Experiências I e II

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NORMAS GERAIS
1 – EXECUÇÃO DOS TRABALHOS
	Cada trabalho se divide em três etapas: preparação, execução em laboratório e relatório final com resultados e discussão.
– PREPARAÇÃO
A preparação é feita antes da ida ao laboratório. O aluno, após a leitura de toda ficha correspondente ao trabalho previsto deve deter-se em três pontos:
- Perfeita compreensão dos fundamentos teóricos do trabalho a realizar. O item “FUNDAMENTOS TEÓRICOS” tem por finalidade ajudar o aluno a conseguir e/ou ordenar os conhecimentos. Além disto, no fim de cada trabalho são citados textos em que o aluno poderá complementar o estudo.
- Resposta aos pedidos do item “TRABALHO PREPARATÓRIO”. Trata-se de perguntas ou problemas cuja resposta exige a perfeita compreensão do que é indispensável à realização do trabalho. Esta parte deve ser apresentada ao professor antes do início do trabalho, quando serão discutidas as dúvidas persistentes. A apresentação do trabalho preparatório é considerada indispensável à realização da experiência.
- Previsão de como executar o trabalho. A fim de evitar perda de tempo e desorientação no laboratório, o aluno deve certificar-se de que entendeu perfeitamente os pedidos dos itens “EXECUÇÃO” e “RELATÓRIO” e traçar, para si, um roteiro de como preceder na execução, inclusive prevendo os circuitos a montar e os aparelhos que deverá utilizar.
– EXECUÇÃO 
A execução em laboratório deverá ser feita, sempre que possível, com o aluno resolvendo os problemas surgidos sem o auxílio do professor, Entretanto, sempre que eles envolverem segurança pessoal ou de equipamento, é insistentemente recomendado que não se prossiga os trabalhos sem prévia consulta.
– RELATÓRIO
Esta é a parte mais importante. O aluno deve interpretar os resultados e não comentá-los. O que aconteceu, sabe-se pelos gráficos e tabelas de resultados. Queremos saber por que aconteceu. Erros e discrepâncias em relação às predições teóricas não devem ser atribuídos levianamente aos instrumentos e sim discutidos cuidadosamente. Devem constar do relatório os seguintes itens:
- Material utilizado, com número de placa e características do equipamento.
- Circuitos utilizados.
- Descrição sucinta dos procedimentos.
- Dados obtidos.
- Análise ou discussão dos resultados.
- Conclusões.
O item relatório procura orientar o aluno, sem com isto querer limitar o espírito de pesquisa.
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2 – RECOMENDAÇÕES GERAIS
	Para facilitar a execução de cada trabalho, julgamos úteis as seguintes recomendações:
	a) Antes do início do trabalho, na sua preparação, o aluno deverá ler a ficha até o fim, e só então, depois de ter o sentimento do todo, deverá se ater em cada uma das partes.
	b) Cálculos e gráficos que envolvam dados colhidos em laboratório deverão ser feitos ainda no laboratório. Deste modo, resultados discrepantes poderão ser verificados através de uma repetição das medidas.
	c) Um conjunto de dados obtidos deve ser resumido pela apresentação de uma tabela de valores. Aumenta-se deste modo a clareza e a concisão.
	d) Todos os gráficos devem conter os dados necessários para a compreensão do que representam. É, portanto, indispensável a colocação do título, unidades adotadas para os eixos e identificação das curvas.
	e) Durante a realização do trabalho, todo o cuidado com o instrumento é recomendado. Os circuitos devem ser protegidos com fusíveis e conferidos, antes de se ligar a fonte de alimentação. Não se deve abandonar a bancada antes de se desligar os aparelhos e arrumá-los nos seus devidos lugares.
	f) A montagem dos circuitos é uma parte crítica na execução. A disposição dos instrumentos e componentes na bancada deve ser feita judiciosamente a fim de se obter montagens com o menor número de fios possível e de pequeno comprimento. As ligações devem ser firmes. Muitas vezes o insucesso de um trabalho resulta apenas de uma montagem descuidada.
