POTENCIA E FATOR DE POTENCIA A potência instantânea p é o produto da corrente i pela tensão v para um dado instante t . p = vì
(1-5)
Quando v e i forem ambos positivos ou ambos negativos, o seu produto p é positivo. Portanto, está sendo gasta uma potência através do ciclo (Fig. 1-1). Se i for positivo e V negativo em qualquer parte do ciclo (Fig. 1-2), ou se v for positivo e i negativo em qualquer parte do ciclo, o seu produto será negativo. negativo. Esta "potência negativa" não não está disponível para a realização de trabalho; é potência que volta para a linha.
Fig. 1-1 Diagrama temporal de potência quando a tensão e a corrente estiverem em fase
O produto da tensão na resistência pela corrente que passa pela resistência é sempre positivo e é chamado de potência real. A potência real pode ser considerada como a potência resistiva dissipada na forma de calor. Como a tensão através de uma reatância está sempre 90° fora de fase relativamente à corrente que passa pela reatância, o produto px = vxix é sempre negativo. Este produto é chamado de potência reativa e é devido à reatância do circuito. Analogamente, Analogamente, o produto da tensão da linha pela corrente da linha li nha é conhecido como potência aparente.
1
Fig. 1.2 Diagrama temporal de potência num circuito RL série quando a corrente segue a tensão pelo ângulo de fase
A potência real, a potência reativa e a potência aparente podem ser representadas: por um triângulo retângulo (Fig. 1-2a). Desse triângulo trata-se as fórmulas para a potência: Potência real
P = VR IR = = VI cos , W
(1.6)
P = I2R, W
(1.7)
V2
(1.8)
P=
R
, W
Potência reativa
Q = Vx I x = VI sem , VAR
(1.9)
Potência aparente
S = VI, V A
(1.10)
Tendo a tensão da linha V como o fasor de referência, num circuito indutivo, S segue atrás de P (Fig. (Fig. 1-3b); enquanto num circuito capacitivo S está está adiante de P (Fig. (Fig. 1-3c). A razão entre a potência real e a potência aparente, chamada de fator de potência (FP), é FP =
pôtencia real potência aparente
VrIr VI
VI cos co s VI
cos
(1.11)
Também da Eq. (1-6)
FP = cos =
P VI
(1.12)
2
O cos
de
um circuito é o fator de potência, FP, do circuito. O fator de potência
determina que parcela da potência aparente é potência real e pode variar desde 1, quando o ângulo de fase
é
0°, até 0, quando
for
90°. Quando
tensão e corrente de um circuito em fase. Quando
=
=
0°, P = VI, a fórmula para a
90°, P = VI x 0 = 0, indicando que
nenhuma potência está : sendo gasta ou consumida.
Fig. 1.3 Triângulo de potência
Diz-se que um circuito onde a corrente segue atrás da tensão (i.é, um circuito indutivo) tem um FP indutivo ou de atraso (Fig. 1-3b), diz-se que um circuito onde a corrente segue na frente da tensão (i.é, um circuito capacitivo) tem um FP capacitivo ou de avanço. O fator de potência é expresso como um decimal ou como uma porcentagem. Um fator de potência de 0,7 tem o mesmo significado que um fator de potência de 70 por cento. Para unidade (FP = 1, ou 100 por cento), a corrente e a tensão estão em fase. Um FP de 70 por cento quer dizer que o aparelho utiliza somente 70 por cento dos voltamperes da entrada. É aconselhável que os circuitos projetados tenham um alto FP, pois estes circuitos utilizam da forma eficiente a corrente liberada para a carga. Quando afirmamos que um motor consome 10 kVA (1 kVA = 1.000 VA) de uma linha : alimentação, reconhecemos que esta é a potência aparente retirada pelo motor. Os quilovoltamperes sempre se referem à potência aparente. Analogamente, quando dizemos que um motor retira 10 KW, queremos dizer que a potência real consumida pelo motor é de 10 KW. 3
Exemplo 1- Uma corrente de 7 A segue uma tensão de 220 V formando um ângulo de .30°. Qual o FP e a potência real consumida pela carga? Resp.
FP = cos = cos 30° = 0,866
(1.11)
Resp.
P = VI cos = 220(7)(0,866) = 1334 W
(1.6)
Exemplo 2- Um motor com a especificação 240 V, 8 A consome 1536 W com carga máxima. Qual Qual o seu FP? Utilize a Eq. (1-12 ). Resp.
FP =
P VI
1536 240(8)
0,8 ou 80%
Exemplo 3- Num circuito ca com RLC série (Fig. 14-3a) a corrente da linha de 2 A segue a tensão aplicada de 17 V formando um ângulo de 61,9°. Calcule , P , Q e S . Desenhe o triângulo de potência. Resp.
FP = cos
Resp.
P = VI cos
Resp
P = I 2R
Resp.
Q = VI sem = 17(2)(sen6l,9°) 17(2)(sen6l,9°) = 17(2)(0,882) = 30 30 VAR indutivo
(1.9)
Resp.
S = VI
(1.10)
= cos6l,9° = 0,471 ou 47,1% indutivo
(1.11)
= 17(2)(0,471) = 16W
(1.6)
= 22(4) = 16 W
(1.7)
= 17(2) = 34 VA
Correção do Fator de Potência A fim de se utilizar o mais eficientemente possível a corrente liberada para a carga, deseja-se um alto FP ou um FP que se aproxime da unidade. Um FP baixo geralmente se deve a grandes cargas indutivas, como motores de indução, que consomem a corrente com atraso de fase.
4
A fim de se corrigir esse baixo FP, é necessário fazer com que a corrente fique o mais próximo possível em fase com a tensão. Isto é, o ângulo de fase
deve
ser o menor possível.
Isto geralmente se consegue colocando uma carga capacitiva, que produz uma corrente adiantada, em paralelo a carga indutiva.
Exemplo 4- Com o auxilio de um diagrama de fasores, mostre como o FP produzido por um motor indutivo pode ser corrigido para chegar à unidade. Mostramos o circuito de um motor de indução (Fig. 1-4) e o seu diagrama de fasores para a corrente (Fig. (Fi g. 1-4). A corrente I segue segue a tensão V de de um ângulo onde FP = cos
=
de
atraso de fase
0,7. Queremos aumentar o FP para 1,0. Isto se consegue ligando um
capacitor através do motor (Fig. 1-5a). Se a corrente que passa pelo capacitor for igual à corrente indutiva, as duas se cancelam (Fig. 1-5b). A corrente da linha I , é agora menor do que o seu valor original e está em fase com V de modo que FP = cos 0° = 1. Observe que a corrente I que que passa pelo motor permanece inalterada. A parte reativa da corrente para o motor é alimentada pelo capacitor. A linha agora só tem que fornecer a componente da corrente para a parte resistiva do motor.
Fig. 1.4 Um motor de indução representado por um circuito RL série
Fig. 1-5 Motor de Indução onde se acrescentou um capacitor em paralelo 5
Exemplo 5-.Um motor de indução consome 1,5 KW e 7,5 A de ~a linha de 220 V, 60 Hz. Qual deverá ser a capacitância de um capacitor em paralelo a fim de se aumentar o FP total para Im (Fig. 1-6)? l.º Passo: Calcule Calcule
o ângulo de fase M e a seguir a potência reativa Q M da .carga
constituída pelo motor. PM = VMIM cos M de onde
P M
cos m =
VM IM
(1-6) 1500
220(7,5)
0,909
M = arccos 0,909 = 24,6° Do triângulo de potência para o motor (Fig. 1-6 b), QM = 1500 tg 24,6° = 687 VAR indutivo
(a)Acrescentando um capacitor em paralelo para aumentar o FP para 1
(b)
2º Passo: Calcule a corrente I C retirada pelo capacitor. Para que a corrente tenha um FP
= 1, o capacitor precisa ter um Q C = 687 VAR adiantado para equilibrar o Q M = 687 VAR atrasado. Como a potência reativa num capacitor puro é também a sua potência aparente, Qc = Sc = Vc Ic Ic = 3º Passo:
Sc Vc
687 220
(1-9)
3,12 A
Calcule a reatância do capacitor. Xc =
Vc
Ic
220 3,12
70,5
4º Passo: Calcule a capacitância do capacitor, usando a Eq.
