Relatório transformadores elétricos

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Transformadores são máquinas elétricas estáticas, destinadas à transmissão de tensão por meio de indução eletromagnética. Realizam o controle do valor da tensão transmitida, aumentando, reduzindo ou mantendo-a constante, sem alterar a potência e frequência original. São constituídos de três elementos básicos: duas bobinas, que são interligadas por um material ferromagnético condutor, o qual possui núcleo com permeabilidade magnética elevada.
Utilizando os princípios da indução magnética, é possível realizar a indução de tensão entre bobinas, sem que haja contato direto entre as mesmas, por intermédio do núcleo, alterando, assim, os valores da tensão. Formalmente, essas máquinas elétricas são constituídas de um enrolamento primário (bobina primária), um enrolamento secundário (bobina secundária) e o núcleo ferromagnético. E podem ser classificadas de acordo com: a aplicação a qual se destinam; o tipo de núcleo; ou em relação ao número de fases.
Este trabalho tem por objetivo realizar a apresentação dos resultados de uma prática experimental a respeito dos transformadores abaixadores. Pretende-se com esse relatório apresentar o princípio de funcionamento dos transformadores, especialmente dos transformadores abaixadores, abordando a sua construção, e os métodos de medição dos enrolamentos e tensão destes.

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Relatório transformadores elétricos

  1. 1. DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE AUTOMAÇÃO E SISTEMAS COORDENAÇÃO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL VICTOR SAID RELATÓRIO DE PRÁTICA EXPERIMENTAL: TRANSFORMADOR ABAIXADOR Salvador 2014
  2. 2. VICTOR SAID RELATÓRIO DE PRÁTICA EXPERIMENTAL: TRANSFORMADOR ABAIXADOR Relatório de prática experimental, solicitado pelo professor Edvaldo Sobral, como requisito de avaliação parcial da I Unidade da disciplina de Eletrônica Analógica Prática, no Instituto Federal Bahia – IFBA, Câmpus Salvador. Prática realizada sob orientação do Prof. Edvaldo Sobral. Salvador 2014
  3. 3. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Esquema geral dos transformadores .........................................................5 Figura 2 – Gráfico da corrente alternada.....................................................................6 Figura 3 – Procedimento para a medição dos enrolamentos ......................................7 Figura 4 – Representação ilustrativa da medição do osciloscópio..............................9 Figura 5 – Diagrama da medição dos enrolamentos do transformador.....................11 Figura 6 – Diagrama do circuito do transformador ....................................................11
  4. 4. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................4 2 TRANSFORMADORES ...........................................................................................5 3 PRÁTICA EXPERIMENTAL ....................................................................................7 3.1 DIAGRAMA DESENVOLVIDO..............................................................................7 3.2 DIAGRAMA DE MONTAGEM .............................................................................11 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS...................................................................................12 REFERÊNCIAS.........................................................................................................12
  5. 5. 4 1 INTRODUÇÃO Transformadores são máquinas elétricas estáticas, destinadas à transmissão de tensão por meio de indução eletromagnética. Realizam o controle do valor da tensão transmitida, aumentando, reduzindo ou mantendo-a constante, sem alterar a potência e frequência original. São constituídos de três elementos básicos: duas bobinas, que são interligadas por um material ferromagnético condutor, o qual possui núcleo com permeabilidade magnética elevada. Utilizando os princípios da indução magnética, é possível realizar a indução de tensão entre bobinas, sem que haja contato direto entre as mesmas, por intermédio do núcleo, alterando, assim, os valores da tensão. Formalmente, essas máquinas elétricas são constituídas de um enrolamento primário (bobina primária), um enrolamento secundário (bobina secundária) e o núcleo ferromagnético. E podem ser classificadas de acordo com: a aplicação a qual se destinam; o tipo de núcleo; ou em relação ao número de fases. Este trabalho tem por objetivo realizar a apresentação dos resultados de uma prática experimental a respeito dos transformadores abaixadores. Pretende-se com esse relatório apresentar o princípio de funcionamento dos transformadores, especialmente dos transformadores abaixadores, abordando a sua construção, e os métodos de medição dos enrolamentos e tensão destes. A fim de fundamentar a elaboração deste relatório, as metodologias empregadas foram: a revisão bibliográfica, a qual foi realizada utilizando livros, websites, apostilas virtuais; e a prática de laboratório, que utilizou um transformador abaixador, um multímetro e osciloscópio, sendo realizada com base no roteiro da prática disponibilizado pelo docente.
