 18898,23 - 10560 1815000

Os valores de X2 e R2 foram previamente determinados no ensaio em curto-circuito do transformador em questão, sendo eles: R2 = 0,2 e X2 = 2,6.

Com esses valores podemos calcular a regulação pelos métodos analítico e gráfico.

Método analítico

Método gráfico

O método gráfico para determinação da regulação do transformador é chamado diagrama de Kapp e está representado abaixo de maneira simplificada.



6- Conclusão

Os transformadores são máquinas elétricas estáticas, cujo rendimento é bastante alto, se comparado com as demais máquinas elétricas rotativas, motores e geradores, já que não apresentam perdas mecânicas por atrito e ventilação.

Os transformadores usados nos circuitos de distribuição, isto é, aqueles que alimentam diretamente os consumidores com a tensão de consumo, apresentam um ciclo de carga bastante variável, trabalhando a maior parte do dia à meia carga, portanto tendo seu rendimento máximo caracterizado quando ele está com 50% da carga.

Os transformadores ditos de força possuem um ciclo de carga pouco variável e, portanto são projetados para ter seu melhor rendimento para cargas próximas da sua potência nominal.

A melhor regulação se dá quando o ângulo (i - c) for igual a 90º. Nesse caso a carga é de natureza capacitiva. A pior regulação ocorre para cargas cujo ângulo (i - c) for igual a 0º

7- Referências Bibliográficas

AGUIAR, Adalton Lima de; CAMACHO, José Roberto - “Apostila de Laboratório de Transformadores” – UFU – Março de 2000;

CAMACHO, José Roberto – “Tratado sobre Transformadores de Potência” – UFU – Março de 2000;

PEREIRA, Renato Alves; DELAIBA, Antônio Carlos – “Apostila de Conversão de Energia – UFU – Fevereiro de 2001.


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