(13-9). 6
Resp.
C=
0,159 fXc
0,159 60(70,5)
= 37,6 x 10 -6 = 37,6 F
Exemplo 6- Um motor de indução consome 15 kVA em 440 V e com 75 por cento de FP indutivo. Qual deverá ser o FP de uma carga capacitiva de 10 kVA ligada em paralelo a fim de fazer o FP total chegar até a unidade? 1º Passo: Calcule a potência reativa do motor de indução, Q M.
FPM = cos = 0,75 = arccos 0,75 = 41,4°
QM = VI sem = 15 sen 41º = 9,92 kVAR indutivo
Motor de indução 2º Passo: Calcule o ângulo de fase e a seguir o
FP para a carga capacitiva. Para se ter um
circuito com FP=1, a potência reativa total deve ser zero. Como o motor consome 9,92 kVAR indutivo, o FP capacitivo da carga também deve utilizar 9,92 kVAR. Do triângulo de potência para a carga capacitiva, Resp:
9,92 0,992 sen = 10
= arcsen 0,992 =82,7º FP = cos = cos 82,7º = 0,127 = 12,7% capacitivo
Motor síncrono Motor Síncrono
7
TRANSFORMADORES Características Características de um Transformador Ideal O transformador básico é formado por duas bobinas isoladas eletricamente e enroladas em torno de um núcleo comum (Fig. 2-1). Para se transferir a energia elétrica de uma bobina para a outra usa-se usa-se o acoplamento magnético. A bobina bobina que recebe a energia de uma fonte ca é chamada de primário. A bobina que fornece energia para uma carga ca é chamada de secundário.
O núcleo dos transformadores usados em baixa freqüência é feito geralmente de
material magnético, comumente se usa aço laminado. Os núcleos dos transformadores usados em altas freqüências são feitos de ferro em pó e cerâmica ou de materiais não magnéticos. Algumas bobinas são simplesmente enroladas em tomo de fôrmas ocas não magnéticas como por exemplo papelão ou plástico, de modo que o material que forma o núcleo na verdade é o ar. Se assumir que um transformador funcione sob condições ideais ou perfeitas, a transferência de energia de uma tensão para outra se faz sem nenhuma perda.
Razão ou Relação de Tensão A tensão nas bobinas de um transformador é diretamente proporcional ao número de espiras das bobinas. Esta relação é expressa através da fórmula V p Vs
onde
N p N s
(2-1)
V p = tensão na bobina do primário, V Vs = tensão na bobina do secundário, V N p = número de espiras da bobina do primário Ns = número de espiras da bobina do secundário A razão V P/ Vs é chamada de razão ou relação de tensão (RT). A razão Np / Ns é
chamada de razão ou relação de espiras (RE). Substituindo estes termos na Eq. (2-1 ), ) , obtemos uma fórmula equivalente. RT = RE
(1-2)
8
Uma razão de tensão de 1:4 (lê-se um para quatro) significa que para cada volt no primário do transformador há 4 volts no secundário. Quando a tensão do secundário é maior do que a tensão do primário. o transformador é chamado de transformador elevador. Uma razão de tensão de 4:1 significa que para 4 V no primário há somente 1 V no secundário. Quando a tensão no secundário for menor do que a tensão no primário, o transformador é chamado de transformador abaixador.
Fig. 2-1 Diagrama simplificado de um transformador
Exemplo1- Um transformador de filamento (Fig. 2-2) 2 -2) reduz os 120 V no primário para 8 V no secundário. Havendo 150 espiras no primário e 10 espiras no secundário, calcule a razão de tensão e a razão de espiras. Resp.
RT =
Resp.
RE =
Vp Vs N p N s
120
150
8 15
15
15
1 1
15 : 1 15 : 1
Exemplo2- Um transformador com núcleo de ferro funcionando numa linha de 120 V possui 500 espiras espiras no primário e 100 espiras no no secundário. Calcule Calcule a tensão no secundário. V p V s
N p N s
(2-1)
9
V p = 120V N p = 150 espiras
Vs = 8V Ns = 10 espiras
Fig. 2-2 Transformadores de filamento
Tire o valor de V s e substitua as valores conhecidos. Resp.
N s
Vs =
N p
V p =
100 500
120 = 24V
Exemplo 3- Um transformador de potência tem uma razão de espiras de 1:5. Se a bobina do secundário tiver 1.000 espiras e a tensão no secundário for de 30 V, qual a razão de tensão, a tensão no primário e o número de espiras do primário? Resp.
RT = RE
(2-2)
= 1 :5 Resp.
V p Vs
30
5
5
N p
RE=
5
1
V p = Vs = Resp.
1
=VR=1:5=
N s
= 6 V
1 5
1
1.000
5
5
N p = N s =
= 200 espiras
Razão ou Relação de Corrente A corrente que passa pelas bobinas de um transformador é inversamente proporcional à tensão nas bobinas. Esta relação r elação é expressa pela equação 10
V p Vs
onde
I s
(2-3)
I p
I p = corrente na bobina do primário, A Is = corrente na bobina do secundário, A
Da Eq. (2-1 ) podemos substituir V p / Vs por N p / Ns, de modo que temos N p
Ns
I s
(2-4)
I p
Exemplo 4- Deduza a equação para a razão de corrente V p / Vs por Is / I p. Para um transformador ideal, a potência de entrada no primário é igual à potência de saída do secundário. Desta forma presume-se que um transformador ideal seja aquele que funcione com uma eficiência de 100 por cento. Portanto, potência de entrada entrada = potência potência de saída P p. = Ps potência de entrada entrada = P p = V pI p potência de saída saída = Ps = VsIs Substituindo-se P p e Ps, de onde
V p
V s
I s
Resp.
I p
Exemplo 5- Quando o enrolamento do primário de um transformador de núcleo de ferro funciona com 120 V, a corrente no enrolamento é de 2 A. Calcule a corrente no enrolamento do secundário se a tensão for aumentada para 600 V. V p
V s
I s
(2-3)
I p
Tirando o valor de I s e substituindo os valores conhecidos. Is =
Resp.
V p V s
I p =
120 600
2 =0,4 A
Exemplo 6- Um transformador para campainha com 240 espiras no primário e 30 espiras no secundário retira 0,3 A de uma linha de 120 V. Calcule a corrente no secundário. N p Ns
I s I p
(2-4)
11
Tirando o valor de I s substituindo os valores conhecidos, Is =
Resp.
N p Ns
I p =
240 30
(0,3) = 2,4 A
Eficiência A eficiência de um transformador é igual à razão entre a potência de saída do enrolamento do secundário e a potência de entrada no enrolamento do primário. Um transformador ideal tem 100 por cento de eficiência porque ele libera toda a energia que recebe. Devido às perdas no núcleo e no cobre, a eficiência do melhor transformador na prática é menor que que 100 por cento. cento. Exprimindo na forma forma de equação, equação,
Ef =
onde:
potên po tência cia de saída potência de entrada
=
Ps P p
(2-5)
Ef = eficiência PS = potência de saída no secundário, W P p = potência de entrada no primário, W
Exemplo 7- Qual a eficiência de um transformador se ele consome 900 W e fornece 600 W? Ps
Ef =
Resp.
P p
=
600 900
= 0,667 = 66,7%
(2-5)
Exemplo 8-Um transformador tem uma eficiência de 90 por cento. Se ele fornece 198 W de uma linha de 110 V, qual a potência de entrada e a corrente no primário? p rimário? Ef =
PS PP
Tire o valor de P P, a potência de entrada Resp.