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LABORATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA DE ENERGIA
EXPERIÊNCIA 1
1 – ASSUNTO: 	IDENTIFICAÇÃO DE TRANSFORMADORES
2 – OBJETIVO:	Familiarização e identificação por características visuais de transformadores.
3 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.1 – Definição: 	O transformador é um dispositivo eletromagnético estático destinado a transformar tensões e correntes alternadas primárias em tensões e correntes alternadas secundárias de mesma freqüência, geralmente, de magnitudes diferentes, adequando-as aos níveis necessários de utilização ou de transporte.
	Se o transformador recebe energia a uma determinada tensão e a entrega a uma tensão mais elevada, recebe o nome de transformador elevador. Na hipótese de fornecê-la a uma tensão mais baixa, recebe o nome de transformador abaixador. Se a tensão de saída for a mesma da entrada, temos o transformador um para um.
3.2 – Construção: 	O transformador é constituído por um circuito magnético fechado, chamado núcleo, sobre o qual são colocadas as bobinas primária e secundária, isoladas do núcleo com materiais diversos, de acordo com o nível de tensão do mesmo (Figura 1).
Figura 1- Aspectos físicos de um transformador (a) trifásico a óleo e (b) monofásico.seco
	A fim de melhorar o isolamento e a refrigeração da parte ativa do transformador, todo o conjunto é imerso em óleo para transformador (Figura 2).
	Como o transformador não possui peças móveis, requer poucos cuidados e tem pequena despesa de manutenção.
	O custo por kilowatt dos transformadores é pequeno se comparado com outros aparelhos elétricos, mas representa sempre um adicional no custo da instalação.
 
Figura 2 – Transformador com isolamento de óleo.
3.3 – Classificação: 	Dependendo da disposição das bobinas em relação ao núcleo, os transformadores se classificam em:
Núcleo envolvido ou tipo núcleo, quando o núcleo é envolvido pelos enrolamentos, como mostra a Figura 3.
 
Figura 3- Transformador monofásico tipo núcleo envolvido.
Núcleo envolvente ou encouraçado, quando o núcleo envolve os enrolamentos, como mostra a Figura 4.
 
Figura 4 - Transformador monofásico tipo núcleo envolvente.
	Os transformadores trifásicos também podem ser do tipo núcleo ou encouraçado, como pode ser visto nas Figuras 5 e 6.
 
 
Figura 5 - Transformador trifásico tipo núcleo ou núcleo envolvido.
 
Figura 6 - Transformador trifásico tipo encouraçado ou núcleo envolvente.
	A Figura 7 a seguir representa um transformador trifásico tipo núcleo envolvido, onde:
	1 – São os terminais de alta e baixo tensão.
2 – Buchas.
3 – Tanque.
4 – Ferragem do núcleo (núcleo).
5 – Bobina de baixa tensão.
6 – Bobina de alta tensão.
7 – Tubos do tanque (radiador tubular).
8 – Direção de circulação do óleo nos tubos.
Figura 7 – Foto do trafo.
3.4 – Tipos de refrigeração de transformadores: os transformadores são resfriados de diversos modos, dependendo da potência, classe de tensão, altitude de trabalho, condições econômicas, etc.
A NEMA (National Electrical Manufactures Association) apresenta os seguintes tipos de transformadores:
Em óleo, com refrigeração natural por ar (classe OA).
Em óleo, com refrigeração por água (classe OW).
Em óleo, com refrigeração por água/refrigeração natural por ar (classe OW/OA).
Em óleo, com refrigeração natural/refrigeração forçada de ar (classe OA/FA).
Em óleo, com refrigeração forçada por óleo, com refrigeração por circulação forçada de ar (classe FOA).