  6. 6. 5 2 TRANSFORMADORES Os transformadores são responsáveis por gerar uma variação na tensão de saída, com a conservação da energia de entrada e, portanto, conservação da potência e frequência inicial; para isso, varia-se, o valor da corrente elétrica. O valor da potência é, teoricamente, conservado, contudo na prática observa-se que há perda de energia (BERTINI, 2003). Esses elementos são constituídos: de dois enrolamentos de condutores, denominados primário, aquele que recebe a tensão inicial a ser alterada, e secundário, local de saída da tensão desejada; e núcleo, que, em geral, é confeccionado de material ferromagnético ou de ar. A estrutura genérica dos transformadores é apresentada na Figura 1. Figura 1 – Esquema geral dos transformadores Fonte: Adaptações de PETRY, 2007. Os transformadores utilizam como princípio de funcionamento eletromagnetismo, portanto, a associação da Lei de Faraday e Lei de Lenz. A Lei de Faraday é a lei física desenvolvida por Michael Faraday, em 1831, que afirma, de acordo com Kosow (1982): “o valor da tensão induzida em uma simples espira de fio é proporcional à razão de variação das linhas de força que passam através daquela espira (ou se concatenam com ela)”. Portanto, a variação do campo magnético induz tensão em um condutor. O fenômeno descoberto por Fadaray recebeu o nome de indução eletromagnética, e teve seu enunciado completo por Lenz. De acordo com Kosow (1982), a tensão induzida desencadeará, em circuitos fechados, a formação de corrente elétrica, que circulará “num sentido tal que seu efeito magnético se oponha à variação que a produziu”.
  7. 7. 6 Os transformadores funcionam a partir da indução mútua entre bobinas. Em geral, transformadores trabalham com corrente e tensão alternadas. Continuamente a tensão alternada, V1, é inserida no primário, que gera uma tensão induzida no secundário, V2. Em transformadores ideais existe uma relação entre as grandezas tensão (V), corrente (I) e número de espiras (N) do primário (1) e secundário (2), como representado na equação 1. V1 V2 = N1 N2 = I2 I1 (1) Por transformadores lidarem com corrente alternada, há algumas propriedades físicas específicas desse tipo de corrente que devem ser apresentadas. Inicialmente, salienta-se que o gráfico da corrente alternada possui natureza senoidal, alterna-se periodicamente ao decorrer do tempo e possui como unidade de medida ampère [A] apresentado na Figura 2. Figura 2 – Gráfico da corrente alternada Fonte: Regô, 2013. Como apresentado no gráfico, existem três tipos de tensão: a tensão eficaz (rms), equação 2, tensão comercial cuja potência é a mesma, seja corrente alternada ou contínua; tensão máxima ou tensão de pico, é a máxima tensão alcançada pelo circuito; apresenta-se, ainda, a tensão média, não abordada nesse trabalho. Há ainda a tensão de pico à pico, equação 3. A unidade de tensão: volt [V]. 𝑉𝑟 𝑚𝑠 = 1 √2 𝑉𝑚 𝑎𝑥 (2) 𝑉𝑃𝑃 = 2𝑉𝑚 𝑎𝑥 (3) No contexto da prática realizada, a resistência elétrica das bobinas primária e secundária chamar-se-ão de enrolamentos do transformador, sendo medida em ohm [Ω]. Na prática, foi utilizado um transformador abaixador, que possui como principal característica a geração de uma redução na tensão de saída do secundário.
  8. 8. 7 3 PRÁTICA EXPERIMENTAL O procedimento experimental com transformadores, foi iniciado com a entrega e leitura do roteiro para as equipes, pelo orientador do experimento o professor Edvaldo Sobral. A prática procedeu-se em grupo, de quatro pessoas, que foram os responsáveis por realizar a montagem do circuito, medição e coleta de dados do experimento. A equipe recebeu o material necessário para realizar a prática, na situação, foram entregues: multímetro digital, transformador abaixador, e tomada. Após isso, iniciou-se o procedimento experimental. 3.1 DIAGRAMA DESENVOLVIDO Na primeira etapa foi realizada a medição dos enrolamentos do transformador com o multímetro digital. A medição do enrolamento foi feita do seguinte modo: ajustou-se a medição do multímetro digital, por meio do ajuste da chave central, para a medição de resistência, em ohm; conectou-se as pontas de prova do multímetro nas conexões entre extremos, e a partir do center tape com os extremos do transformador, tanto no primário, quanto no secundário. O procedimento é apresentado na Figura 3. Figura 3 – Procedimento para a medição dos enrolamentos Fonte: Autoria própria.