PP =
PS Ef
=
198 0,90
= 220 W
Escreva a fórmula para a potência de entrada PP = VPIP Tire o valor de IP 12
Resp.
IP =
PP VP
220 110
= 2A
Exemplo 9- Um transformador consome 160 W de uma linha de 120 V e libera 24 V em 5 A. Calcule a sua eficiência. PP = 160 W, dado Logo
PS = VSIS = 24(5) = 120 W
Resp.
Ef =
PS PP
=
120 160
= 0,75 = 75%
ESPECIFICAÇÕES ESPECIFICAÇÕES PARA O TRANSFORMADOR A capacidade do transformador é dada em quilovolt-ampères. Como a potência num circuito ca depende do fator de potência da carga e da corrente que passa pela carga, uma especificação de saída em quilowatts deve se referir ao fator de potência.
Exemplo 10 - Qual a saída em quilowatts de um transformador de 5 kVA 2.400/120 V que alimenta a carga nominal com os seguintes fatores de potência: (a) 100 por cento, (b) 80 por cento, e (c) (c) 40 por cento? Qual Qual a corrente de saída especificada especificada para o transformador? transformador? Potência de saída. Resp.
(a) PS = kVA x FP = 5(1,0) = 5 KW
Resp.
(b) PS = 5 (0,8) = 4 KW
Resp.
(c) PS = 5 (0,4) = 2 KW
Corrente de saída: PS = ISVS Tirando o valor de I S , Resp.
IS =
PS VS
=
5.000 120
= 41,7 A
13
Como a corrente especificada é determinada através da especificação da quilovoltamperagem, a corrente com carga máxima de 41,7 A é fornecida pelo transformador para os três diferentes FP S mesmo que a saída em quilowatts seja diferente em cada caso.
RAZÃO DE IMPEDÁNCIA É transferida uma quantidade máxima de potência de um circuito para outro quando a impedância dos dois circuitos for a mesma ou quando estiverem "casadas". Se os dois circuitos tiverem irnpedâncias diferentes, deve ser usado um transformador de acoplamento como um dispositivo "casador" de impedância entre os dois circuitos. Construindo-se o enrolamento do transformador, de modo que ele tenha uma razão de espiras definida, o transformador pode desempenhar desempenhar qualquer função como "casador" de impedância. A razão de espiras estabelece a relação correta entre a razão das impedâncias i mpedâncias dos enrolamentos enrolamentos do primário e do secundário. Esta relação é expressa através da equação 2
Z NP = ZS NS P
(2-6)
Tirando-se a raiz quadrada dos dois lados, obtemos NP NS
onde
ZP
=
(2-7)
Z S
NP = número de espiras do primário NS = número de espiras do secundário ZP = impedância do primário,
ZS = impedância do secundário,
Exemplo 11- Calcule a razão de espiras de um transformador usado para "casar" uma carga de 14.400 Resp.
N P P N S
com uma carga de 400 .
= =
Z P
(2-7)
Z S
14.400 400
= 36 =
6 1
= 6 : 1
14
Exemplo 12 - Calcule a razão de espiras de um transformador para "casar" uma carga de 20
com uma outra de 72.000
.
Aplique a Eq. (2-7) N P P
Resp.
N S
Z P
=
Z S
20
=
200
1 3600
1 6
1 : 60
Exemplo 13 - A carga do secundário de um transformador abaixador com ama razão de espiras de 5: 1 é de 900 Calcule a impedância do primário. N Z N Z P
P
S
S
2
(2-6)
Tire o valor de Z P e substitua os valores dados. 2
Resp.
2
N 5 ZP = ZS = (900) = 22.500 N 1 P
S
AUTOTRANSFORMADOR 0 autotransformador constitui um tipo especial de transformador de potência. Ele é formado por um só enrolamento. Fazendo-se derivações ou colocando-se terminais em pontos ao longo do comprimento do enrolamento, podem ser obtidas diferentes tensões. O autotransformador possui um único enrolamento entre os terminais A e C (Fig. 2-3). É colocada uma terminação no enrolamento, de onde sai um fio que forma o terminal B. O enrolamento AC é o primário enquanto o enrolamento BC forma o secundário. A simplicidade do autotransformador o torna mais econômico e de dimensões mais compactas. Entretanto, ele não fornece isolação elétrica entre os circuitos do primário e do secundário.
15
Fig. 2-3 Diagrama esquemático do autotransformador
Exemplo 14 - Um autotransformador contendo 200 espiras é ligado a uma linha de 120 V (Fig. 2-3). Para se obter uma saída de 24 V, calcule o número de espiras do secundário e o número da espira onde deverá ficar o terminal móvel do transformador contando a partir do terminal A . VP VS Resp.
NP
(2-1)
NS
NS =
24 VS 200 = 40 espiras NP = VP 100
Como as espiras do secundário incluem o primário, o terminal B deve estar onde o número de espiras é de 160 (160 = 200 - 40). Se o terminal B for móvel, o autotransformador torna-se um transformador variável. À medida que o terminal desloca-se para baixo em direção a C , a tensão do secundário diminui.
PERDAS E EFICIÊNCIA DE UM TRANSFORMADOR Os transformadores reais apresentam perdas no cobre e perdas no núcleo. A perda no cobre é representada pela potência perdida nos enrolamentos do primário e do secundário devido à resistência ôhmica dos enrolamentos. A perda no cobre dada em watts é calculada através da fórmula. Perda no cobre =I2P R P+ I2S R S onde
(2-8)
IP = corrente do primário, A IS = corrente do secundário, A R P = resistência do enrolamento do primário, R S = resistência do enrolamento do secundário,
As perdas no núcleo têm origem em dois fatores: perda por histerese e perdas por correntes parasitas. A perda por histerese se refere à energia perdida pela inversão do campo magnético no núcleo à medida que a corrente alternada de magnetização aumenta e diminui e muda de sentido. A perda por correntes parasitas ou correntes de Foucault resulta das correntes induzidas que circulam no material do núcleo.
16
A perda no cobre dos dois enrolamentos pode ser medida por meio de um wattímetro. 0 wattímetro é inserido no circuito do primário do transformador enquanto o secundário é curtocircuitado. A tensão aplicada ao primário aumenta até que a corrente especificada para carga máxima flua através do secundário curto-circuitado. Neste ponto, o wattímetro indicará a perda total no cobre. A perda no núcleo também pode ser determinada por meio de um wattímetro colocado no circuito do primário aplicando-se a tensão especificada ao primário, com o circuito secundário aberto. A eficiência de um transformador real é expressa da seguinte forma: Ef = = Ef =
potência de saída potência de entrada
PS PP
(2-5)
potên po tência cia de saída potên po tência cia de saída perda no cobre perda no núcleo VSIS x FP (VSIS x FP) perda no cobre perda no núcleo
(2-9)
onde FP = fator de potência da carga
Exemplo 15 - Um transformador abaixador de 10:1 de 5 kVA tem uma especificação para a corrente do secundário com carga máxima de 50 A. Um teste de perda no cobre por meio de curto-circuito com carga máxima dá uma leitura no wattímetro de 100 W. Se a resistência do enrolamento do primário for de 0,6 , qual a resisténcia do enrolamento do secundário e a perda no cobre do secundário? Aplique a Eq. (2-8). Perda no cobre = I 2P R P+ I2S R S = 100 W Para calcular I P com carga máxima, escreva a Eq. (2-4) NP
de onde
NS
IP =
NS NP
=
IS IP
IS =
1 10
50 = 5 A
Tire o valor de R S da equação para a perda no cobre dada acima I2S R S = 100 - I2P R P 17
Resp.
R S =
100 - I2 PR P I 2S
=
100 - 52 (0,6) 502
= 0,034
Perda de potência no secundário = I 2S R S = 502(0,034) = 85 W
Resp.
ou Potência perdida no secundário secundário = 100 - I 2P R P = 100 - 52(0,6) = 85 W
Resp.