Em óleo, com refrigeração forçada por óleo, com refrigeração por circulação por água (classe FOW).
Em óleo, com refrigeração natural/refrigeração forçada de ar/refrigeração forçada por óleo (classe OA/FA/FOA).
Seco, com refrigeração natural de ar (classe AA).
Seco, com refrigeração forçada de ar (classe AFA).
Seco, com refrigeração natural/refrigeração forçada de ar (classe AA/F).
3.5 – Polaridade de transformadores:A marcação de polaridade dos terminais dos enrolamentos dos transformadores indica os terminais que são positivos e negativos em um determinado instante. Isto é, a relação entre os sentidos relativos momentâneos das F.E.M. nos enrolamentos primário e secundário.
	O conhecimento da polaridade é indispensável para a ligação dos transformadores em banco, operação em paralelo, ligação correta de instrumentos de medida e proteção através de transformadores de medição e proteção.
3.6 – Marcação dos terminais: Os terminais de tensão superior (TS, HV ou AT) são marcados normalmente com as letras H1 e H2 e os terminais de tensão inferior (TI, LV ou BT) com as letras X1 e X2, de tal modo que no momento em que a F.E.M. do enrolamento de AT tem sentido de H1 para H2, a F.E.M. do enrolamento de BT tem sentido de X1 para X2 
	A polaridade relativa entre os terminais de primários e secundários pode estar em duas situações diferentes apenas, chamadas convencionalmente de aditiva ou subtrativa. Ela será aditiva, quando, ao percorrermos os terminais dos dois enrolamentos, vistos em uma mesma face do transformador, seqüencialmente e de forma circular, as tensões dos enrolamentos ficarem em posição de adição, como na Figura 8. A polaridade será subtrativa, quando a posição for de subtração, como na Figura 9.
 Figura 8 – Polaridade aditiva.
 Figura 9 – Polaridade subtrativa.
4 – TRABALHO PREPARATÓRIO
4.1 – Como podemos classificar os transformadores de acordo com a sua funcionalidade? (Ex. Trafo de corrente).
4.2 - Explique suas diferenças básicas de funcionamento.
4.3 - Explique, detalhadamente, a forma pela qual um transformador de potência, transfere potência do primário ao secundário.
4.4 – O que garante esta transferência de energia nos trafos de potência.
4.5 - É possível qualquer dos enrolamentos servir como o primário em um transformador de potência monofásico de dois enrolamentos? Explique.
4.6 – Por que é necessário conhecer as polaridades dos enrolamentos antes da colocação de um transformador em serviço?
4.7 – No caso de transformadores trifásicos, por que é necessária a identificação das fases?
4.8 – Como pode um transformador ter polaridade, se ele é utilizado com corrente alternada?
4.9 – É possível determinar-se o sentido relativo dos enrolamentos de um transformador, ou seja, sua polaridade, por observação direta dos seus enrolamentos (caso sejam acessíveis)?
4.10 – É possível ligar em série duas bobinas (ou mais) de reatores ou de transformadores, com diferentes tensões nominais? Explique. Requerem-se preocupações em relação à polaridade? Explique.
4.11 - É possível ligar em paralelo duas (ou mais) bobinas de reatores ou de transformadores, com diferentes tensões nominais? Explique. Requerem-se preocupações em relação à polaridade? Explique.
4.12 – Ao se ligarem três transformadores monofásicos em delta ou em estrela, quais as preocupações a tomar em relação à polaridade, capacidade, tensão e correntes nominais?
4.13 – Se um transformador tem dois enrolamentos de alta tensão idênticos e dois de baixa tensão também idênticos, 
4.13.1 - quais as relações de tensão possíveis utilizando-se todos os enrolamentos e ligando o dispositivo como transformador convencional?
4.13.2 – Repita o item 4.13.1, para um autotransformador, com todas as quatro bobinas em série.
