Transformadores 1ø de pequena potência:projeto e construção, Manuais, Projetos, Pesquisas de Eletromecânica

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MANUTENÇÃO ELÉTRICA

INDUSTRIAL

* TRANSFORMADORES 1Ø DE PEQUENA POTÊNCIA:

PROJETO E CONSTRUÇÃO *

Vitória – ES

10. TRANSFORMADORES

Transformadores são máquinas responsáveis pela transferência de energia em circuitos, dependendo da ação indireta da indutância mútua entre os enrolamentos. Utilizados para diversas aplicações, entre elas: ƒ Modificar níveis de tensão e corrente; ƒ Propiciar isolamento elétrico; ƒ Efetuar casamento de impedância.

Existem basicamente 3 tipos de núcleos de transformadores: núcleo aberto, núcleo envolvido e núcleo envolvente. Daremos ênfase, na abordagem de projeto para pequenos transformadores, ao núcleo envolvente por proporcionar maior rendimento e padronização de chapas magnéticas para pequenas potências.

O fluxo gerado na coluna central do núcleo envolvente, divide-se em duas partes iguais, percorrendo as colunas laterais onde se concentra a metade do fluxo principal. Por esta razão as colunas laterais possuem a metade da seção da coluna central. A montagem das lâminas é feita de forma alternada a fim de proporcionar maior resistência mecânica e diminuir a relutância magnética.

A partir daí, podemos definir os valores de tensão e corrente exigidos pela carga, a qual seja alimentada pelo transformador. Em seguida definimos a tensão de alimentação do transformador e, por conseqüência, a corrente fornecida pela fonte de energia que alimenta o mesmo.

Consideremos, para efeito de exemplo, as seguintes dimensões do núcleo: a = 4 cm b = 3 cm Sg = 4 x 3 = 12 cm^2 Suponhamos que a carga exija uma tensão de 24 volts e que o transformador seja ligado a uma rede de 120 volts. Pela equação empírica inicial, podemos oferecer a suposta carga uma potência máxima de: P = (12)^2 x 0,73 = 105 watts

O próximo passo será calcular o número de espiras específicas, ou seja, o número de espiras por volt para a confecção dos enrolamentos primário e secundário. Determinação do número de espiras/volt:

Bf Sm

Ne 4 , 44...

=^10

onde B = indução magnética (Gauss) f = freqüência da fonte de alimentação (Hertz) Sm = seção magnética da perna central (cm^2 )

A seção magnética corresponde apenas a seção do ferro que constitui a perna central do núcleo. Como as lâminas possuem isolamento (verniz, etc.) e podem apresentar deformações, para efeitos práticos é feita uma redução em torno de 10% na área total da perna central para conhecermos a área efetiva da ferragem.

Logo, Sm = Sg. 0,9 Sm = 12. 0,9 = 10,8 cm^2

Como não temos informações precisas sobre a indução magnética das chapas magnéticas, usaremos as referências fornecidas pela literatura técnica, que indica uma variação entre 6500 a 14000 Gauss para chapas de transformadores de pequena potência. A escolha de um valor médio, em torno de 10000 Gauss nos parece uma opção sensata. A freqüência da rede de alimentação do transformador é de 60 Hertz, padrão em todo o território nacional. Portanto, já podemos calcular o valor da quantidade de espiras por volt.

4 , 44. 10. 60. 10 , 8

10 4

8 Ne =

Ne =3,47 espiras/volt

Assim, o enrolamento primário conterá: Np = 3,47 x 120 = 416 espiras e o enrolamento secundário conterá: Ns = 3,47 x 24 x 1,1* = 92 espiras

O fator 1,1 corresponde ao acréscimo de 10% sobre o total de espiras do secundário para compensar a queda de tensão durante o funcionamento da carga (sugestão prática). Dessa forma esperamos que, a vazio, o trafo apresente um valor de tensão em torno de 24,6 volts. Considerando que as perdas envolvidas neste transformador de baixa potência nominal são reduzidas, consideraremos a potência de entrada será igual a potência de saída. Logo, para uma tensão de 24 volts, o transformador poderá fornecer no máximo:

Fazendo uso da tabela de fios esmaltados, constante no final desse material, encontraremos os respectivos condutores a serem utilizados, tanto em mm^2 quanto em AWG (American Wire Gauge), padrão americano para medir o diâmetro de um fio. Quanto maior o AWG, menor é o diâmetro do fio. Ao consultar a tabela, caso não seja encontrado o valor exato da seção calculada, deverá ser escolhido o valor imediatamente superior, o que representa um menor aquecimento, menos perda e menor queda de tensão para o enrolamento.