Exemplo16 - Um teste com circuito aberto para a avaliação da perda no núcleo do transformador de 5 kVA do Exemplo Exemplo 15 fornece uma leitura no no wattímetro de 70 W. Se o FP da carga for de 85 por cento, qual a eficiência do transformador com carga máxima? Ef =
VSIS x FP (VSIS x FP) perda no cobre perda no núcleo
(2-9)
VSIS = especificação do transformador = 5 kVA = 5000 VA PF = 0,85
Perda no cobre = 100 W
Perda no núcleo = 70 W
Substituindo os valores conhecidos chega-se à Resp.
5.000 (0,85) 5.000 (0,85) 100 70
=
4250 4420
= 0,962 = 96,2
TRANSFORMADOR DESCARREGADO Se o enrolamento secundário de um transformador estiver formando um circuito aberto (Fig. 2-4a), a corrente do primário será muito baixa e será chamada de corrente sem carga A corrente sem carga produz o fluxo magnético e alimenta as perdas por histerese e por correntes parasitas no núcleo. Portanto, a corrente sem carga I E é formada por duas componentes: a componente da corrente de magnetização I M e a componente de perda no núcleo, I H. A corrente de magnetização I M está atrasada em relação à tensão aplicada ao primário V P de 90°, enquanto a componente de perda no núcleo I H está sempre em fase com V P (Fig. 2-4b).
18
Observe também que a tensão aplicada ao primário V P e a tensão induzida no secundário V S estão representadas 180º fora de fase. Como na pratica I H é pequena comparada a I M a corrente de magnetização IM é praticamente igual à corrente total sem carga I E. IE também é chamada de corrente de excitação. (a) Condição sem carga
(b) Diagrama de fasores
Fig. 2-4 Transformador com núcleo de ferro com circuito no secundário aberto
Exempto 17 - Quando o secundário de um transformador de 120/240 V está aberto, a corrente no primário é de 0,3 A para um FP de 20 por cento. A especificação do transformador transformador é de 4 kVA. Calcule (a) a corrente de carga máxima I P, (b) a corrente de excitação sem carga IE, (c) a corrente de perda no núcleo I H e (d) a corrente de magnetização I M (e). Determine a porcentagem de cada corrente relativamente à corrente de carga máxima. ( f ) Desenhe o diagrama de fasores. (a)
Corrente de carga máxima = Resp.
(b)
IP =
4.000 120
especificação do transformador em kVA kVA tensão do primári primário o
= 33,3 A
A corrente corrente do primário medida medida sem carga (com o secundário secundário aberto) é a corrente de excitação IE. Portanto, Resp.
(c)
Da Fig. 2-4b, Resp.
(d)
IE = 0,3 A
IH = IE cos = IE x FP = 0,3(0,2) = 0,06 A
Da Fig. 2-4b, IM = IE sen = arccos 0,2 = 78,5°
Portanto (e)
IM = 0,3 sen 78,5° = 0,3(0,980) = 0,294 A Resp.
Porcentagem Porcentagem da corrente do primário primário sem sem carga carga (corrente de excitação) relativamente à corrente do primário com carga máxima: Resp.
0,3 33,3
=0,0090= 0,90%
19
Porcentagem da corrente de perda no núcleo relativamente à corrente com carga máxima: Resp.
0,06 33,3
= 0,0018 = 0, 18%
Porcentagem Porcentagem de corrente de magnetização relativamente à corrente com carga máxima: Resp.
0,294 33,3
= 0,0088 = 0,88%
Observe que a corrente de magnetização (0,294 A) tem aproximadamente os mesmos valores que a corrente do primário sem carga (0,3 A). (f)
Diagrama de fasores: Veja a Fig. 2-5.
Fig. 2-5 Diagrama de fasores
POLARIDADE DA BOBINA O símbolo usado para o transformador não dá indicação sobre a fase da tensão através do secundário, uma vez que a fase dessa tensão na verdade depende do sentido dos enrolamentos em volta do núcleo. Para resolver este problema são usadas pintas de polaridade para indicar a fase dos sinais sinais do primário e do secundário. secundário. As tensões estão estão ou em fase (Fig. 26a) ou 180° fora de fase com relação à tensão do primário (Fig. 2-6b).
(a) Tensões em fase
(b) Tensões fora de fase
Fig. 2-6 Notação de polaridade polarid ade das bobinas dos transformadores 20
FUNCIONAMENTO FUNCIONAMENTO DOS TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES O funcionamento dos transformadores está baseado no fenômeno da indução eletromagnética. O primário, ligado à rede de alimentação de corrente alternada, gera um campo magnético, também alternado, que, conduzido pelo núcleo, vai induzir no secundário uma energia elétrica. O transformador será elevador se enrolamento secundário tiver maior número de espiras que o enrolamento primário, e será abaixador se enrolamento secundário tiver menor número de espiras que o primário.
O núcleo do transformador é notado com chapas de ferro-silício. As chapas de ferro- silício comumente usadas em pequenos transformadores monofásicos estão enquadradas nas seguintes características:
espessura – de de n.º 24 a n.º 26BS;
teor de silício – 1,5% 1,5% a 4,6%
máxima permeabilidade admissível – de de 5.600 a 10.000 gawes.
21
Para pequenos transformadores, no comércio são encontradas chapas já cortadas, cujos formatos mais comuns são os seguintes:
Observe na figura abaixo o formato de chapa EI
A tabela abaixo mostra as dimensões que essas chapas podem ter.
Dimensões de Chapas EI Dimensões (cm)
N.º
a
b
c
Potência
d
e
VA 22
2
2,3
1,3
1,3
3,8
7,5
50
3
3,0
1,5
1,3
4,5
9,0
100
4
3,5
1,8
1,8
5,3
10,7
150
5
4,0
2,0
2,0
6,0
12,0
250
6
4,8
2,5
2,5
7,5
14,8
500
7
6,0
3,0
3,0
9,0
18,0
1000
NÚCLEOS MAGNÉTICOS São peças metálicas, fabricadas em diversas formas, que constituem o circuito magnético de aparelhos e máquinas eletromagnéticas. eletromagnéticas. Os núcleos podem ser maciços ou laminados. Os núcleos maciços são empregados para montar as bobinas nas máquinas de corrente contínua. São constituídos com ferro doce ou fundido.
Veja, na figura abaixo, a sapata polar do núcleo maciço do estator de motor de corrente contínua.
Os núcleos laminados são empregados em máquinas de corrente alternada, transformadores e retores das máquinas de corrente contínua. São constituídos com chapas metálicas. O metal mais utilizado é o ferro-silício. A espessura das lâminas varia de acordo com o tamanho e tipo de núcleo. O núcleo terá melhor qualidade quando suas lâminas forem mais finas. As chapas, previamente cortadas com matrizes, são isoladas entre si por finas camadas de vernizes, goma-laca, papéis isolantes ou simplesmente através de oxidação. 23
Os núcleos são formados montando-se as chapas e unindo-se com parafusos ou rebites. Os núcleos laminados para transformadores são constituídos de maneira que se podem montar e desmontar facilmente para colocar as bobinas. Existem diversos tipos de núcleos laminados para transformadores. Os mais utilizados são: núcleo de coluna , núcleo encouraçado e núcleos distribuído. núcle eo de colun col un as O núcl é formados por duas colunas e duas armações. Ao redor de uma é
coluna se aloja o bobinado primário e, na outra, o secundário. Também podem ser colocadas as duas bobinas na mesma coluna.
O n úcleo cl eo en en cour cou r açado é formado por três colunas e duas armações. Na coluna central, que é de maior seção, estão os bobinados. As armações e as outras colunas completam o circuito magnético.
di str i buí bu ído é O n úcl eo distr é formado por três núcleos de coluna, unidos como mostra a figura
abaixo. As bobinas estão sobre a ramificação central, formado por três colunas.