4.13.3 – Repita o item 4.13.2, para as bobinas de alta e baixa ligadas respectivamente em paralelo e estas combinações ligadas em série.
4.14 – Caracterize construtivamente e operacionalmente um TC – transformador de corrente.
4.154 – Caracterize construtivamente e operacionalmente `																um TP – transformador de potencial.
5 – EXECUÇÃO
5.1 – Identifique visualmente os vários transformadores mostrados no laboratório, caracterizando aplicação, tipo de núcleo, terminais de alta e baixa, marcação de polaridade, principais dados de placa, tipo de refrigeração e isolamento. Tire fotos e desenhe detalhes.
5.2 – Identifique documentalmente os transformadores colocados sobre a bancada, anotando: dados de placa, registros patrimoniais e similares, aspectos visuais da face principal e marcação de polaridades.
5.3 – Monte um fichário de identificação dos transformadores colocados sobre a bancada. Este servirá para as demais aulas.
6 – BIBLIOGRAFIA
6.1 – Slemon, G.R. – Magnetoeletric Devices – Transducers, transformers and Machines – John Willey na Sons, Inc. 1996.
6.2 – Kostenko, M. and Piotrovsky, L. – Electrical Machines vol.1.Direct current Machines and Transformers – Mir Publishers – 1968.
6.3 – Kosow, I.L. – Máquinas elétricas e Transformadores – Editora Globo, 1977.
7 – MATERIAL UTILIZADO
- Transformadores e reatores existentes no laboratório.
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LABORATÓRIO DE CONVERSÃO I
EXPERIÊNCIA 2
1 – ASSUNTO: 	CONDIÇÕES PARA OPERAÇÃO DE TRANSFORMADORES.
2 – OBJETIVOS:	Identificar as condições físicas e estruturais dos enrolamentos dos transformadores para colocação em operação: verificação de isolamento e continuidade dos enrolamentos, ocorrência de tapes e identificação de polaridade.
3 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.1 – Condições de operação de um transformador: 	Um transformador para ter condições de operação deve estar com toda a sua estrutura de isolamento em condições de suportar as tensões que se distribuem nele quando energizado. Também as partes condutoras devem suportar as correntes nelas estabelecidas. Uma falha de isolamento poderá ocorrer por envelhecimento do material isolante, ou sobrecargas, sobretensões ou, ainda, por danos causados pela ação de agentes externos, tais como: choques mecânicos, umidade, respingos, poeira e vibrações. Uma falha de continuidade poderá ser causada por: recozimento do material condutor, sobrecorrentes, sobretensões ou, ainda, por agentes externos, tais como choques mecânicos e vibrações.
	Também é necessário conhecer a estrutura dos enrolamentos para que seja possível executar conexões entre seus enrolamentos ou entre o transformador e outro equipamento. Além disso, também, as características nominais de operação devem ser identificadas para que o equipamento seja submetido apenas às condições para qual foi projetado.
3.2 – Estrutura dos enrolamentos: 	Após a identificação visual do transformador, é necessário conhecer a estrutura de conexões e circuitos internos do mesmo. Para isso, é preciso verificar a continuidade dos enrolamentos, com a utilização de um ohmímetro. Esta operação serve para identificar possíveis defeitos ou para revelar o esquema de conexões e tapes do transformador, quando faltam melhores informações.
	O processo consiste de identificar continuidade ou não entre os terminais visualizados do transformador e a representação dos enrolamentos em forma de diagrama esquemático.
3.3 - Isolamento: 	Os enrolamentos do transformador devem estar isolados do núcleo e entre si. Também é necessário que haja isolamento espira a espira, que é conseguido naturalmente pelo uso de fio esmaltado. Como as bobinas são enroladas (construídas) fora do núcleo, elas devem possuir isolamentos do tipo bandagem, que é a aplicação de material isolante ou embebido em verniz isolante envolvendo as espiras. O mesmo tipo de procedimento deve ser aplicado para se obter isolamento entre as camadas mais internas da bobina e o núcleo.
