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Transformadores de fase única

Overview

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Transformadores são máquinas elétricas estacionárias que intensificam ou descem a tensão CA. Eles são tipicamente formados de bobinas primárias e secundárias ou enrolamentos, onde a tensão na primária é intensificada para cima ou para baixo no secundário, ou o contrário. Quando uma tensão é aplicada a um dos enrolamentos e a corrente flui nesse enrolamento, o fluxo é induzido no núcleo magnético, acoplando ambos os enrolamentos. Com uma corrente CA, o fluxo CA é induzido, e sua taxa de mudança induz tensão no enrolamento secundário (lei de Faraday). A ligação de fluxo entre ambos os enrolamentos depende do número de curvas de cada enrolamento; portanto, se os enrolamentos primários tiverem mais curvas do que o enrolamento secundário, a tensão será maior no primário do que no secundário, e vice-versa.

Este experimento caracteriza um transformador de fase única ao encontrar seus parâmetros de circuito equivalente. São realizados três testes: teste de circuito aberto, teste de curto-circuito e teste dc.

Principles

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O transformador usado neste experimento é avaliado em 115 V/24 V, 100 VA. A classificação de tensão vem da capacidade do isolamento de cada enrolamento para lidar com segurança tensões específicas, enquanto a classificação VA ou potência (Watt) vem da capacidade de manuseio atual desses enrolamentos, especificamente a espessura dos fios. É importante não misturar primária e secundária com nomenclatura de alta e baixa tensão. Para este experimento, acredita-se que o lado principal tenha a classificação de 115 V, enquanto o lado secundário é avaliado em 24 V. O lado 115 V tem dois terminais rotulados IN1 e IN2, enquanto o lado secundário tem dois terminais rotulados OUT1 e OUT2.

O lado de alta tensão é comumente usado para testes de curto-circuito para obter mais resolução de tensão. Por exemplo, se um transformador for classificado para 1200 V/120 V, um curto-circuito no 120 V provavelmente tem corrente classificada fluindo com menos de 10% dos 1200 V, o que torna um auto-transformador variável 0-120 V (VARIAC) no 1200 V adequado para este teste. O lado de baixa tensão é comumente usado para testes de circuito aberto, uma vez que esta tensão é mais acessível no laboratório. Assim, essa abordagem é seguida como prática padrão neste experimento.

O teste de circuito aberto ajuda a estimar a indução mútua entre dois enrolamentos, bem como as perdas de energia do núcleo causadas pelo fluxo induzido no núcleo. O teste de curto-circuito ajuda a identificar a indutração de vazamento de ambos os enrolamentos, uma vez que a corrente máxima é desenhada no curto-circuito, e alguns fluxos vazam do núcleo ao redor dos enrolamentos. O teste DC ajuda a medir a resistência do fio de ambos os enrolamentos.

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Procedure

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1. Teste DC

  1. Ligue a fonte de alimentação DC de baixa tensão disponível no banco.
  2. Defina sua saída de tensão para 0 V e defina o limite atual para 0,8 A.
  3. Verifique duas vezes as conexões do circuito e conecte a saída de alimentação através dos enrolamentos laterais primários (IN1 e IN2). Deixe os enrolamentos laterais secundários (OUT1 e OUT2) abertos.
  4. Ligue a fonte e aumente ligeiramente a tensão até que o limite atual seja atingido. Observe que a oferta pode já ser limitada quando a oferta estiver ligada. Não aumente o limite atual.
  5. Regissão as leituras de tensão e corrente do visor de alimentação.
  6. Coloque a tensão de volta em 0 V e desconecte a alimentação.
  7. Ajuste o limite atual para 4 A e conecte a saída de alimentação através dos enrolamentos laterais secundários (OUT1 e OUT2). Deixe os enrolamentos laterais primários (IN1 e IN2) abertos.
  8. Ligue a fonte e aumente ligeiramente a tensão até que o limite atual seja atingido. Observe que a oferta pode já ser limitada quando a oferta estiver ligada. Não aumente o limite atual.
  9. Regissão as leituras de tensão e corrente do visor de alimentação. Para este transformador, a tensão de entrada é de 3,5 V e a corrente é de 0,8 A.
  10. Defina a tensão de volta para 0 V, desligue a fonte e desconecte-a.
  11. Meça a resistência através dos enrolamentos primários com um multi-metro.
  12. Meça a resistência através dos enrolamentos secundários com um multi-metro.
  13. É comum ter a maior resistência lateral de tensão a ser maior do que a resistência lateral de tensão inferior devido ao fato de que a potência de ambos os lados é idealmente igual, e maior tensão significa menor corrente e, portanto, menor resistência. O teste DC e a resistência medida no vários medidores devem coincidir de perto.