24
NÚCLEOS DE MÁQUINAS GIRATÓRIAS Há dois tipos de núcleos para máquinas giratórias: núcleo estator e núcleo de rotores. Os núcleos estatores podem ser dois tipos: pólos salientes e ranhurados. Os n úcleos cl eos estat estator or es de pól pól os sal salii entes são são constituídos de lâminas prensados, formando pacotes rígidos. Tem diferentes formas e são utilizados em máquinas de pequena potência, como por exemplo, motores de enceradeira, furadeira portáteis, ventiladores, barbeadores. Observe na figura abaixo um núcleo estator de pólo saliente.
Este tipo de estator é utilizado indistintamente com rotor bobinado e com rotor gaiola de esquilo. Os núcleos estatores ranhurados são constituídos de lâminas prensadas, formando
25
pacotes rígidos, rí gidos, que têm em seu interior diferentes formas e número de ranhuras. Observe a seguir um estator ranhurado. As ranhuras podem ser semi fechadas ou abertas. As ranhuras semi fechadas são utilizadas em motores de pequena e média potência e as ranhuras abertas, em máquinas de média e grande potências.
Ranhura aberta
Ranhura semi fechada
O núcleo de rotores é constituído de lâminas, cortadas por matrizes e prensadas, dispostas no eixo sob pressão. Na sua parte exterior, tem ranhuras que podem ser de três formas diferentes: fechas semi fechadas e abertas. A ranhura fechada é utilizada nos rotores de gaiola de esquilo em alguns rotores bobinados, como como alguns motores motores de partida para para automóveis.
26
A ranhura semi fechada é muito utilizada em motores universais e máquinas de corrente contínua.
A ranhura aberta é utilizada em máquinas cujos enrolamentos são formados por condutores de barras retangulares ou bobinas pré-moldadas. Neste caso, o bobinado é fixado com bandagens em torno do núcleo do rotor.
Veja a seguir um quadro que apresenta características das chapas de Fe-Si.
Características Características Geris das Chapas de Fe-Si Emprego
%Si
Resistividade
Perda do núcleo em W/Kg a 60 Hz espessura 0,35mm
Motores fracionários de baixo custo
0,52
15
-
Peças polares de alta permeabilidade
0,50
17
2,86
Motores e geradores de qualidade
1,00
27
2,57
para uso intermitente intermitente
média – transformadore tr ansformadoress pequenos 27
Motores e geradores e transformadores
2,50
40
2,22
3,00
50
1,80
3,25
50
1,66
Todos os tipos de máquinas elétricas
3,80
57
1,58
de alta eficiência
4,00
58
1,43
4,20
59
1,28
4,50
60
1,14
de boa qualidade - reatores Motores e geradores de alta eficiência - transformadores Transformadores de alta eficiência para redes de de distribuição
Para encontrar as perdas no núcleo em 50 ciclos basta multiplicar a perda em 60 ciclos por 0,806. A tabela seguinte indica bitolas ESG (Electrical Steel Gauge) e o peso aproximado em quilogramas por metro quadrado das chapas de ferro-silício.
Chapas de Ferro-Silício Bitola ESG n.º
Espessura em mm
Peso Kg/m 2
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1,59 1,42 1,27 1,10 0,952 0,864 0,788 0,711 0,635 0,559 0,470
12,08 10,79 9,65 8,36 7,24 6,57 5,99 5,40 4,83 4,27 3,57 28
27 28 29 30
0,432 0,394 0,356 0,318
3,28 2,99 2,71 2,42
Os isolantes HT-S permitem temperaturas até 175º C. São máquinas desenvolvidas para situações e ambientes especiais. Por exemplo, motores que trabalham dentro de estufas. Os fios magnéticos podem ser especificados pelo seu diâmetro por sua seção transversal, ou ainda, pelo número da bitola AWG. A tabela a seguir relaciona o diâmetro e a seção com bitola AWG e fornece as características de residência e correntes admissíveis para várias densidades de corrente. As outras duas tabelas posteriores indicam número de espiras por centímetro quadrado e número de espiras por centímetro para uma camada.
29
Fios Magnéticos (Cobre) Bitola do Diâmetro Seção em Residência Correntes admissíveis para 2 fio AWG em mm mm as densidades em /Km a 2 2 n.º 1A/ mm 2A/mm 3A/mm2 4 A/mm2 5A mm2 20°C 8 3,21 8,37 2,07 8,37 16,74 25,11 33,48 41,85 9
2,91
6,63
2,59
6,63
13,26
19,89
26,52
33,15
10
2,59
5,26
3,27
5,26
10,52
15,78
21,04
26,30
11
2,30
4,17
4,15
4,17
8,34
12,51
16,08
20,85
(12)
2,05
3,31
5,22
3,31
6,62
9,93
13,24
16,55
13
1,83
2,62
6,56
2,62
5,24
7,86
10,48
13,10
14
1,63
2,08
8,26
2,08
4,16
6,24
8,32
10,40
15
1,45
1,65
10,40
1,65
3,30
4,95
6,60
8,25
16
1,29
1,31
13,20
1,31
2,62
3,93
5,24
6,55
17
1,15
1,04
16,60
1,04
2,08
3,12
4,16
5,20
18
1,02
0,82
21,10
0,82
1,64
2,46
3,28
4,10
19
0,91
0,653
26,50
0,653
1,306
1,959
2,612
3,265
20
0,81
0,518
33,50
0,518
1,036
1,554
2,072
2,590
21
0,72
0,410
42,30
0,410
0,820
1,230
1,640
2,050
22
0,64
0,326
53,60
0,326
0,652
0,978
1,250
1,630
23
0,57
0,2552
57,60
0,2552
0,5104
0,7656
1,0208
1,2760
24
0,51
0,2043
84,40
0,2043
0,4086
0,6129
0,8172
1,0215
25
0,45
0,1590
108,40
0,1509
0,3180
0,4770
0,6360
0,7950
26
0,40
0,1256
137,0
0,1256
0,2512
0,768
0,5024
0,6280
27
0,36
0,1018
169,0
0,1018
0,20396
0,3054
0,4072
0,5090
28
0,32
0,0804
214,0
0,0804
0,1608
0,2412
0,3216
0,4020
29
0,29
0,0660
261,0
0,0660
0,1320
0,1980
0,2640
0,3300
30
0,25
0,0491
351,0
0,0491
0,0982
0,1473
0,1964
0,2455
31
0,23
0,0415
415,0
0,0415
0,0830
0,1245
0,1660
0,2075
32
0,20
0,0314
549,0
0,0314
0,0628
0,0942
0,1256
0,1570
33
0,18
0,0254
679,0
0,0254
0,0508
0,0762
0,1016
0,1270
34
0,16
0,0201
858,0
0,0201
0,0402
0,0603
0,0804
0,1005
35
0,14
0,0154
1119,0
0,0154
0,0308
0,0462
0,0616
0,0770
36
0,13
0,0132
1306,0
0,0132
0,0261
0,0396
0,0528
0,0660
37
0,11
0,0095
1815,0
0,0095
0,0190
0,0285
0,0380
0,0475
38
0,10
0,0078
2210,0
0,0078
0,0156
0,0234
0,0312
0,0390
39
0,09
0,0063
2737,0
0,0063
0,0126
0,0189
0,0252
0,0315 30
40
0,08
0,0050
3448,0
0,0050
0,0100
0,0150
0,0200
0,0250
Número de Espiras por Centímetro Quadrado (várias camadas) para Fios Magnéticos Isolados com Diferentes Materiais. Bitola no fio
Espira Espirass por por cm cm
AWG n.º 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Legenda:
FME
FMS-2
FMES-1
FME-1
FM-2
13,7 17,6 22,0 28,30 34,8 43,6 56,3 68,9 86,5 108,0 134,0 169,0 225,0 256,0 324,0 400,0 484,0 625,0 784,0 961,0 1370,0 1600,0 2030,0 2500,0 3030,0 3970,0 4360,0 -
81,0 100,0 121,0 156,0 196,0 225,0 289,0 361,0 441,0 529,0 625,0 784,0 900,0 1090,0 1370, 1600,0 1850,0 2210,0 2500,0 3030,0 3480,0 3840,0 4360,0
31,4 39,7 50,4 59,3 75,7 90,3 121,0 156,0 169,0 225,0 256,0 324,0 400,0 484,0 625,0 729,0 900,0 1020,0 1230,0 1230,0 1440,0 1680, 2210,0 2500,0 -
29,2 36,0 43,6 54,8 64,0 81,0 100,0 121,0 144,0 169,0 225,0 256,0 324,0 361,0 441,0 529,0 625,0 729,0 841,0 961,0 1090,0 1230,0 1370,0 -
7,84 9,00 11,6 14,4 18,5 21,2 26,0 34,8 43,6 51,8 64,0 74,0 92,2 100,0 121,0 144,0 169,0 225,0 256,0 324,0 361,0 400,0 484,0 529,0 625,0 676,0 729,0 841,0 900,0 1020,0 1090,0 1160,0 1230,0
FME
– fio fio
magnético esmaltado
FMS-2
– fio fio
magnético com duas capas de seda
FMES-1
– fio fio magnético esmaltado com uma
capa de seda
FME-1
– fio fio magnético esmaltado com uma
capa de algodão 31
FM-2
– fio fio
magnético com duas capas de algodão
Observação: Observação: convém conferir sempre os diâmetros dos condutores com micrômetro.