Considerando os resultados, os fios escolhidos são os seguintes: Enrolamento primário: 22 AWG com seção de 0,322 mm^2 Enrolamento secundário: 15 AWG com seção de 1,65 mm^2

Às vezes o fio escolhido apresenta uma seção elevada o que dificulta a sua aquisição e a confecção do enrolamento em carretéis pré-fabricados. Uma saída seria a sua substituição por dois ou mais fios cuja somatória das seções seja no mínimo igual ao fio original. A execução dos enrolamentos poderá ser feita em carretel de plástico pré-fabricado ou pode ser necessária a confecção de um carretel com fibra isolante de consistência e classe de isolamento compatíveis. O último procedimento a ser efetuado antes da execução dos enrolamentos será o de confirmar a ocupação dos mesmos no espaço existente, que corresponde as medidas da janela da lâmina. Para isso é necessário saber a distância interna entre as duas abas laterais do futuro carretel. Para efeitos práticos podemos considerar que cada aba lateral do carretel possui 2mm de espessura.

Logo, o comprimento útil será de: Cútil = 1,5 a – 4mm = 1,5 x 40mm – 4mm = 56 mm

O primeiro enrolamento a ser colocado deverá ser o primário (120 V) pois este possui o fio mais fino que o secundário, acomodando-se melhor nos cantos (quinas) do carretel e também, por estar mais próximo do núcleo, terá um comprimento médio menor, diminuindo seu custo (o fio mais fino é mais caro que o grosso, por quilo de peso).

Podemos estimar o número de espiras que poderão ser colocadas em cada camada do enrolamento, dividindo o comprimento interno pelo diâmetro do fio em questão.

primário =

camada

Espiras 56 mm / 0,69 mm = 81 espiras

Como o enrolamento primário possui 416 espiras, serão necessárias: No^ de camadas = 416 / 81 = 5,13 camadas.

Isto significa que serão necessárias 6 camadas para receber as 416 espiras do enrolamento primário (5 camadas completas com 81 espiras cada + 1 camada com 11 espiras).

O mesmo procedimento é realizado para o enrolamento secundário.

undário =

camada

Espiras sec 56 mm / 1,5 mm = 37 espiras

Como o enrolamento secundário possui 92 espiras, serão necessárias: No^ de camadas = 92 / 37 = 2,48 camadas.

Isto significa que serão necessárias 3 camadas para receber as 92 espiras do enrolamento secundário (2 camadas completas com 37 espiras cada + 1 camada com 18 espiras).

Enrolamento primário

Enrolamento secundário 20mm

Porém, de uma maneira geral, podemos considerar as medidas do molde do núcleo para transformadores que utilizam chapas tipo E. a’ = a x 1,05 e b’ = b x 1,

Estamos na realidade adicionando uma folga em torno de 5% na largura da perna central (para que as lâminas não entrem de forma justa, raspando nas laterais do carretel, podendo danificá-lo) e de 10% na altura total do núcleo para que haja facilidade na colocação das lâminas, principalmente as últimas. As medidas da lâmina do núcleo devem ser verificadas usando um paquímetro; a confirmação do diâmetro dos fios esmaltados deverá ser efetuada com o uso do micrômetro. Escolha uma fibra para confecção do carretel com uma consistência suficiente que pode ser em torno de 1mm. Para a confecção do fundo do carretel faça algumas incisões nas arestas para facilitar as dobras e o acabamento, sem porém cortar totalmente a mesma. A junção dos dois extremos da fibra será de topo e na posição perpendicular a entrada das lâminas, para evitar a possível penetração de alguma lâmina no carretel.

A seguir passa-se a construção das abas laterais, cujas medidas são tomadas a partir das medidas da fôrma de madeira acrescida da espessura da fibra que a envolve.

A execução dos enrolamentos não necessita de grandes detalhes, porém daremos algumas orientações básicas para melhoria da qualidade do trabalho:

a) Ao iniciar o enrolamento, faça um orifício na aba lateral, rente ao fundo do carretel, verificando o lado que permanece fora do núcleo (os terminais não podem coincidir com a parte interna da janela);

b) As espiras devem ficar unidas, tanto quanto possível, uma das outras para otimizar do espaço existente;

c) Caso tenha optado por um isolamento entre camadas, utilize uma fibra de papel impermeável de baixa espessura;

d) É válida a inserção de uma fibra isolante entre o final do enrolamento primário e o início do enrolamento secundário, devido a maior diferença de potencial existente;

e) Procure usar uma tensão mecânica adequada nos condutores, durante a colocação dos enrolamentos. Esforços maiores poderão romper o fio, ou em caso contrário, as espiras ficarão frouxas dificultando a sua acomodação;

f) A saída do terminal do enrolamento deve ser feita ao lado da extremidade onde ocorreu a entrada do enrolamento. Coloque uma fibra isolante ou um tubo isolante (espaguete fino) para isolar o condutor da camada inferior (observe a classe de isolamento compatível);