2. Teste de circuito aberto

  1. Certifique-se de que a fonte trifásica está desligada.
  2. Conecte o circuito para o teste do circuito aberto (Fig. 1). Use um medidor de energia digital.
  3. Certifique-se de que o VARIAC está em 0%.
  4. Verifique duas vezes se as conexões do circuito estão como esperado da Fig. 1 e, em seguida, ligue a fonte trifásica.
  5. Ajuste lentamente o botão VARIAC até que a leitura de tensão no medidor de alimentação digital atinja 24 V.
  6. Regisso recorde a tensão, corrente, potência real e fator de potência do medidor de potência.
  7. Defina o VARIAC de volta para 0%, desligue a fonte trifásica e desconecte a saída VARIAC.
  8. No teste de circuito aberto ou sem carga, as medidas de reação magnetizante(Xm)e resistência à perda do núcleo(RC)são encontradas a partir das medições de corrente(IOC),tensão(VOC)e potência(POC)da seguinte forma:
    RC= VOC2/POC (1)
    e Xm= VOC2/QOC (2)
    onde QOC2=(VOCIOC)2 - P OC2 (3)

Figure 1
Figura 1: esquema de teste dc. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Teste de curto-circuito

  1. Certifique-se de que a fonte trifásica está desligada.
  2. Conecte o circuito para o teste de curto-circuito (Fig. 2). Certifique-se de que IN1 e IN2 estejam conectados à saída VARIAC.
  3. Certifique-se de que o VARIAC está em 0%.
  4. Calcule a corrente de entrada nominal do transformador. Isso é encontrado dividindo a classificação VA pela classificação de tensão no lado de entrada. Por exemplo, se a entrada for de 115 V e a classificação VA for de 100 VA, a classificação atual de entrada é 100/115= 0,87 A.
  5. Verifique o circuito e ligue a fonte trifásica.
  6. Ajuste lentamente e cuidadosamente o botão VARIAC até que a leitura atual no medidor de alimentação digital atinja a corrente de entrada nominal.
  7. Regisso recorde a tensão, corrente, potência real e fator de potência no medidor de potência.
  8. Defina o VARIAC de volta para 0%, desligue o interruptor de desconexão e desconecte a saída VARIAC. Mantenha o cabo trifásico VARIAC conectado.
  9. Remova o curto-circuito colocado no transformador secundário.
  10. No teste de curto-circuito, as medidas de reações de vazamento (X1+X2'=Xeq) e resistência ao fio(R1+R2'=Req) de ambos os enrolamentos são encontradas a partir das medidas de corrente(ISC),tensão(VSC)e potência(PSC)da seguinte forma:
    Req=PSC/ISC2 (4)
    e Xeq= QSC/ISC2 (5)
    onde QSC2=(VSC ISC)2 - P SC2 (6)
  11. Acredita-se que x1 seja igual a X2', enquanto R1 e R2' podem ser usados a partir do teste DC (ou pelo menos um deles). Se o teste DC não for realizado, é comum supor que R1 e R2' são iguais.

Figure 2
Figura 2: Esquema de teste de curto-circuito. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Teste de carga

Os testes de carga mostram como os valores de corrente e tensão se correlacionam entre as laterais de entrada e saída do transformador onde, idealmente, V1/V2 = I2/I1 = N1/N2 = a onde N é o número de curvas, subscritos 1 e 2 são para os lados primário e secundário, respectivamente, e a é a razão de giros. A impedância no lado secundário refletida para o lado primário é R'=a2R ou X'=a2X.