Número de Espiras por Centímetro Quadrado (uma camada) para Fios Magnéticos Isolados com Diferentes Materiais. Bitola no fio
Espira Espirass por por cm
AWG n.º
FME
FMS-2
FMES-1 FMES-1
FME-1
FM-2
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
3,7 4,2 4,7 5,3 5,9 6,6 7,5 8,3 9,3 10,4 11,6 13,0 15,0 16,0 18,0 20,0 22,0 25,0 28,0 31,0 37,0 40,0 45,0 50,0 55,0 63,0 66,0 -
9,0 10,0 11,0 12,5 14,0 15,0 17,0 19,0 21,0 23,0 25,0 28,0 30,0 33,0 37,0 40,0 43,0 47,0 50,0 55,0 59,0 62,0 66,0
5,6 6,3 7,1 7,7 8,7 9,5 11,0 12,5 13,0 15,0 16,0 18,0 20,0 22,0 25,0 27,0 30,0 32,0 35,0 38,0 41,0 47,0 50,0 -
5,4 6,0 6,6 7,4 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 15,0 16,0 18,0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 29,0 31,0 33,0 35,0 37,0 -
2,8 3,0 3,4 3,8 4,3 4,6 5,1 5,9 6,6 7,2 8,0 8,6 9,6 10,0 11,0 12,0 13,0 15,0 16,0 18,0 19,0 20,0 22,0 23,0 25,0 26,0 27,0 29,0 30,0 32,0 33,0 34,0 35,0
Observação: Observação: convém conferir sempre os diâmetros dos condutores com micrômetro. É importante que você saiba algumas dicas sobre fios fi os magnéticos. 32
Na reparação de bobinados, use sempre fios de diâmetros e isolamentos iguais aos originais. Os fios magnéticos esmaltados são sempre fornecidos em carreteis de madeira ou plástico. Os fios com com encapamento encapamento de algodão, algodão, porém são fornecidos fornecidos em rolos. Quando tiver que trabalhar com fio em rolo, não acredite que ele vá desenrolando-se direitinho; use sempre um sarilho, com dimensões tais que o rolo fique apertado pela parte cônica do sarilho. Algumas regras referentes aos fios
AWG podem podem ser ser aplicadas aplicadas com com grande grande
aproximação: -
Uma diminuição de seis números (por exemplo de 16 10) dobra o diâmetro..
-
Uma diminuição de dez números multiplica a seção e o peso por 10 e divide a resistência por 10.
Observação: Observação: Hoje em dia, já é comum comum usar-se a seção do fio em milímetros observe, observe, na tabela abaixo, os vários tipos de resina sintética, sua classe de temperatura e os principais empregos.
Comparação entre os Diversos Tipos de Esmalte Tipo de Esmalte
Designação Designação Classe Propriedades Especiais PIRELLI - ISOFIL Térmica ºC Poliviniformal Pireform 105 Grande resistência à abrasão, a agentes químicos e a óleos minerais. Resistente ao fluido refrigerante 22, baixa porcentagem porcentagem de extração, resistente a agentes químicos. Poliviniformal ou Auto Colante, com grande Pirofix 105 poliuretana com resistência a abrasão. camada termoplástica de cimentação Resistente à umidade, ao óleo de Epoxi Pirenor 130 transformador e espessura de isolamento especial (compreendida entre a simples e a reforçada da NEMAMW – 100). 100). Epoxi Pirequent 130 Resistente à umidade, a óleos de transformador e a temperatura. Tereftálico Imídico
Pireterm
155
Resistente a agentes químicos e à temperatura.
Poliester Imídico
Reterm
180
Resistentes a agentes a temperatura 33
e a agentes químicos. Excelente termoplasticidade. O gráfico a seguir mostra a variação da resistência de isolamento durante um processo completo de impregnação. i mpregnação.
Observando Observando o gráfico, pode-se comparar o comportamento de dois tipos de vernizes. Alinha cheia refere-se a um verniz normal e alinha pontilhada mostra as variações de resistência, referindo-se a um tipo de verniz que dispensa prévio aquecimento. A tabela abaixo indica os vernizes apropriados para cada uso.
Vernizes de Impregnação e Acabamento Para Máquinas Elétricas Tipo
Secagem
Classe
ISO - 301
135-150ºC
Elevado teor sólidos, Rotores de alta rotação, baixa viscosidade, transformadores especiais, (155ºC) resiste a altas bobinas , encapsulamento temperaturas, ótimo poder cimentante. 50 2% ISO – S 121 Excelente resistência Aparelhos elétricos que “F” ao calor, substitui trabalham dentro ca classe (155ºC) com vantagem “F”. econômica e técnica o silicone. 50 2% ISO – S - 102 Excelente resistência Equipamentos que “F” ao calor, ótima trabalham na classe “F”,
4 a 8h
ISO - 707
130-150ºC 6 a 10h
ISOTERM
120-150ºc
“F”
Sólido
Solvente
95 2%
ISO – S-106
Características Característi cas
Emprego
34
767
5 a 8H
ALKIDAL ambiente ou ISO –
estufa
(155ºC)
“B”
(105ºC)
rigidez dielétrica.
58 2%
ISSO – S S 102
1200 vermelho ISO - 1210 ambiente ou
ISO –
“B”
estufa
(105ºC)
Ambiente
“A”
1400
(105ºC)
Excelente resistência Acabamento de bobinas, aos óleos, ácidos, estatores, motores, etc. álcalis e umidade. Elevada resistência térmica.
55 2% ISO – S 102
Resistência aos agentes químicos e umidade, ótima rigidez dielétrica. 42 2% ISO – S - 104 Rápida secagem e resistência à umidade.
preto ISO –
Estufa
1524 ISO –
“B”
(130°C) Ambiente
1600
“A”
(105ºC)
ISO –
Ambiente
“A”
1700
ou Estufa
(105ºC)
ISO –
Ar ou Estufa
“B”
1720
120°C
(130ºC)
ISO –
1ª) 2h a 90
“A”
1800
ou 100ºC
(105ºC)
escuro
bobinas, motores, transformadores, etc.
50 2% ISO – S - 102 Alto cimentante.
poder
Transformadores a seco ou imersos em óleo, reguladores, motores, bobinas, etc. Reparos de emergência e manutenção preventiva do isolamento envelhecido: proteção e acabamento de partes metálica. Rotores de alta rotação. Bobinas, transformadores especiais. Bobinas fixa, reparos de emergência e manutenção preventiva.