A resistência de isolamento dos enrolamentos depende do nível de tensão de trabalho ou da Classe de isolamento, conforme norma ABNT. Uma fórmula para obtenção da resistência de isolamento mínima necessária para o transformador a seco é:
R75= E/(100+P/100), onde:
E – Classe de Isolamento (kV)
P – Potência do trafo em kVA
F – freqüência
R - MΩ
Para transformadores imersos em óleo:
R75 = 2,65 E/(P/f)1/2
É necessário medir a resistência de isolamento entre os enrolamentos e entre cada enrolamento e o núcleo (ou a carcaça). Para isso, usamos um Megger.
O transformador só pode ser colocado em operação se as resistênciasde isolamento forem satisfatórias.
3.4 – Identificação dos tapes:	Uma vez que se tenha identificado a existência de tapes no transformador, é possível obter-se as relações de transformação dos mesmos pela simples medida de tensão de cada par de terminais, aplicando-se uma pequena tensão em um determinado par, de preferência os mais extremos de um dos enrolamentos.
	As tensões obtidas permitirão a verificação da seqüência dos mais extremos para os mais internos e a conseqüente montagem de um diagrama esquemático, com os valores percentuais ou absolutos dos tape.
	Quando existem informações de placa, os testes servem para conferência das mesmas e quando não existem placas, eles poderão revelar as conexões.
3.5 – Determinação da Polaridade dos Transformadores
3.51 – Método do Golpe Indutivo com Corrente Contínua:
	Alimenta-se o transformador pelo enrolamento de tensão superior com uma fonte de corrente contínua.
Instala-se um voltímetro de CC entre os terminais 
 e 
 de forma a obter uma deflexão positiva do mesmo.
Em seguida transfere-se cada terminal do voltímetro para o terminal de tensão inferior diretamente oposto.
Desliga-se a chave C da figura 8 e observa-se a deflexão no voltímetro. Tendo-se em mente a Lei de Lenz, conclui-se que se o deslocamento for no mesmo sentido, a polaridade será aditiva e marca-se 
 e 
em frente de 
 e 
.
Se a deflexão for no sentido contrário, a polaridade é subtrativa e marca-se 
 e 
 respectivamente em frente de 
 e 
.
NOTA: entre 1 e 2 ao invés de curto, pode-se colocar uma resistência de proteção.
Figura 1 – Determinação da polaridade pelo método do golpe indutivo.
3.5.2 – Método da Corrente Alternada:
Figura 2 - Determinação da polaridade do transformador pelo método da corrente alternada.
Ligam-se entre si dois terminais adjacentes, sendo um de tensão superior e outro de tensão inferior, conforme figura 9.
Aplica-se a tensão alternada conveniente aos terminais de tensão superior. Lêem-se as indicações de um voltímetro ligado primeiramente entre os terminais de tensão superior e depois entre os terminais adjacentes livres (
). Se a primeira leitura for maior que a segunda, a polaridade é subtrativa, em caso contrário aditiva.
3.5.3 – Método por comparação com um transformador padrão:
	Este método consiste em comparar o transformador e ensaiar com um transformador padrão de polaridade conhecida, que tenha a mesma relação de transformação do transformador a ensaiar. Vide Figura 3.
Figura 3 – Determinação da polaridade do transformador por comparação com transformador padrão.
O método consiste no seguinte:
Ligamos em paralelo os enrolamentos de tensão superior dos dois transformadores, tendo-se o cuidado de ligar entre si os terminais igualmente marcados, isso é, de iguais polaridades.
Aplicamos uma tensão reduzida no enrolamento de tensão superior e medimos o valor da tensão entre os dois terminais livres. Se o valor de V for nulo ou praticamente nulo, os dois transformadores têm a mesma polaridade.