  1. Certifique-se de que a fonte trifásica está desligada.
  2. Conecte o circuito para o teste de carga (Fig. 3). Certifique-se de que IN1 e IN2 estejam conectados à saída VARIAC.
  3. Certifique-se de que o VARIAC está em 0%.
  4. Conecte uma sonda de tensão diferencial do osciloscópio através do principal com uma configuração de 1/200. Ajuste a medição da sonda para deslocamento de 0 V com um fator de escala adequado.
  5. Conecte uma sonda de corrente de osciloscópio para medir a corrente de carga. Ajuste a medição da sonda para deslocamento de 0 mV com um fator de escala de 1X para uma configuração de 100 mV/A.
  6. Verifique o circuito e ligue o interruptor de desconexão trifásica.
  7. Ajuste lentamente o botão VARIAC até que VP leia 115 V.
  8. Regisso recorde a tensão, corrente, potência real e fator de potência de ambos os medidores de energia digitais.
  9. Capture a tela do osciloscópio com pelo menos três ciclos mostrados.
  10. Desligue a fonte trifásica e defina o VARIAC em 0%.
  11. Substitua o resistor de 100 Ω por três resistores de 100 Ω em paralelo.
  12. Ligue a fonte trifásica e ajuste lentamente o botão VARIAC até quev P leia 115 V.
  13. Registo as duas leituras do medidor de energia digital apenas (sem captura de tela de osciloscópio).
  14. Defina o VARIAC de volta para 0%, desligue o interruptor de desconexão e desconecte a configuração.

Figure 3
Figura 3: Esquema de teste de carga. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Transformadores de fase única são usados em fontes de alimentação e outros equipamentos para converter tensões e correntes CA de um valor para outro. Os transformadores são fundamentais para fornecer isolamento elétrico que é necessário para o funcionamento seguro de muitos instrumentos de laboratório e dispositivos médicos. Se a entrada e a saída não compartilharem um terminal comum, o transformador poderá transferir energia com total separação física. Isso evita que a eletricidade no lado perigoso de alta tensão de um sistema atinja circuitos e pessoas no lado seguro de baixa tensão. Entender os componentes dentro de um transformador é importante para análise e design do transformador. Este vídeo demonstrará como medir parâmetros elétricos dos componentes do transformador realizando vários testes.

Um transformador tem um par de terminais de entrada conectados a uma enrolação ou bobina primária e um par de terminais de saída conectados a um enrolamento secundário. Um núcleo composto por aço, ferrite ou mesmo simplesmente ar magneticamente acomente os dois enrolamentos. Uma tensão através de um enrolamento faz com que a corrente flua através dele, criando um campo magnético. O fluxo magnético, que é a quantidade de campo magnético que passa por uma área é então acoplado através do núcleo ao enrolamento secundário onde induz uma tensão. Este diretor é chamado de indução mútua. A Lei de Faraday estabelece que a taxa de mudança do fluxo de vezes o número de enrolamentos é igual à tensão induzida. Também chamado de Força Eletromotiva ou EMF. Uma tensão DC através do enrolamento primário é constante, portanto, o fluxo magnético resultante também é constante e a taxa de mudança é zero. No entanto, uma tensão CA produz um fluxo magnético com uma taxa de alteração não-zero e, consequentemente, induz uma tensão. Em outras palavras, é necessária uma tensão CA para que o transformador opere. A razão de giros do transformador é o número de curvas de fio na enrolação primária dividida pelo número de curvas na enrolação secundária. A razão de tensão entre a primária e a tensão através do secundário é igual à razão de curvas. Dependendo da razão de giros, um transformador pode intensificar a tensão, descer a tensão ou mantê-la a mesma. A razão entre a corrente entre a primária e a corrente através do secundário é igual ao inverso da razão de giros. Por exemplo, se a bobina primária tem três voltas e a secundária tem 30 voltas, a razão de giros é de 0,1. Assim, 120 volts no primário deste transformador torna-se 1200 volts no secundário. 10 amperes através do primário torna-se 1 amp através do secundário. Finalmente, se a bobina secundária tiver uma carga de impedância Z2, a bobina primária tem uma carga aparente ou reflexiva, Z2 prime. O valor dessa carga reflexiva é a impedância no lado secundário multiplicada pelo quadrado da razão de giros. Um transformador pode ser considerado um par de indutores acoplados que, idealmente, transfere energia sem perda de uma bobina para outra. No entanto, um verdadeiro transformador vazou fluxo magnético ou indutância de vazamento que não contribui para a transferência de energia entre enrolamentos. Além disso, um verdadeiro transformador experimenta dissipação de energia e aquecimento de resistências sinuosas. O fluxo magnético induzido no núcleo é uma fonte adicional de calor devido à resistência à perda do núcleo. Para evitar danos, é usada uma entrada de potência máxima especificada chamada classificação VA ou o produto da tensão de entrada e a corrente que é a energia. Agora que o básico de um transformador foi introduzido, vamos dar uma olhada em como medir os parâmetros elétricos de um transformador.