50 2% ISO – S S – 101 101 Película flexível, resistência à água ISO – S S - 104 salgada e aos agentes químicos. 50 2% ISO – S S – 104 Película rija, secagem Uso geral em quase todo rápida, bom poder tipo de equipamentos dielétrico, baixo elétricos. custo. 40 2% ISO – S S – 102 Ótimo poder isolante. Uso geral, Motores, Secagem rápida. transformadores, bobinas fixas, etc.
escuro 50 2% ISO – S S – 103 Alto cimentante.
poder Rotores de alta rotação, fabricação de laminados de papel, pano ou madeira.
53 2% ISO – S S – 135 Alto cimentante.
poder Rotores de alta rotação transformadores especiais.
2ª) 3h a 125 ou 135ºC ISO –
125ºC – 5h 5h
1802
“A”
(105ºC)
ISO –
125ºC –
“B”
1900
5/8h
(130ºC)
50 2% ISO – S S – 101 Elevada rigidez Características dielétrica, película verdadeiramente universais dura e elástica, ótima permitem empregá-lo nas secagem em máquinas elétricas mais profundidade diversas: transformadores, resistência à motores, geradores, etc. umidade, ao calor e aos agentes químicos. 35
ISO –
125°C – 5h 5h
1902
“B-F”
(130155ºC)
47 2% ISO – S S – 102 Película Película elástica e Enrolamento com resistente ao calor e fiberglass ou com fios ao envelhecimento. magnéticos resistentes a temperatura elevada (classe “F”).Micante
ISO –
130º C –
“B”
1914
10h
(130ºC)
ISO –
Estufa
“A”
1915
130º C –
(130ºC)
5/8h ISO –
Ambiente
2000
15 min.
vermelho, amarelo ou
flexível,
transformadores, etc. 50 2% ISO – S S – 114 Película elástica ou Transformadores, dura, resistente ao geradores, motores, calor e ao bobinas especiais. envelhecimento. 60 2% ISO – S S – 101 Ótima secagem em Características: universal, profundidade. qualquer tipo de Resistente ao equipamento elétrico. envelhecimento.
20 3% ISO – S S – 105 Secagem rápida, Componentes de rádio e ótimo fator de TV: pequenos motores, (130ºC)5 potência e constante acabamento, etc. dielétrica, resistência aos agentes corrosivos. “A”
transpar. 15 2% ISO – S S – 113 Alto fator potência.
ISO –
Rápida ao
“A”
2003
Ar
(105ºC)
amarelo
15 min
ISO –
Rápida ao
“A”
2011
Ar
(105ºC)
Incolor
70 min
ISO – 3000 3000
1ª) 2h –
“B”
400
100ºC
(130ºC)
2%
50%
20 2% ISO – S S – 118 Elevada constante Componentes eletrônicos. dielétrica. Resistente Transformadores pequenos, à umidade e vapores etc. corrosivos.
2ª) 6h140ºC ISO – 7000 7000
1ª) 3h –
“H”
silicone
110ºC
(180ºC)
2ª) 6h-acima
de Bobinas estáticas rádio e TV. Baixo custo.
ISO – S S – 106 Alta cimentação, Motores, geradores, resistência bobinas, sujeitos às excepcional aos emanações corrosivas. vapores corrosivos , Rotores com força secagem em centrífuga elevada. profundidade. ISO – S S – 122 Altíssima resistência Equipamentos elétricos que ao calor, baixa trabalham dentro da classe temperatura para “H” (180ºC). polimerização.
140ºC
36
RESFRIAMENTO RESFRIAMENTO DO TRANSFORMADOR Transformadores a Seco São resfriados diretamente pelo ar circundante (resfriamento a ar). Por essa razão, só são construídos, economicamente, para pequenas potências.
Transformadores Transformadores a Óleo São constituídos em caixa de chapa preta e hermeticamente fechadas. O óleo, de excelente qualidade, deve transmitir o calor do transformador, o mais rapidamente possível, para as paredes paredes do recipiente, recipiente, na maioria das vezes aumentadas aumentadas por aletas aletas de resfriamento. Por meio de um recipiente de dilatação, que é conservador do óleo, consegue-se que o óleo se dilate ao ser aquecido e se retraia ao se esfriar, sem que entre em contato com o ar externo, o que poderia absorver umidade. O ar altera a composição química do óleo. A água contida no óleo reduz a resistência r esistência dielétrica.
Transformadores Transformadores com Líquidos Não-Combustíveis Esse tipo de transformador evita evita incêndios.. O óleo óleo nos transformadores transformadores é substituído por líquido isolante incombustível, o clofênio. O clofênio é um óxido de carbono aromático e clorado, produzido com matéria – prima Alemã. É incolor, com com características oleosas. Estes transformadores podem ser instalados, por exemplo, em teatros, armazéns, etc. Economizam condutores, já que podem ser colocados junto aos locais de maior demanda de energia.
Relé Buchholz Encontra-se entre a carcaça e o recipiente de dilatação. Esse relé faz um sinal de alerta quando há um superaquecimento, o que libera a formação de gás no interior da carcaça. O superaquecimento pode ocorrer se o nível do óleo baixar demasiadamente ou se entrar ar na carcaça do transformador, devido a má vedação no circuito do óleo. Observe na figura abaixo um relé Buchholz.
37
Resfriamento Externo de Transformador de Grande Potência O óleo do transformador é retirado da parte superior da carcaça por meio de um a bomba, é conduzido conduzido através da serpentina e, e, em seguida, de de volta, penetra pela pela parte inferior.
Óleo Isolante Ascarel É o óleo empregado para resfriamento de transformadores a óleo. Este óleo é muito tóxico, porém ainda é muito empregado até hoje. É fabricado desde 1929 e, apesar dos danos que causa à saúde, é muito usado devido a suas vantagens técnicas para a formação de:
lubrificantes especiais;
tintas epoxi;
óleos isolantes para eletricidade; 38
óleos isolantes para capacitores;
vernizes de proteção à madeira;
fluidos de corte.
Conforme o país de origem, o óleo ascarel é conhecido por nomes como: Araclor, DK, Fenclor, Inerterrn, Pinalene, Santotherm, Clofen, etc. Seu principal componente é o bifenilpoliclorado – PCB. PCB. Este componente é o principal causador de danos à saúde e ao meio ambiente. Seus efeitos negativos não aparecem de imediato se o contato com o óleo for distante. Porém, se for aspirado ou ingerido, pode causar a morte. Os danos que o óleo ascarel pode causar são:
se introduzido no óleos, decompõe a córnea a causa cegueira;
em contato com a pele, provoca coceiras que se tornam feridas abertas, pois é cancerígeno;
ser ingerido ou aspirado, danifica o fígado e o rins.
Em outubro de 1975 foi proibido o uso do ascarel ascarel em novos equipamentos a serem fabricados ou comprados pelo Brasil. Foi sugerida a substituição do óleo ascarel por fluido silicone – polidimetil-hiloxano, polidimetil-hiloxano, para transformadores e capacitores. Observe sempre estes cuidados especiais ao trabalhar com ascarel:
use óculos de segurança com videira;
use luvas de punho comprido, que cubra todo o braço, feitas de clorivinil;
use avental comprido de clorivinil;
use protetor para pernas e sapatos de clorivinil.
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO É um dispositivo, sem partes em movimento, que transforma a energia elétrica trifásica por meio de indução eletromagnética. eletromagnética. Esse dispositivo mantém a mesma freqüência, mas, geralmente, apresenta tensões e intensidade de corrente diferentes. O transformador trifásico constitui o estágio evoluído de um sistema de três transformadores monofásicos. Com a finalidade de economizar ferro foi dada uma disposição conveniente aos núcleos. 39
Observe na figura abaixo de um transformador trifásico.
