I. TÍTULO: TRANSFORMADOR MONOFÁSICO
II. OBJETIVO: O objetivo desta experiência consiste na verificação prática das relações fundamentais de um transformador monofásico didático analisado nas condições em vazio e em carga e avaliação de seu rendimento em diversas situações de carga.
III. INTRODUÇÃO:
O transformador pode ser definido como sendo uma máquina elétrica estacionária que converte energia elétrica em energia elétrica.
Existem vários tipos de transformadores, temos os transformadores utilizados nos sistemas de geração e transmissão de energia seja para elevar a tensão nas estações geradoras seja abaixando a tensão, próximo aos centros de consumo. Teremos os transformadores das redes de distribuição que, nos centros urbanos abaixam a tensão para que a energia possa ser utilizada pelos consumidores.
Temos também transformadores usados em fontes de alimentação de receptores de rádio e TV, em instrumentos de medida, regulando e estabilizando a tensão (Auto Transformadores).
Nos sistemas de comunicação os transformadores são utilizados em linhas telefônicas, em circuitos de controle e em circuitos de áudio, vídeo e rádio freqüência.
Em sua forma mais simples podemos dizer que o transformador monofásico é constituído por duas bobinas enroladas sobre um núcleo magnético. (figura 1).
BOBINA PRIMÁRIA BOBINA SECUNDÁRIA NÚCLEO FERROMAGNÉTICO N1 N2 figura 1
O núcleo magnético é constituído por um agrupamento de chapas de aço silício de forma a permitir, com a menor perda possível a passagem do fluxo magnético.
O enrolamento (bobina) que irá receber a energia será chamado de “primário” e o enrolamento onde se irá retirar a energia transformada será chamado de “secundário”.
Vamos considerar para efeito de análise um transformador com o enrolamento primário de N1 espiras e um enrolamento secundário de N2 espiras (conforme figura 2).
ϕ(t) e2(t) v (t)1 i (t)1 CARGA N1 N2 e (t)1 i (t)2 ϕ(t) v2(t) figura 2
Vamos supor também que este transformador é ideal de tal forma que as resistências elétricas dos enrolamentos são desprezíveis, todo fluxo magnético ϕ(t) está confinado ao núcleo e se concatena com ambos os enrolamentos, as perdas no núcleo são desprezíveis e que uma
corrente de excitação praticamente desprezível é necessária para estabelecer o fluxo magnético (transformador monofásico ideal).
Quando uma tensão variável v1(t) á aplicada aos terminais do primário um fluxo ϕ(t) deve ser
estabelecida no núcleo tal que a força contra eletro-motriz e1(t) iguale a tensão imposta v1(t)
tendo em vista que a resistência do enrolamento é desprezível, então:
dt (t) d . N (t) e ) t ( v1 = 1 = 1 ϕ (Lei de Faraday)
Como o fluxo magnético no núcleo também se concatena com o enrolamento secundário aparecerá neste enrolamento uma força eletro-motriz induzida e2(t), igual a tensão v2(t) nos
terminais do secundário tal que:
dt (t) d . N (t) e ) t ( v2 = 2 = 2 ϕ (Lei de Faraday)
Imediatamente, podemos escrever:
2 2 1 N N ) t ( v ) t ( v 1
Assim um transformador ideal transforma as tensões na relação direta ao número de espiras dos respectivos enrolamentos.
Considerando agora, uma carga ao secundário, então, uma corrente i2(t) de um fluxo ϕ 2(t) oposto a ϕ(t) estão presentes no secundário. A menos que este fluxo ϕ(t) seja compensado o fluxo total no núcleo será completamente modificado, modificando-se também o equilíbrio entre a tensão aplicada e força contra eletro-motriz no primário.
Deve ocorrer no primário um aumento de corrente i1(t) necessário a produzir um fluxo adicional compensador de tal forma que:
N1 . i1(t) = N2 . i2(t) (relação fundamental do transformador em carga)
É desta forma então que o primário “toma conhecimento” da presença de uma corrente elétrica no secundário, quando neste ligamos uma carga.
Por outro lado a potência complexa absorvida por uma carga se altera quando a alimentação desta carga for feita por meio de um transformador.
2 o o P P =1
VI. PARTE EXPERIMENTAL Material Utilizado:
a) Transformador monofásico didático (quatro bobinas principais e uma bobina auxiliar); b) 1 variac;
c) 2 amperímetros; d) 2 voltímetros AC; e) 2 wattímetros;
f) 1 painel com três lâmpadas;
f) fios flexíveis com pinos banana-banana;
1) Determinação do número de espiras das diversas bobinas. 1.1) Método
Utilizando a bobina auxiliar, enrolada com cabinho # 0,5mm² sobre uma das pernas do transformador, com número de espiras conhecido Na = 10 espiras.
Se fixarmos a tensão nessa bobina, onde passa o mesmo fluxo magnético que nas demais, e se medirmos com o voltímetro AC a tensão que aparece nas outras bobinas, poderemos através da relação fundamental do transformador em vazio determinar o número de espiras das demais bobinas. bobina aux bobina aux N N (t) v (t) v = 1.2) Circuito e procedimentos a) Montar o circuito da figura 3.
b) Ajustar o variac até que o voltímetro indique Vaux = 5 V.
c) Com o outro voltímetro AC medir as tensões V1-2, V3-4, V5-6 e V7-8, mantendo o variac ligado nos terminais 1-2.