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4 – LIGAÇÃO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS EM BANCOS
	Suponha que todos os transformadores monofásicos das Figuras 4, 5 e 6 tenham polaridade subtrativa. As ligações em banco trifásico que se seguem, são possíveis.
 Figura 4 – Ligação estrela-estrela e diagrama fasorial.
 Figura 5 – Ligação delta-delta e diagrama fasorial.
 Figura 6 – Ligação delta-estrela e diagrama fasorial.
5 – POLARIDADE DOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
	A polaridade de um transformador trifásico é determinada para cada par correspondente de bobina, procedendo-se como um transformador monofásico.
6 – TRABALHO PREPARATÓRIO
6.1 – Por que são necessários os ensaios de polaridade e identificação de fases antes da colocação em serviço de um transformador?
6.2 – Por que no teste de polaridade pelos métodos da corrente alternada, item 3.5.2, a tensão deve ser aplicada no lado de tensão superior?
6.3 – Dado um transformador com vários enrolamentos independentes e em enrolamento de tapes múltiplos, explique:
6.31 – Como se identifica cada bobina independente?
6.3.2 - Como se identifica a existência de tapes múltiplos?
6.3.3 - Como se identificam os tapes do enrolamento com tapes múltiplos?
6.3.4 - Como se determina a polaridade de cada enrolamento separadamente?
7 – EXECUÇÃO
7.1 – Identifique visualmente o transformador sobre a bancada e registre todas as informações técnicas, patrimoniais e do fabricante dos mesmos. Desenhe a face principal do trafo.
7.2 - Verifique a continuidade dos enrolamentos dos dois transformadores diferentes colocados sobre a bancada com um auxílio de um ohmímetro. Anote os valores encontrados.
7.3 - A partir destes testes, faça um diagrama esquemático mostrando, caso haja, os tapes dos transformadores.
7.4 – Aplique uma pequena tensão em um dos enrolamentos ou tapes e verifique todas as relações de tensão dos tapes.
7.5 - Com o auxílio do megger de 500 volts, veja se existe algum defeito de terra nos enrolamentos, ou curto entre os enrolamentos de alta e baixa.
7.6 – Pelo método da corrente alternada determine a polaridade dos transformadores.
7.7 - Com o auxílio de três transformadores monofásicos iguais monte um banco estrela-estrela aterrado. No caso do transformador 220/220V, com tapes de 50%, 86%, 100% utilizar o tape de 50% como primário. Meça as tensões primárias e secundárias fase-fase e fase-neutro.
7.8 - Inverta a ligação secundária de um dos transformadores do banco e meça as tensões secundárias fase-fase e fase-neutro.
7.9 - Trace o diagrama fasorial do primário e secundário do banco.
7.9.1 – ligado corretamente.
7.9.2 – Para o secundário de um dos transformadores com a polaridade invertida.
8 – BIBLIOGRAFIA
8.1 – Slemon, G.R. – Magnetoeletric Devices – Transducers, transformers and Machines – John Willey na Sons, Inc. 1996.
8.2 – Kostenko, M. and Piotrovsky, L. – Electrical Machines vol.1.Direct current Machines and Transformers – Mir Publishers – 1968.
8.3 – Kosow, I.L. – Máquinas elétricas e Transformadores – Editora Globo, 1977.
9 – MATERIAL UTILIZADO
- Três transformadores monofásicos 1kVA 220/220V com tapes de 50%, 86% e 100%.
- Um transformador monofásico 1kVA 110/2x110V.
- Fonte monofásica 110V AC.
- Fonte trifásica 220V AC.
- Uma pilha 1,5V.
- Um megger 500V.
- Um voltímetro DC de 3V, zero central.
- Uma chave monopolar com fusível.
- Uma chave tripolar com fusíveis.
- Fios para ligação.
Obs.: Caso haja uma segunda bancada, o banco de transformadores desta segunda deverá ser composta por três transformadores de 1kVA 110/2x110V.
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