O transformador usado neste experimento é classificado para tolerar um máximo de 115 volts no enrolamento primário e um máximo de 24 volts no enrolamento secundário. Além disso, este transformador tem uma potência de 100VA, o que significa que ele pode aceitar um máximo de 100 watts de potência. Este teste DC mede a resistência de cada enrolamento para uso no modelo de circuito equivalente do transformador. Primeiro defina a saída de tensão de fonte de alimentação DC de baixa tensão para zero volts e o limite atual para 0,8 amperes. Em seguida, desligue o fornecimento. Conecte a saída de alimentação através do enrolamento primário. Não conecte nada ao enrolamento secundário. Ligue a fonte de alimentação DC e aumente a tensão gradualmente até que o limite atual seja atingido. Regissão a tensão e as leituras de corrente a partir da exibição da fonte de alimentação. Calcule a resistência do enrolamento primário dividindo a tensão pela correnteza. Defina a tensão de alimentação de volta para zero volts e desligue-a. Conecte a fonte de alimentação através do enrolamento secundário deixando um circuito aberto na enrolação primária. Defina o limite atual da fonte de alimentação para quatro amperes. Em seguida, aumente a tensão gradualmente até que o limite atual seja atingido. Regissão a tensão e as leituras de corrente a partir da exibição da fonte de alimentação. Calcule a resistência do enrolamento secundário. Defina a tensão de alimentação de volta para zero volts, desligue-a e desconecte-a do transformador. Por fim, use um medidor múltiplo para confirmar as resistências calculadas através dos enrolamentos primários e secundários.

O teste do circuito aberto mede os reagentes mútuos ou a oposição a uma mudança na corrente da resistência à perda do núcleo. A resistência à perda do núcleo é o parâmetro de circuito equivalente para dissipação de energia e aproxima perdas de energia no núcleo do transformador. Com a fonte de energia trifásica desligada e o Variac definido para zero por cento, monte o circuito como mostrado. Em seguida, use um medidor de energia digital para medir a corrente e a tensão do circuito aberto no lado principal. Ligue a fonte de alimentação trifásica e ajuste lentamente o botão de controle do Variac para aumentar a tensão até que o medidor de energia digital leia 24 volts. Registo a tensão do circuito aberto, corrente de circuito aberto, potência real de circuito aberto e fator de potência. Use esses valores para calcular parâmetros de circuito equivalentes para o transformador. A resistência à perda do núcleo, RC é calculada a partir da tensão do circuito aberto e da potência do circuito aberto. A reação mútua XM é calculada da mesma forma usando tensão, potência e corrente de circuito aberto.