TABELA DE FIOS ESMALTADOS

11. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DIMENSIONAL

11.1 PAQUÍMETRO

É um instrumento finamente acabado, com as superfícies polidas e planas. O cursor é ajustado à régua, de modo que permite sua livre movimentação com um mínimo de folga. Geralmente é construído em aço carbono ou inoxidável, temperado, e suas graduações referem-se a 20 oC. A escala é graduada em milímetros e polegadas, podendo a polegada ser fracionária ou milesimal. O cursor é provido de uma escala, chamada nônio ou vernier, que se desloca em frente às escalas da régua e indica o valor da dimensão medida.

Por ser essencialmente um instrumento de medição, o paquímetro permite obter medidas lineares das faces de uma determinada peça. Estas faces podem ser: externas, internas e ainda, de profundidade.

Conservação do Paquímetro

ƒ Mantenha sempre o paquímetro fechado quando não estiver um uso (mesmo que logo depois haja necessidade de novas medidas); ƒ Evite as quedas; ƒ O paquímetro não deve ficar em contato com ferramentas usuais de trabalho mecânico. Mantenha-o, sempre que possível, em estojo próprio; ƒ Evite arranhões ou entalhes que prejudiquem a graduação; ƒ Após o uso, limpe e lubrifique com óleo fino.

GRADUAÇÃO DA ESCALA – SISTEMA MÉTRICO DECIMAL

1 METRO = 100 CENTÍMETROS

1 m = 100 cm 1 CENTÍMETRO = 10 MILÍMETROS

1 cm = 10 mm 0 1cm

0 1cm

Como 1 cm = 10 mm, a distância entre traços vale 1 mm.

PROCESSO PARA LEITURA DE MEDIDAS

Exemplo: Leitura da medida na figura a seguir.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

Para efetuar a leitura conte os milímetros inteiros da escala fixa que estão antes do zero do nônio. Depois conte os traços do nônio até aquele que estiver coincidindo com um traço da escala fixa para obter os décimos de milímetros. É preciso passar por 6 traços até encontrar um traço do nônio que coincida com um traço da escala fixa. Portanto a medida do nônio é de 6/20 ou seja, 0,3 mm.

A medida final será a soma dos milímetros encontrados somados a medida do nônio, ou seja, 2mm + 0,3mm = 2,3 mm.

PROCESSO PARA COLOCAÇÃO DE MEDIDAS

Exemplo: Colocação da medida 8,5 mm no paquímetro.

Conte o número de milímetros pelo zero do nônio até chegar a 8. A seguir movimente lentamente o cursor procurando coincidir o traço de valor 6 do nônio com um traço da escala fixa.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

Assim será encontrada a medida de 8,5 mm que estará representada por qualquer das 3 formas de medição possíveis no paquímetro (medida externa, interna e de profundidade).

Medição do diâmetro de um fio

Condições para que a medida seja bem tomada

ƒ A peça a ser medida deve estar desempenada; ƒ A faces da haste de encosto devem ser ajustadas quando juntas; ƒ A peça a ser medida deve estar isenta de poeira, graxa, etc.; ƒ A peça a ser medida deve estar na temperatura normal.

Conservação do micrômetro

ƒ As faces do encosto e da haste devem ficar separadas quando o aparelho não estiver em uso; ƒ Deve ser manejado com todo o cuidado evitando as pancadas e quedas;

ƒ O micrômetro não deve ficar em contato com as ferramentas usuais de trabalho mecânico; ƒ Use a catraca para o contato na medição da peça. NUNCA dê um aperto para fazer a medição usando o tambor; ƒ Após o uso, limpe e lubrifique com óleo fino; ƒ O instrumento deve ser guardado em estojo próprio.

SISTEMA MÉTRICO DECIMAL

Inicialmente observaremos as divisões da escala da bainha. Sabendo-se que nos micrômetros do sistema métrico o comprimento da escala mede 25 mm, se dividirmos o comprimento da escala pelo número de divisões existentes no tambor, encontraremos o valor da distância entre as divisões (0,50 mm), que é igual ao passo do parafuso micrométrico.

Estando o micrômetro fechado e dando uma volta completa no tambor rotativo, no sentido anti-horário, teremos um deslocamento do parafuso micrométrico igual ao seu passo (0,50mm), aparecendo o primeiro traço na escala da bainha. A leitura da medida será de 0,50mm. Dando-se duas voltas completas aparecerá o segundo traço e a leitura será de 1mm, e assim sucessivamente.

Sabendo-se que uma volta no tambor equivale a 0,50mm e tendo o tambor 50 divisões, concluímos que cada divisão equivale a 0,01mm.