  9. 9. 8 A partir dessa medição foi possível realizar a medição da resistência ôhmica do transformador em suas duas faces, primário e secundário. A Tabela 1 apresenta os dados experimentais coletados, relacionando primário e secundário, com ou sem a utilização do center tape. Tabela 1 – Resistência elétrica medida no transformador Bobina Tipo de ligação Resistência medida [Ω] Primário Extremo a Extremo 307 Center tape ao extremo 1 212 Center tape ao extremo 2 117 Secundário Extremo a Extremo 0,06 Center tape ao extremo 1 0,02 Center tape ao extremo 2 0,04 Fonte: Autoria própria. A partir dos dados coletados, pode-se verificar quais das duas faces do transformador eram a primária e secundária. Por se tratar de um transformador abaixador, o número de espiras, e, portanto, o valor da resistência no primário é maior; enquanto no secundário a resistência é menor. Com base na medição foi possível efetuar uma comparação entre os valores das resistências medidos, e apresentados na Tabela 1, identificando cada uma das faces do transformador. No caso do transformador utilizado, ambas as faces possuíam center tape, que consiste em um fio de referência do transformador, que possibilita alternar o valor da entrada ou saída da tensão, a partir do rearranjo estrutural do mesmo. A forma como o circuito é ligado, o que pode vir a utilizar o center tape ou não, possibilita utilizar uma tensão x ou 2x. O procedimento solicita que na próxima etapa do relatório o circuito do transformador seja apresentado. Entretanto, devido ao fato do orientador do experimento solicitar, que este último seja apresentado no próximo tópico, diagrama desenvolvido, efetuar-se-á como solicitado em classe pelo professor da prática. Após a conclusão da etapa anterior, realizou-se a medição da tensão no secundário do transformador, com osciloscópio, utilizando uma fonte de tensão de 110 V e 60 Hz. A medição da tensão foi realizada de dois modos: de extremo à extremo; e do extremo ao center tape. Para realizar essa medição, inicialmente montou-se o circuito do transformador, alimentando-o com a tensão da rede comercial. A conexão do
  10. 10. 9 transformador com a fonte de alimentação foi possível devido à conexão dos fios do primário (de extremo á extremo) com um plug de tomada padrão da rede elétrica, que foi ligado à última. Após esse procedimento conectou-se as pontas de prova do osciloscópio na seguinte ordem: inicialmente, de extremo à extremo; após, do center tape ao extremo 1; por fim, do center tape ao extremo dois. A Figura 4 apresenta uma representação meramente ilustrativa do funcionamento do osciloscópio. Figura 4 – Representação ilustrativa da medição do osciloscópio Fonte: Autoria própria. Após a realização da medição da tensão de saída do secundário com a utilização do osciloscópio, realizou-se nova medição da tensão, entretanto utilizando um multímetro digital. A Tabela 2 apresenta os valores obtidos com ambos os instrumentos. Salienta-se que na indicação do multímetro, faz-se necessário apresentar tanto os valores de tensão rms, que são medidos pelos mesmos, quanto os valores de pico e pico a pico, alcançados através da equação 3. E no caso do osciloscópio, apresenta-se os valores de pico e de pico a pico que são medidos pelos mesmos, e o valor rms, que é alcançado através de manipulação matemática e substituição na equação 2.