R EDE MONO FÁSIC A N1-2 V1-2 N5-6 N3-4 N7-8 Naux V3-4 Vaux V5-6 V7-8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V VARIAC figura 3 (1-2) (3-4) (5-6) (7-8) V1-2 (V) V3-4 (V) V5-6 (V) V7-8 (V)
d) De posse dos valores das tensões nas bobinas determinar: N1-2, N3-4, N5-6 e N7-8
aux aux 2 -1 2 -1 V N . V N = aux aux 4 -3 4 -3 V N . V N = aux aux 6 -5 6 -5 V N . V N = aux aux 8 -7 8 -7 V N . V N =
2) Determinação da “polaridade“ das bobinas do secundário
2.1) Observação - O termo “polaridade” das bobinas é um termo usual que significa sentido de enrolamento.
Marcamos com um ponto o terminal do enrolamento por onde entra a corrente, por aplicação da regra da mão direita, se tem fluxo “saindo”.
2.2) Circuito e procedimento. a) montar o circuito da figura 4
R EDE MONO FÁSI CA N1-2 V1-2 N5-6 N3-4 N7-8 Naux V3-4 V5-6 V7-8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V VARIAC figura 4
b) Ajustar o variac até que a leitura do voltímetro AC indique V1-2 = 30 Vef. (medir entre os pontos 1 e 2 das bobinas)
c) Com o voltímetro AC meça o valor eficaz das tensões V5-6 e V7-8, respectivamente, nas bobinas (5-6) e (7-8):
d) Ligar os pontos 6 e 7 com um fio e medir com o voltímetro AC, o valor eficaz da tensão V5-8 (figura 5 ) R EDE MONO FÁSI CA N1-2 V1-2 N5-6 N3-4 N7-8 Naux V3-4 V5-6 V5-8 V7-8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 V figura 5 Podemos obter:
1º) V5-8 = V5-6 + V7-8 - isto significa que os
fluxos são para o mesmo lado, isto é, os fluxos se somam. Temos então bobinas com o mesmo sentido de enrolamento, ligadas em série fluxo concordante:
N5-6 N7-8 V5-6 V7-8 V5-8 figura 6
2º) V5-8 = V5-6 - V7-8 - isto significa que os
fluxos são oposição, isto é, se subtraem. Temos então bobinas com sentidos de enrolamentos diferentes, portanto, ligadas em série em fluxo discordante.
N5-6 N7-8 V5-6 V7-8 V5-8 figura 7 Obs.: Se a configuração obtida por série fluxo concordante manter a configuração.
Se for série fluxo discordante refazer a ligação para que se tenha configuração série fluxo concordante,
3) Verificação das Relações Fundamentais do transformador monofásicos e avaliação de rendimento em diversas situações de carga.
Circuito e procedimentos
a) Montar o circuito da figura 8 (Transformador abaixador de relação 2:1). A carga será resistiva, um conjunto de lâmpadas incandescentes de 100W de potência, com tensão nominal de 220V. N1-2 N5-6 N3-4 N7-8 1 2 3 4 5 6 7 8 REDE MONOFÁSICA REDE TRIFÁSICA V A A V V1 V2 P1 I1 0 0 A V W I2 0 0 A V W P2 L 1 L2 L3 figura 8
b) Medir para o primário e secundário, V, I e P nas seguintes condições: a) Sem lâmpada (vazio);
b) Instalar a primeira lâmpada, rosqueando no soquete; c) Idem, para a segunda lâmpada;
d) Idem, para a terceira lâmpada, mantendo as duas primeiras ligadas.
V A V1 I1 W P1 V A V2 I2 W P2 L1 L2 L3 2 : 1 Preencher a Tabela:
Carga V1(V) P1(W) I1(A) V2(V) P2(W) I2(A) η=P2/P1
Vazio (0) 220 1 lâmpada 220 2 lâmpadas 220 3 lâmpadas 220
MODALIDADE__________________________ TURNO:__________ DATA:___/___/___ NOME:_____________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:_____________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:_____________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:_____________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ NOME:_____________________________________ No. DE MATRÍCULA: _____________ 1) Como é o núcleo de um transformador?
_____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 2) O que é enrolamento (ou bobina) do primário e enrolamento (ou bobina) do secundário?
_____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 3) Qual a relação de transformação de tensão em um transformador?
_____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 4) Apresentar os valores obtidos na montagem do item 1.2 da parte experimental da apostila).
V9-10 (Vaux) V1-2 V3-4 V5-6 V7-8
V V V V V
5) Qual a quantidade de espiras no transformador ensaiado? (item 1.2 da parte experimental da apostila) Naux. = ___ espiras N1-2 = _______ N3-4 = _______ N5-6 = _______ N7-8 = _______ = aux aux 2 -1 2 -1 V N . V N = aux aux -4 3 -4 3 V N . V N = aux aux 6 -5 6 -5 V N . V N = aux aux 8 -7 8 -7 V N . V N
6) Porque é necessário saber a “polaridade” dos enrolamentos?
______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ 7) Apresentar os valores obtidos na montagem do item 3 da parte experimental na apostila.
Lâmpadas
(quantidade) V1 (V) I1 (A) V2 (V) I1 (A) P1 (W) P2 (W) 0
1 2 3
7) Qual o rendimento do transformador em cada uma das situações acima? η = P2P1