Os núcleos do transformador trifásico, assim como dos dos monofásicos, são formados formados pelo empacotamento empacotamento de chapas de ferro-silício comum ou orientado, nas espessuras de 0,635 mm e 0,470 mm, ou seja, chapas 24 e 26 ESG, respectivamente. Os núcleos podem ser shell ou core; Os mais comuns são núcleos core. Os núcleos core apresentam-se em dois modelos:
conve convencion ncional al plano e spir spir akore .
Núcleo Convencional Plano O Núcleo Convencional Plano pode ser formado de duas maneiras quando se emprega ferro comum, empacotam-se chapas com formatos E e I; quando se trabalha com ferro orientado, usam-se apenas chapas de formato I.
40
Esses núcleos dispõem de três colunas unidas por duas armaduras. Na junção das armaduras com colunas, as chapas são entrelaçadas e fixadas por meio de cantoneiras, parafusos e porcas, porcas, como mostra mostra a figura da página página anterior.
Núcleo Spirakore O Núcleo Spirakore possui armaduras em formas de coroa, obtidas pelo enrolamento de uma fita de chapa de ferro, geralmente orientado como mostra a figura abaixo.
Meio Envolvente para Transformadores Transformadores Trifásicos Os transformadores trifásicos de uso mais generalizado são os tipo imerso em líquido isolante. O transformador e o líquido estão contidos em um tanque fabricado de chapa preta, em diferentes formatos, com com ou sem aletas de refrigeração. refrigeração. Esses Esses
tanques devem ser
hermeticamente fechados para impedir a contaminação do óleo isolante por poeira e umidade. Por essa razão, todas as emendas de chapa são isoladas e todas as peças móveis são parafusadas e seladas com gaxeta gaxeta de papel papel especial, cortiça ou borracha nitrila. A gaxeta deve ser isenta de substâncias condutoras, como o grafite, o que transformará t ransformará o óleo em condutor. Os tanques dispõem de aberturas de visita, usadas para desligar terminais ou peças que impeçam a remoção da tampa.
41
Para a ligação dos transformadores à rede são feitas saídas de terminais isolantes. Esses terminais podem ser fixados à parede lateral do tanque, à tampa ou, simultaneamente, à parede e à tampa, como mostram as figuras abaixo.
Nos modernos transformadores de distribuição, os terminais de baixa tensão são colocados na parede lateral e os alta tensão na tampa. Os isoladores são montados de fora para dentro e fixados sobre gaxetas por meio de braçadeiras e parafusos. Observe, Observe, na figura abaixo, abaixo, a montagem montagem de um isolador na tampa.
A ligação dos transformadores aos terminais de baixa tensão é sempre feita por dentro do tanque;. os isoladores dispõem de haste roscada, à qual são ligados os enrolamentos. Para as saídas de alta tensão existem dois tipos de isoladores:
isoladores que servem servem de bainha, na qual se enfia enfia a saída saída de lata tensão do transformador; neste caso, a ligação é feita por fora do tanque; 42
isolares que dispõem de haste roscada para se fazer a ligação por dentro do tanque. t anque.
Para ligar adequadamente os transformadores trifásicos em paralelo, é indispensável que se conheçam as marcações dos terminais e suas polaridades. No Brasil, as normas recomendam a indicação dos terminais de transformadores trifásicos com as marcas: H1, H2 e H3 para os de mais alta tensão; tensão; X1, X2 e X3 para os de mais alta tensão.
Disposição dos Terminais Imagine que o observador esteja ao lado do tanque, por onde saem os terminais de tensão mais baixa; então o terminal H 1 deve ficar à esquerda, o H 2 no centro e o H 3 à direita. O terminal X1 deve ficar em frente ao H 1; o X2 ,em frente ao X 2 e o X3, em frente ao H 3. Veja a seguir um transformador e a disposição de seus terminais.
Embora os transformadores trifásicos apresentem externamente seis terminais, dispõem, internamente de 12 a 18 pontas do enrolamento que devem ser interligadas. Para essas ligações internas, existem seis métodos que figuram nas duas tabelas abaixo, cada uma com três deles. Nos diagramas dessas tabelas, as extremidades dos enrolamentos são identificadas i dentificadas com números correspondentes aos usados nos seguintes esquemas.
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TIPOS DE LIGAÇÃO DO “GRUPO A” DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Símbolo e denominação
Diagrama Enrolamento de mais Enrolamento de mais alta tensão baixa tensão
Relação de transformação (tensão entre fases)
/
Triângulo triângulo
EX =
N X NH
..E H
/
Estrela estrela
EX =
N X NH
..E H
/
Triângulo ziguezague
EX =
N X . E H .
3
2NH 2NH
Para se verificar se as ligações l igações estão corretas, alimenta-se o transformador pelos lides de tensão mais elevada com uma fonte de corrente trifásica conveniente; depois, ligam-se os lides H1 e X1 entre si e , finalmente, medem-se as tensões entre vários pares de lides. O resultado deve ser:
tensão entre H2 e X3 igual a tensão entre H3 e X2;
tensão entre H2 e X2 menor que a tensão entre H1 e H2;
tensão entre H2 e X2 menor que a tensão entre H2 e X3. 44
TIPOS DE LIGAÇÃO DO “GRUPO B” DE TRANSFORMADORES
TRIFÁSICOS Símbolo e
Diagrama
Relação de
denominação
Enrolamento de mais Enrolamento de mais
transformação
alta tensão
baixa tensão
(tensão entre fases)
/
Triângulo triângulo
EX =
N X NH
. 1,73 .E H
/
Estrela triângulo
EX =
N X . E H NH . 3
/
Triângulo ziguezague
EX =
N X . E H .
3
2NH 2NH
Para se verificar se as ligações estão corretas, alimenta-se o transformador pelo lides de tensão mais elevada com uma fonte de corrente trifásica conveniente; ligam-se os lides H1 e X1 entre si e mede-se a tensão entre vários pares de lides. O resultado deve ser: tensão entre H 3 e X3 igual à tensão entre H 3 e X3; tensão entre H 3 e X2 menor que a tensão entre H 1 e H3; 45
tensão entre H 2 e X2 menor que a tensão entre H 2 e X3; tensão entre H 2 e X2 menor que tensão entre H 1 e X3.
Observações: Para determinar as tensões secundárias, existem os seguintes símbolos:
EH – tensão tensão entre fases na rede primária;
EX – tensão tensão entre fases na rede secundária;
NH – número número de espiras do enrolamento de mais alta tensão;
NX – número número de espiras do enrolamento de mais baixa tensão.
No caso de enrolamento em ziguezague, esse número compreende o total de espiras das duas metades. A ligação em paralelo de dois transformadores trifásicos só pode ser feita se os sistemas de ligação entre ambos pertencerem ao mesmo grupo e se entre os dois transformadores houver correspondência de tensões e impedâncias. Em nenhuma hipótese pode-se ligar em paralelo dois transformadores cujos sistemas de ligações internas não pertencem ao mesmo grupo. Portanto, um transformador do “grupo A”
nunca pode ser ligado em paralelo com um transformad or do “grupo B”. Veja agora exemplos de outras ligações que podem ser feitas quando se necessita de tensão correspondente à conexão. /
EX =
/
EH .
N X 2
N H
EX =
EH . N H
N X
2 . 3 46
Cál cul o de Corr Cor r ente nt e nos Tr ansfor ansf ormador mador es Tr i f ásicos
Para se calcular a corrente de linha nos transformadores trifásicos usa-se a formula: f ormula: I=
onde:
KVA . 1000 3 . E
I = corrente de ampères KVA = potência em 100 voltampères; E = tensão da conexão.
A densidade de corrente nos condutores bobinados varia de 1,8 a 5 ampères por milímetro quadrado, conforme o projeto, a potência e o meio de refrigeração usado no transformador.
47