O teste de curto-circuito mede os reagentes de vazamento e também pode determinar a resistência do fio de ambos os enrolamentos. Primeiro calcule a corrente de entrada nominal do transformador dividindo a classificação VA pela classificação de tensão para o lado de entrada. Com a fonte de energia desligada, e Variac a zero por cento de saída montar o circuito como mostrado. Desta vez use o medidor de energia digital para medir a corrente e a tensão do curto-circuito. Ligue a fonte de alimentação trifásica e ajuste lentamente o Variac para aumentar a tensão até que a leitura atual no medidor de alimentação digital atinja a corrente de entrada nominal. Regisso curto-circuito tensão e corrente, bem como o curto-circuito real potência e o fator de potência. O vazamento reagentes é a soma dos reagentes do lado primário e os reagentes secundários refletidos que são considerados iguais. Calcule os reagentes de vazamento com as medidas do teste de curto-circuito. Finalmente calcule a resistência total do fio de ambos os enrolamentos como a soma da resistência do enrolamento primário e a resistência refletida do enrolamento secundário.

Transformadores são dispositivos elétricos muito úteis que possuem aplicações na área de conversão de energia e isolamento elétrico para segurança. O teste de carga mede a razão de tensão entre o primário e a tensão através do secundário, bem como a razão da corrente através da corrente primária até a corrente através da secundária. O circuito foi montado com um resistor de 100 Ohm conectado ao lado secundário e a corrente e tensão medida em ambos os lados. Com o lado primário a 115 volts, a tensão, a corrente, a potência real e o fator de potência foram medidos em ambos os lados. A razão da tensão primária para a tensão secundária deve ser idealmente igual à razão de curvas. Um estudo dos neurônios sensoriais olfativos de camundongos usou luz ultravioleta de um tubo de flash de xenônio para dissociar certos compostos. Os circuitos para conduzir um tubo flash exigiam altas tensões geradas com um transformador de passo acima. Como em todos os equipamentos de alta tensão, o design seguro utiliza transformadores para isolamento elétrico para evitar curtos-circuitos acidentais entre componentes com tensões perigosas e outros eletrônicos no circuito.

Você acabou de assistir a introdução de Jove a transformadores monárfatos. Agora você deve entender como um transformador funciona, bem como como medir seus parâmetros de circuito equivalente. Obrigado por assistir!

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Results

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Ao realizar os testes de DC, circuito aberto, curto-circuito e carga, foram identificados os parâmetros de circuito equivalente do transformador; portanto, simular, operar e analisar o comportamento realista do transformador torna-se possível.

O teste de curto-circuito é geralmente realizado aplicando uma tensão crescente no lado da alta tensão, uma vez que apenas pequenas tensões desse lado podem fazer com que a corrente nominal flua no lado de baixa tensão curta. Isso é útil na operação do transformador na corrente nominal e, portanto, no teste para a capacidade de transporte atual.

Para este teste, a tensão do curto circuito é de 11,9 V, a corrente de curto-circuito é de 0,865 A, e a potência do curto circuito é de 7,11 W. As medidas de curto-circuito são então usadas para calcular a reação de vazamento, que é de 9,94Ω neste caso. O lado primário resultante e as reações laterais refletidas são cada uma de 4,97Ω. A resistência total do fio é calculada como 9,502Ω. Subtrair a resistência do enrolamento primário (4,375Ω) dá 5.127

Quanto ao teste de circuito aberto, é útil para garantir que as capacidades de isolamento de tensão do transformador sejam atendidas ao executar tensões nominal. Outros testes, como testes de isolamento de alto pote para quebra de material de isolamento, testes mecânicos de vibração, etc., também são realizados, mas para aplicações mais avançadas.

Para este transformador, a tensão do circuito aberto é de 23,8 V, a corrente do circuito aberto é de 335,5 mA e a potência do circuito aberto é de 2.417 W. A partir dessas medidas, a resistência à perda do núcleo, Rc, e reação mútua, Xm, podem ser calculadas como 234,35Ω e 74,67Ω, respectivamente.

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Applications and Summary

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Os testes descritos são fundamentais na avaliação da impedância de um transformador e na determinação de seus parâmetros de circuito equivalente. Uma vez que as aplicações do transformador variam de carregadores simples a transmissão CA de alta potência, caracterizar adequadamente diferentes transformadores para várias aplicações é essencial. A impedância do transformador é usada em sistemas de energia para determinar possíveis falhas em ambos os lados de um transformador, aproximar-se da eficiência de um transformador, calcular sua linha e regulação de carga e simular o transformador como parte de sistemas elétricos maiores.

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