  11. 11. 10 Tabela 2 – Tensão elétrica medida no secundário do transformador Instrumento Tipo de Ligação Tensão Tensão medida [V] Multímetro Extremo a Extremo Vrms 15,7 VPP 22,2 Center tape ao Extremo 1 Vrms 7,6 VP 10,8 Center tape ao Extremo 2 Vrms 7,6 VP 10,8 Osciloscópio Extremo a Extremo VPP 22,0 Vrms 15,6 Center tape ao Extremo 1 VP 11,0 Vrms 7,8 Center tape ao Extremo 2 VP 11,0 Vrms 7,8 Fonte: Autoria própria. Analisando os resultados alcançados com a medição da tensão no secundário do transformador, observar-se que há uma pequena diferença entre os resultados alcançados pelo multímetro e osciloscópio. Esse erro é um erro tolerável, com possíveis causas: perda de carga proveniente do aquecimento, da resistência, da indutância, da reatância, ou da colisão contínua entre campos magnéticos. Após essa etapa, realizou-se o cálculo da frequência da corrente elétrica. Esse cálculo foi realizado utilizando a Equação 4, tendo sido desenvolvido de acordo com os cálculos da Equação 5. Onde: f = frequência [Hz]; P = Período [s]. 𝑓 = 1 𝑃 (4) Os valores utilizados na Equação 5 foram originários do osciloscópio. Analisando a escala da base de tempo, e fazendo a leitura adequada do mesmo chegou-se aos cálculos e resultado apontado na Equação 5. O período medido no osciloscópio: P = 17∙10-³ s. 𝑓 = 1 𝑃 → 𝑓 = 1 17∙10−3 → 𝑓 = 58,82 𝐻𝑧 (5) Por fim, dando conclusão ao experimento realizado em laboratório, foi decidido pelo professor orientador da prática que a sétima etapa do roteiro acerca da medição de corrente com amperímetro, não seria realizada na ocasião. Visando possíveis acidentes, ou situações danosas aos equipamentos, optou-se por dar prosseguimento a prática posteriormente, quando os estudantes estariam habituados aos procedimentos em laboratório.
  12. 12. 11 3.2 DIAGRAMA DE MONTAGEM A Figura 5 apresenta o diagrama do circuito do transformador no momento da medição dos enrolamentos (resistência elétrica). A figura apresenta a medição sem levar em considerações todas as possibilidades, seja ela de extremo à extremo ou do center tape a ambos os extremos. Portanto, essa figura é um diagrama geral para a medição do enrolamentos. Figura 5 – Diagrama da medição dos enrolamentos do transformador Fonte: Autoria própria. A Figura 6 apresenta o circuito do transformador conectado a fonte de corrente alternada, com a tensão sendo medida por um multímetro. Figura 6 – Diagrama do circuito do transformador Fonte: Autoria própria
  13. 13. 12 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Com a prática sobre o funcionamento dos transformadores abaixadores, em corrente alternada de natureza senoidal, foi possível compreender o seu princípio de funcionamento, da indução eletromagnética; analisando o papel do número de enrolamentos no transformador, sua relação com a resistência, e seu papel junto ao secundário e primário. A detecção do secundário e primário na prática, fez-se possível em virtude da análise das resistências ôhmicas medidas. Visto que, quanto maior o número de enrolamentos, maior a resistência elétrica, e, em consequência, poder-se-ia detectar através da comparação o primário (maior resistência) e secundário (menor resistência). Efetuou-se a medida da tensão no secundário do transformador, observando- se a queda de tensão de 120 V, padrão da rede elétrica comercial/residencial. Constatou-se a queda de tensão, através da medição e comparação dos resultados entre um multímetro e osciloscópio. Conclui-se o relatório desse modo, observando que os objetivos propostos pela prática foram alcançados. Como previsto, realizou-se a medição das tensões e enrolamento, com um erro tolerável, analisando e compreendendo o diagrama do circuito, bem como os aspectos construtivos do transformador, especialmente em sua composição base, composta por primário e secundário. REFERÊNCIAS BERTINI, L. A. Transformadores: Teorias, Práticas e Dicas (para transformadores de pequena potência). São Paulo: Eltec Editora, 2003. KOSOW, I. L. Máquinas elétricas e transformadores. Tradução: Luis Felipe Daiello e Percy Antônio Soares. Porto Alegre: Globo, 1982. Tradução do original em inglês para português. PETRY, C. A. Transformadores. Florianópolis: CEFET SC, 2007. SAID, V. BARBOSA, M. LEVY, J. CABRAL, V. FERREIRA, Y. CONTREIRAS, P. XAVIER, P. Princípio de funcionamento dos transformadores elétricos. Salvador: IFBA, 2014.

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